Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 37 )

Формування полімерних композиційних матеріалів здійснюється пресуванням, литтям під тиском, екструзією, напилюванням.

Широке застосування знаходять змішані полімерні композиційні матеріали, куди входять металеві й полімерні тридцятилітні, які доповнюють один одного по властивостях. Наприклад, підшипники, що працюють в умовах сухого тертя, виготовляють із комбінації фторопласта й бронзи, що забезпечує самозмащуваність і відсутність повзучості.

Створено матеріали на основі поліетилену, полістиролу з наповнювачами у вигляді азбесту й інших волокон, що володіють високими міцністю й твердістю.

Матеріали порошкової металургії

 Порошкова металургія – область техніки, що охоплює процеси одержання порошків металів і металоподібних сполук і процеси виготовлення виробів з них без розплавлювання.

Характерною рисою порошкової металургії є застосування вихідного матеріалу у вигляді порошків, з яких пресуванням формуються вироби заданої форми й розмірів. Отримані заготівлі піддаються спіканню при температурі нижче температури плавлення основного компонента.

Основними достоїнствами технології виробництва виробів методом порошкової металургії є

1.  можливість виготовлення деталей з тугоплавких металів і сполук, коли інші методи використовувати неможливо;

2.  значна економія металу за рахунок одержання виробів високої точності, у мінімальному ступені нужденних у наступній механічній обробці (відходи становлять не більше 1...3 %);

3.  можливість одержання матеріалів максимальної чистоти;

4.  простота технології порошкової металургії.

Методом порошкової металургії виготовляють тверді сплави, пористі матеріали: антифрикційні й фрикційні, фільтри; електропровідники, конструкційні деталі, у тому числі працюючі при високих температурах і в агресивних середовищах.

Пористі порошкові матеріали

Відмінною рисою є наявність рівномірної об'ємної пористості, що дозволяє одержувати необхідні експлуатаційні властивості.

Антифрикційні матеріали (пористість 15...30 %), широко, що застосовуються для виготовлення підшипників ковзання, являють собою пористу основу, просочену маслом. Масло надходить із пор на поверхню, і підшипник стає самозмащувальної, не потрібно підводити змащення ззовні. Це істотно для чистих виробництв (харчової, фармацевтична галузі). Такі підшипники майже не зношують поверхня вала, шум в 3...4 рази менше, ніж від кулькових підшипників.

Підшипники працюють при швидкостях тертя до 6 м/с при навантаженнях до 600 МПа. При менших навантаженнях швидкості ковзання можуть досягати 20...30 м/с. Коефіцієнт тертя підшипників - 0,04...0,06.

Для виготовлення використовуються бронзові або залізні порошки з додаванням графіту (1...3 %).

Розроблено підшипникові спечені матеріали на основі тугоплавких сполук (боридів, карбідів і ін.), що містять як тверде змащення сульфіди, селеніди й гексагональний нітрид бору. Підшипники можуть працювати в умовах вакууму й при температурах до 500oС.

Застосовують найманірніші антифрикційні матеріали: спечені бронзографіти, титан, нержавіючі сталі пропитують фторопластом. Виходять корозійностійкі й зносостійкі вироби. Термін служби найманірніших матеріалів удвічі більше, ніж матеріалів інших типів.

Фрикційні матеріали (пористість 10...13 %) призначені для роботи в муфтах зчеплення й гальмах. Умови роботи можуть бути дуже важкими: тертьові поверхні миттєво нагріваються до 1200oС, а матеріал в об'ємі – до 500…600oС. Застосовують спечені багатокомпонентні матеріали, які можуть працювати при швидкостях тертя до 50 м/с на навантаженнях 350...400 Мпа. Коефіцієнт тертя при роботі в маслі - 0,08...0,15, при сухому терті - до 0,7.

По призначенню компонента фрикційних матеріалів розділяють на групи:

а) основа – мідь і її сплави – для робочих температур 500…600oС, залізо, нікель і сплави на їхній основі – для роботи при сухому терті й температурах 1000…1200oС;

б) тверді змащення - запобігають мікросхоплювання при гальмуванні й охороняють фрикційному матеріалу від зношування; використовують свинець, олово, вісмут, графіт, сульфіти барію й заліза, нітрид бору;

в) матеріали, що забезпечують високий коефіцієнт тертя - азбест, кварцовий пісок, карбіди бору, кремнію, хрому, титану, оксиди алюмінію й хрому й ін.

Зразкова сполука сплаву: мідь - 60...70 %, олово - 7 %, свинець - 5 %, цинк - 5...10%, залізо - 5...10 %, кремнезем або карбід кремнію - 2...3 %, графить - 1...2 %.

Із фрикційних матеріалів виготовляють гальмові накладки й диски. Тому що міцність цих матеріалів мала, те їх прикріплюють до сталевої основи в процесі виготовлення (припікають до основи) або після (приклепують, приклеюють і т. д.).

Фільтри (пористість 25...50 %) зі спечених металевих порошків по своїх експлуатаційних характеристиках перевершують інші фільтруючі матеріали, особливо коли потрібна тонка фільтрація.

Вони можуть працювати при температурах від –273oС до 900oС, бути корозійностійкими й жароміцними (можна очищати гарячі гази). Спікання дозволяє одержувати фільтруючі матеріали з відносно прямими тонкими порами однакового розміру.

Виготовляють фільтри з порошків корозійностійких матеріалів: бронзи, нержавіючих сталей, нікелю, срібла, латуні й ін. Для задоволення запитів металургійної промисловості розроблені матеріали на основі нікелевих сплавів, титану, вольфраму, молібдену й тугоплавких сполук. Такі фільтри працюють тисячі годин і піддаються регенерації в процесі роботи. Їх можна продути, протравити, пропалити.

Фільтруючі матеріали випускають у вигляді чашок, циліндрів, втулок, дисків, плит. Розміри коливаються від дисків діаметром 1,5 мм до плит розмірами 450 х 1000 мм. Найбільш ефективне застосування фільтрів з декількох шарів з різною пористістю й діаметром пор.

Інші пористі вироби

“ Сплави, що потіють “ - матеріали, через стінки яких до робочої зовнішньої поверхні деталі надходить рідина або газ. Завдяки випару рідини температура поверхні знижується (лопатки газових турбін).

Сплави випускаються на основі порошку ніхроми з порами діаметром до 10...12 напівтемних при пористості 30 %. Сплави цього типу використовуються й для рішення зворотного завдання: крила літаків покривають пористим мідно-нікелевим шаром і подають через нього на поверхню антифриз, що перешкоджає зледенінню.

Піноматеріали – матеріали з дуже високої пористістю, 95...98 % Наприклад, щільність вольфраму 19,3 г/см3, а піновольфрама – усього 3 г/см3. Такі матеріали використовують як легкі заповнювачі й теплоізоляції в авіаційній техніці.

Конструкційні порошкові матеріали

Спечені сталі. Типовими порошковими деталями є кулачки, корпуси підшипників, ролики, зірочки розподільних валів, деталі пишучих і обчислювальних машин і інші. В основному це слабонавантажені деталі, їх виготовляють із порошку заліза й графіту. Середньонавантажені деталі виготовляють або дворазовим пресуванням - спіканням, або просоченням спеченої деталі міддю або латунню. Деталі складної конфігурації (наприклад, дві шестірні на трубчастій осі) одержують із окремих заготівель, які насаджують одну на іншу з натягом і роблять спікання. Для виготовлення цієї групи деталей використовують суміші залізо - мідь - графить, залізо - чавун, залізо - графить - легуючі елементи.

Особливе місце займають шестірні й поршневі кільця. Шестірні залежно від умов роботи виготовляють із залізо - графіту або із залізо - графіту з міддю або легуючими елементами. Зниження вартості шестірні при переході з нарізки зубів на спікання порошку становить 30...80 %. Просочення маслом дозволяє забезпечити самозмащюємість шестірні, зменшити зношування й знизити шум при роботі.

Спечені поршневі кільця виготовляють із суміші залізного порошку із графітом, міддю й сульфідом цинку (тверде змащення). Для підвищення зносостійкості роблять двошарові кільця: у зовнішній шар уводять хром і збільшують зміст графіту. Застосування таких кілець збільшує пробіг автомобільного двигуна, зменшує його зношування й скорочує витрати масла.

Високолеговані порошкові сталі, що містять 20 % хрому й 15 % нікелю, використовують для виготовлення виробів, що працюють в агресивних середовищах.

Спечені кольорові метали.

Спечені титан і його сплави використовують у вигляді напівфабрикатів (аркуш, труби, пруток). Титановий каркас просочують магнієм. Такі матеріали добре обробляються тиском.

Широко використовуються матеріали на основі міді, наприклад, виготовляють бронзо - графітні шестірні. Властивості спечених латуней вище, ніж литих, через більшу однорідність хімічного складу й відсутності сторонніх включень.

Спечені алюмінієві сплави використовують для виготовлення поршнів важко навантажених двигунів внутрішнього згоряння й інших виробів, тривалий час працюючих при підвищених температурах, завдяки їхній підвищеній жароміцності й корозійній стійкості.

Керамометалеві матеріали (кермети) містять більше 50 % керамічної фази. Як керамічна фаза використовують тугоплавкі бориди, карбіди, оксиди й нітриди, як металева фаза - кобальт, нікель, тугоплавкі метали, сталі.

Кермети відрізняються високими жаростійкістю, зносостійкістю, твердістю, міцністю. Вони використовуються для виготовлення деталей конструкцій, що працюють в агресивних середовищах при високих температурах (наприклад, лопаток турбін, чохлів термопар). Часткою случаємо керметів є тверді сплави.

Електротехнічні порошкові матеріали

 Електроконтактні порошкові матеріали діляться на матеріали для розривних контактів і матеріали для ковзних контактів.

Матеріали розривних контактів повинні бути тепло - і електропровідними, ерозіоностійкими при впливі електричної дуги, не зварюватися в процесі роботи. Контактний опір повинне бути можливо меншим, а критичні сила струму й напруга при утворенні дуги - можливо більшими. Чистих металів, що задовольняють всім цим вимогам, немає. Виготовляють контактні матеріали пресуванням з наступним спіканням або просоченням пористого тугоплавкого каркаса більше легкоплавким металом (наприклад, вольфрам просочують міддю або сріблом).

Важконавантажені розривні контакти для високовольтних апаратів роблять із сумішей вольфрам - срібло - нікель або залізо - мідь. У низьковольтній і слабкострумовій апаратурі широко використовують матеріали на основі срібла з нікелем, оксидом кадмію й інших добавок, а також мідно - графітові матеріали.