Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 12 )

Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристаллизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд метастабильных в стабильное кристаллическое состояние.

Механические, магнитные, электрические и другие структурно-чувствительные свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упрочнения. Так, например, аморфный сплав Fe80B20 имеет σт = 3600 МПа, a Fe60Cr6Mo6B28 – σт = 4500 МПа. Высокими механическими свойствами (σт ≥4500 МПа) обладают аморфные сплавы на основе кобальта.

Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью
(HV = 3,2 σт) для сплавов на основе железа и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теоретической E/ σт ≈ 50. Это объясняется, с одной стороны, высоким значением σт, а с другой, - более низкими значениями модуля упругости Е (на 30 - 50 %) по сравнению с кристаллическими сплавами.

Аморфные сплавы на основе железа, содержащие не менее 3 - 5 % Сr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Со, Ni с добавками 15 - 25 % аморфообразующих элементов В, С, Si, P используют как магнитно-мягкие материалы.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы делят на три основные группы:

1) аморфные сплавы на основе железа (например, Fe81Si3,5B13,5С2) с высокими значениями магнитной индукции (1,60 - 1,61 Тл) и низкой коэрцитивной силой (32 - 35 мА/см);

2) железоникелевые сплавы (например, Fe40Ni40P14B6) со средними значениями магнитной индукции (0,75 - 0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов (6 - 7 мА/см);

3) аморфные сплавы на основе кобальта (например,
Co66Fe4(Мо, Si, В)30), имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900 - 1000 HV), низкую коэрцитивную силу (Нc = 2 - 4 мА/см) и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного электрического сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи – это их главное достоинство.

Магнитно-мягкие аморфные сплавы пока применяют в электротехнической и электронной промышленности (магнитопроводы трансформаторов, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т. д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготовления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу.

Область применения металлических стекол пока еще ограничена тем, что быстрым охлаждением (закалкой) из жидкого состояния их удается получить только в виде тонких лент (до 60 мкм) шириной до 200 мм или проволоки диаметром 0,5 - 20 мкм. Однако имеются широкие перспективы развития материалов этой группы.

Глава 2. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. Перспективы мирового развития порошковой металлургии

Порошковой металлургией (ПМ) называют область техники, охватывающую совокупность методов изготовления порошков металлов и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Из имеющихся разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, так как позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно. У таких материалов можно получить уникальные свойства, а в ряде случаев существенно повышаются экономические показатели производства. При этом способе практически в большинстве случаев коэффициент использования материала приближается к 100 %, тогда как традиционные способы металлообработки дают лишь 50 – 60 %. Из технологического цикла устраняются такие переделы, как плавка, литье, механическая обработка, на которые приходится до 60 % трудозатрат на изготовление изделий. ПМ позволяет получить особые структуры материалов: пористые, волокнистые, слоистые.

Порошковая металлургия находит широчайшее применение для различных условий работы деталей. Методами порошковой металлургии получают изделия, имеющие специальные свойства: антифрикционные детали узлов трения приборов и машин (втулки, вкладыши, опорные шайбы и т. д.), конструкционные детали (шестерни, кулачки и др.), фрикционные детали (диски, колодки и др.), инструментальные материалы (резцы, пластины резцов, сверла и др.), электротехнические детали (контакты, магниты, ферриты, электрощетки и др.) для электронной и радиотехнической промышленности, композиционные (жаропрочные, материалы со значительно различающимися компонентами по плотности и температуре плавления и другие) материалы.

В развитых странах порошковая металлургия на всех этапах своего развития - от лабораторных исследований до современного промышленного изготовления продукции – существенно опережает по темпам роста традиционные отрасли производства металлов и изделий из них. В настоящее время ПМ прочно утвердилась в ряду малоотходных технологий, отражающих современный уровень научно-технического прогресса.

Общий объем выпуска продукции ПМ в промышленно развитых странах каждые десять лет увеличивается примерно вдвое. Среднегодовые темпы прироста потребления ПМ-продукции составляют более 8 - 12 % , а в некоторых наукоемких областях – более 21 %. Так, сбыт постоянных магнитов системы Fe-Nd-B увеличился со 180 млн. долларов в 1988 г. до 2,0 - 2,5 млрд. долл. в 2000 г., что соответствует средним темпам прироста 23 – 26 % в год. Доля магнитов указанного типа в производстве постоянных магнитов повысилась за этот период с 8 до 40 – 50 %.

Около 85 % мирового потребления металлических порошков приходится на долю железа и низколегированных сталей, 6 – 7 % - меди и сплавов на ее основе, остальные 5 – 10 % - это порошки алюминия и его сплавов, высоколегированных и коррозионно-стойких сталей, тугоплавких металлов и их соединений.

Основным потребителем ПМ-продукции в мире является автомобильная промышленность. В Северной Америке (США и Канада) на ее нужды уходит примерно 65 % традиционных ПМ-изделий, в Японии – 80 %, в Германии - около 60 %. Типичный американский автомобиль модели 1991 г. содержит примерно 11 кг ПМ-деталей по сравнению с 7,3 кг в автомобиле 1979 г. В каждом японском автомобиле, изготовленном в 1989 г., масса ПМ-изделий составляет 5,41 кг, тогда как в 1983 г. она была равна 3,34 кг, а в 1986 г - 4,1 кг. Примерно 42,1 % ПМ-деталей используются в двигателях, 29,8 % - в приводах, 19,8 % - в шасси. В Европе на один автомобиль потребляется 4,4 кг деталей, изготовленных методами порошковой металлургии.

По мнению специалистов в ближайшем будущем использование ПМ-изделий в автомобилестроении будет быстро расширяться. Так, фирма "Форд Мотор Ко" (США) и ее поставщики заключили соглашения, в соответствии с которыми в двигатель объемом 4,6 л (типа V-8) будут использованы ПМ-детали (или детали, содержащие порошковые части ) общей массой более 7 кг, что значительно больше, чем в любом другом массово выпускаемом двигателе.

Самый крупный изготовитель продукции ПМ в мире - это Северная Америка: поставки металлических порошков здесь в 1990 г. составили примерно 269 тыс. т. Данные по отдельным видам порошков за период с 1986 г. по 1990 г. приведены в табл. 2.1. В последние годы проведение интенсивных научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок позволило японским фирмам достичь более высокого уровня развития отрасли по сравнению с их конкурентами из Северной Америки и Европы. Японские изготовители ПМ-изделий внедрили новое высокопроизводительное оборудование, что позволяет им полностью удовлетворять возросший спрос на некоторые виды изделий, например детали шаговых двигателей, копировальных машин, приводов магнитных дисков и других устройств для ЭВМ, объем сбыта которых ежегодно увеличивается на 30–40 %

Следует отметить еще одну важную особенность развития данной отрасли в Японии. Для здешних фирм-изготовителей характерна высокая степень автоматизации производства. На многих из них установлены автоматические линии по изготовлению ПМ-изделий, позволяющие в одном производственном цикле совмещать процессы прессования, спекания, калибровки и отделки. Это удешевляет процесс производства и обеспечивает высокую конкурентоспособность японских изделий на мировом рынке.

Таблица 2.1

Поставки металлических порошков в Северной Америке

за период с 1986 по 1990 г., тыс. т.

Порошок	1986 г.	1987 г.	1988 г.	1989 г.	1990 г.
Железо и низколегированная сталь	189,6	195,8	213,2	196,2	197,3
Коррозионно-стойкая сталь	3,0	3,1	3,0	3,1	2,7
Медь и сплавы на ее основе	15,8	17,4	19,8	18,3	17,8
Алюминий и сплавы на его основе	28,9	27,9	26,1	30,2	32,8
Молибден	1,9	1,8	1,8	1,8	2,3
Вольфрам	1,7	1,8	2,2	1,9	2,3
Карбид вольфрама	1,3	3,6	4,7	4,8	4,5
Никель	9,3	9,0	9,7	9,2	9,0
Олово	0,9	0,9	1,0	0,9	0,9
Суммарные значения	246,4	261,4	281,5	266,4	269,1

Данные об объемах производства ПМ-изделий (за исключением твердых сплавов) в Японии за 1986-1991 гг. представлены в табл. 2.2. Постоянное увеличение производства методами порошковой металлургии конструкционных изделий является результатом улучшения качества выпускаемых порошков и технологического оборудования, технологии их изготовления.