Огневой В.Я. Машиностроительные материалы
Подождите немного. Документ загружается.
61
Безвольфрамовые твердые сплавы изготавливаются на основе
карбидов металлов 1Vа - V1а групп (Ti, Zr, Hf, V, Ni, Cr и др.) либо
нитридов, связанных металлическими связками (Co, Ni, Fe, Cr, Mo).
Марки некоторых промышленных безвольфрамовых твердых сплавов:
ТМ1, ТН-20, КНТ-16 и др.
Свойства некоторых твердых сплавов приведены в табл.27.
Таблица 27
Свойства твердых сплавов
МАРКА
Тип
карбидов
Количество
карбидов,
%
σ
В ИЗГИБА
,
МПа
НRA
ВК6
ВК8
Т15К6
Т30К10
ТТ7К12
ТТ20К9
ТМ3
ТН-30
КНТ-16
WC
WC
WC,TiC
WC,TiC
WC,TiC,TaC
WC,TiC,TaC
(Ti,Nb)С
TiC
Ti(C,N)
94
92
94
90
88
91
64
69
74
1619
1717
1180
1470
1650
1300
1200
1100
1100
88,5
87,5
90
88,5
87
89
89
88,5
89
Разработаны и твердые сплавы, которые применяют не только
для обработки резанием, но и в качестве коррозионностойких,
окалиностойких и износостойких термически обрабатываемых
материалов [3,4]. Для машиностроения представляют особый интерес
износостойкие термообрабатываемые твердые сплавы (карбидостали,
ферро-TiC и др.), представляющие собой легированные спеченные
стали с добавками сложных карбидов, преимущественно TiC.
Термообрабатываемые твердые сплавы подвергаются окончательной
термической
обработке: закалке и отпуску по режимам базовой стали
(табл. 28).
62
Таблица 28
Свойства твердых сплавов сталь-TiC после термической
обработки [4]
Марка
Стали
Массовая
доля TiC,
%
HRC
σ
в изгиба
,
МПа
σ
в сжатия
,
МПа
Х12М
Х4Н2М8
Х6В3М
5Х6ВМ2
50
30
20
40
70
65
60
68
1200
1400
1260
1220
3100
2200
3000
3250
1.3.2.2. Минералокерамические материалы
Минералокерамические материалы изготавливаются на основе
окиси алюминия в сочетании с окислами и карбидами методами ПМ,
что дает высокую твердость и износостойкость (в 2 и более раза
выше, чем у твердых сплавов). Однако минералокерамические
материалы значительно уступают твердым сплавам (в 3-4 раза) по
временному сопротивлению при изгибе и гораздо
более хрупки. Они
легко скалываются и выкрашиваются даже при незначительных
ударах, что существенно ограничивает их применение. В основном
они используются в качестве: режущих пластин при чистовом и
получистовом резании высокотвердых материалов (отбеленные
чугуны, закаленные стали и др.) при высоких скоростях резания (до
600-800 м/мин) без применения смазочно-охлаждающих жидкостей
(СОЖ
); фильер для волочения проволок из цветных металлов и
сплавов; износостойких сопел и насадок при безударном абразивном
потоке. Минералокерамика типа ЦМ-332, В3, ВОК-60, ВОК-63 имеет
плотность порядка 4,2-4,6 г/см3,
σв изгиба до 700 МПа при твердости
HRA 92-94.
Для увеличения стойкости к вибрациям и ударам используют
так называемые керметы [3,13], образованные из металлов группы
железа (Fe, Co, Ni, Cr и т.д.) и окислов (Al
2
O
3
, ZrO
2
, BeO и др.).
63
Керметы обладают высокими химическими и термохимическими
свойствами при высоких температурах. Например, кермет (70%Cr и
30% Al
2
O
3
) имеет σ
в
при 1315°С = 210 МПа.
1.3.3. Дисперсноупрочненные материалы
Появлению материалов такого типа способствовала
необходимость повышения жаропрочности, коррозионной и
радиационной стойкости, сопротивления ползучести и др. свойств по
сравнению с традиционно применяемыми сталями и сплавами.
Характерным для дисперсноупрочненных материалов (ДМ)
является упрочнение металлической матрицы тонкими включениями
частиц тугоплавких соединений (оксидов, карбидов, нитридов и
т.п.).
При нагружении таких материалов матрица несет основную нагрузку,
а дисперсные частицы действуют как препятствия, задерживающие
перемещение дислокаций.
Дисперсноупрочненные материалы получают методом
порошковой металлургии путем введения упрочняющей фазы в смесь
перед прессованием в объемной доле 5-10%. Эффект упрочнения
зависит от размера частиц твердой фазы (оптимальные – в пределах
0,01-0,05 мкм) и равномерности
их распределения в металлической
матрице (расстояние между частицами 0,1-0,5 мкм).
Одновременно ДМ можно отнести и к классу композиционных
материалов, так как для обеспечения длительного эффекта
упрочнения, особенно при повышенных температурах, частицы
прочной фазы не должны взаимодействовать с металлом матрицы,
должны быть термодинамически стабильными и не обладать
склонностью к коалесценции при высоких
температурах.
Технология изготовления ДМ состоит из следующих основных
этапов: подготовка исходной порошковой шихты, формование
заготовок, спекание, уплотнение прессовок до беспористого
состояния, термическая обработка.
Шихта готовится методом смешивания и совместного размола
порошков.
Формование заготовок обычно производится на гидравлических
прессах в холодных пресс-формах, причем давление прессования
выше, чем при использовании порошков
чистых металлов. Заготовки
получают также гидростатическим и изостатическим прессованием
64
порошков в эластичных оболочках. В ряде случаев получают ленты
путем прокатки порошковой смеси.
После формования заготовки подвергают спеканию для
упрочнения и уплотнения, дегазации, восстановления оксидов и
подготовки изделия к последующей операции пластической
деформации. Иногда спекание совмещают с горячим прессованием
для получения почти беспористого изделия и предотвращения
нежелательного взаимодействия упрочняющей фазы
с матрицей.
Окончательные свойства ДМ придает горячая экструзия или
прокатка. Цель этих операций – доведение материала до беспористого
состояния и формирования структуры, обеспечивающую высокую
жаропрочность. В процессе экструзии материал претерпевает обжатие
до 1:40 и давление экструзии обычно составляет 1-1,4 ГПа. Прокатка
ДМ характерна применением обжатием за один проход 10-15% при
суммарном обжатии 40-50%. После горячей экструзии
для создания
необходимой дислокационной структуры, обеспечивающей
повышение длительной прочности, а также для измельчения частиц
упрочняющей фазы рекомендуется [4] применять дополнительную
холодную или теплую деформацию (волочение, прокатку,
ротационную ковку) с обжатием за проход 5-25% при суммарном
обжатии до 95%.
Заключительная операция обработки ДМ –
рекристаллизационный отжиг при повышенных температурах,
который приводит к укрупнению зерен, что
сопровождается
повышением его жаропрочности и пластичности. Особенностью
структуры рекристаллизованного металла является также высокая
плотность двойников отжига, снижающих скорость распространения
трещин и способствующих повышению сопротивления материала
разрушению.
Наибольшее применение нашли дисперсноупрочненные
материалы на основе алюминия, бериллия, вольфрама, железа, меди,
никеля, хрома и др. Составы и характерные свойства некоторых ДМ
приведены в табл
. 29.
Примером ДМ, наиболее применяемых в машиностроении,
являются алюминиевые дисперсноупрочненные материалы - САПы
(Спеченный Алюминиевый Порошок). Упрочняющей фазой служит
тонкая и плотная оксидная пленка на поверхности исходных частиц
65
алюминия. Свойства ДМ на основе алюминия представлены в табл.
30.
Таблица 29
Состав и свойства некоторых ДМ [4]
Металл
матрицы
Упрочняю-
щие частицы
Доля
упрочн.
фазы, %
Характерные свойства
Алюминий
Бериллий
Железо
Медь
Платина
Серебро
Хром
Al
2
O
3
С (сажа)
BeO, Be
2
C
ThO
2
, Al
2
O
3
,
ZrO
2
Al
2
O
3
, BeO,
ThO
2
, TiC,
BN, TiN
ThO
2
, TiC,
ZrC
Al
2
O
3
, CdO,
CuO
2
MgO
10-14
4-5
20-22
Al
2
O
3
, -
2-4
1,5-2,0
0,5-1,8
1,0
0,5-1,5
Высокая жаропрочность,
коррозионная и радиацион-
ная стойкость
Высокотемпературная
устой-чивость против
рекристал-лизации
Высокое сопротивление
пол-зучести, коррозионная
стой-кость в воде под
давлением
Пониженная склонность к
охрупчиванию под облуче-
нием
Высокая электро- и тепло-
проводность,
жаропрочность
Высокая жаропрочность
Высокая электропровод-
ность, повышенная проч-
ность,
износостойкость
Жаростойкость и
66
коррозион-ная стойкость
Таблица 30
Свойства дисперсноупрочненных материалов
на основе алюминия [4].
Марка ДМ
(содерж.
Al
2
O
3
, %)
Температура
испытаний,
°С
σ
в
,
МПа
σ
т
,
МПа
δ,
%
САП-1
(6,0-9,0)
САП-2
(9,1-13,0)
САП-3
(13,1-18,0)
САП-4
(18,1-22,0)
20
350
500
20
350
500
20
350
500
20
350
500
300-320
140-160
70-80
340-350
150-160
100-110
400-420
190-200
120-125
440-460
210-230
130-135
210-240
140-150
50-60
260-280
140-150
70-75
300-320
150-160
90-95
360-380
180-190
100-110
5-8
4-6
2-3
4-6
3-4
1,5-2,5
3,5-4,5
1,5-2,0
1,5-1,8
1,5-2,0
1,0-1,2
1,0-1,2
1.4. Пористые материалы
В последнее время все большее распространение получают
пористые материалы на основе различных металлов и сплавов (сталь,
титан, никель и т.д.), получаемые различными методами, в том числе
и порошковой металлургии [3,4,13]. В частности это:
антифрикционные пористые материалы, поры которых заполняются
смазкой; фильтры различного назначения; “потеющие” пористые
67
материалы, через поры которых происходит выделение
(“выпотевание”) какой-либо жидкости или газа, подаваемых с
нерабочей стороны под давлением и т.д.
На примере фильтров, полученных методом порошковой
металлургии, можно показать их преимущество по сравнению с
традиционными (насыпными, тканевыми, бумажными и др.): более
прочные, устойчивы против коррозии в любой среде,
работают в
более широком диапазоне температур, не засоряют фильтруемую
жидкость продуктами фильтра, допускают многократную
регенерацию, легко подвергаются обработке, обладают высокой
тепло- и злектропроводностью.
Особые свойства, которыми обладают пористые материалы,
позволяют с их применением создавать в промышленности новые
технологические процессы или находить новые конструкторские
решения в машиностроении, использовать их для повышения
эффективности и качества работы различных механизмов и
устройств. Например: с помощью пористых желобов, через поры
которых подается под давлением воздух, обеспечивается воздушный
транспорт сыпучих тел.
Эффективность работы таких электрических устройств, как
аккумуляторы и топливные элементы, в значительной мере базируется
на применении пористых электродов.
Новой областью использования пористых материалов является
применение
их для капиллярного транспорта жидких сред как основы
работы тепловых труб. Тепловые трубы представляют собой
проводники тепла, способные передавать сверхмощные его потоки
(до 150 Вт/см2) и позволяющие снизить термическое сопротивление в
десятки и сотни раз. Теплопроводность тепловых труб превышает
теплопроводность меди в несколько тысяч раз. Тепловые трубы
используются для отвода
тепла от теплонапряженных участков
машин, замораживания, для медицинских целей и решения других
задач, связанных с необходимостью быстрого отвода и подвода тепла.
Высокие упругие свойства пористых материалов из волокон
позволяют применять их для виброгашения, звукогашения машин и
механизмов и других целей.
Большим преимуществом спеченных пористых материалов
являются широкие возможности регулирования тонкости
очистки
68
фильтруемых сред от частиц с размером от долей микрометра до
нескольких миллиметров.
1.4.1. Свойства
Пористые среды характеризуются рядом параметров,
совокупность которых дает полное представление о свойствах
пористого материала. К этим параметрам относятся: пористость, ее
распределение по объему материала; вид пористости (открытая,
закрытая, полуоткрытая, тупиковая); просвет; форма и коэффициент
извилистости пор
; распределение пор по размерам (средние и
максимальные размеры); удельная поверхность пор; состояние
поверхности пор; проницаемость и распределение проницаемости по
площади фильтрации пористого материала; тонкость и эффективность
очистки; вязкостный и инерционные коэффициенты; физико-
механические свойства пористого материала.
Ниже более широко приведены некоторые из параметров.
Пористостью П называется отношение объема V
П
пустот в
материале к его полному объему V. Поры в материалах разделяют на
три вида: открытые (пористость П
О
), тупиковые (пористость П
Т
) и
закрытые (пористость П
З
). Общая пористость тела складывается из
суммы этих трех видов пористости: П=П
О
+П
Т
+П
З
.
Открытая пора сообщается с поверхностями пористого тела и
участвует в фильтрации жидкости или газа при наличии градиента
давления на пористом теле. Закрытая пора несообщается с
поверхностью пористого тела и не участвует в фильтрации. Часть пор
соединяется только с одной поверхностью пористого тела, образуя
тупиковую пористость. Тупиковые (полуоткрытые или полузакрытые)
поры
при фильтрации частично заполняются жидкостью, но не
влияют на проницаемость пористого материала.
Закрытые и тупиковые поры образуются в результате
пластической деформации частиц порошка при высоких давлениях
прессования, а также из-за наличия внутренней пористости частиц.
Доля тупиковой и закрытой пористости при П≥0,18 составляет 2-5%
общей пористости материала. При П<0,18 эта доля
возрастает и при
П=0,07…0,08 она равняется 100%, т.е. открытая пористость
практически исчезает.
69
В пористых материалах из сеток, волокон или проволоки при
П>0,1 закрытые и тупиковые поры практически отсутствуют.
Определение пористости проницаемых материалов и изделий
регламентируется ГОСТ 25281-82 [14].
Проницаемость – свойство пористого тела пропускать через
себя жидкость или газ пол действием приложенного градиента
давления. Проницаемость характеризуется коэффициентом
проницаемости К. Определение проницаемости проводится в
соответствии
с ГОСТ 25283-82 [15].
Тонкость и эффективность очистки – способность материала
очищать фильтруемые жидкость или газ от твердых примесей.
Различают абсолютную
а
абс
, номинальную а
ном
и медианную а
м
тонкости очистки, а также общую
η
∑
и фракционную
η
i
эффективности очистки.
Абсолютная тонкость очистки определяется максимальным
размером частиц, прошедших через фильтрующий материал.
Номинальная - соответствует размеру частиц, которые материал
задерживает с эффективностью 0,95-0,97; а медианная – размеру
частиц, которые задерживаются с эффективностью 0,5.
Эффективности очистки определяют по различным формулам
[13].
Коррозионная стойкость против действия агрессивных
жидкостей, газов и твердых частиц, которые оказывают коррозионное
действие
на поверхность пор и межчастичные контакты пористых
материалов. По характеру коррозионного разрушения пористые
металлы и сплавы отличаются от компактных тел того же
химического состава. Коррозионное разрушение компактных
материалов происходит по поверхности; пористые материалы
разрушаются по всему поровому объему. Поэтому коррозионная
стойкость пористых материалов, как правило, значительно ниже, чем
у компактных
тел.
Коррозионная стойкость пористых проницаемых материалов
зависит от многих факторов и обычно определяется опытным путем.
При коррозионных испытаниях пористых материалов возникают
затруднения в выборе показателя коррозии. В практике коррозионных
испытаний высокопористых образцов чаще всего применяют или
метод измерения удельного электрического сопротивления, или метод
70
измерения механической прочности образцов. Оба метода основаны
на решающем влиянии на эти свойства состояния контактов между
частичами порошка, составляющими пористое тело.
Сравнительный анализ свойств различных материалов
обычно проводится в координатах пористость - свойство. Это
практически целесообразно в тех случаях, когда из общей
номенклатуры пористых материалов необходимо выбрать материал по
одному свойству,
определяющему его применение, например по
минимальному размеру пор, максимальной проницаемости,
максимальному коэффициенту звукопоглощения и т.д.
Практически достигаемые диапазоны изменения пористости
проницаемых материалов различных типов приведены на рис. 6.
0,2 0,4 0,6 0,8 П
Рис. 6. Диапазоны изменения пористости проницаемых
материалов [13]:
1 – порошковые материалы (ППМ) из несферических частиц; 2 –
ППМ из сферических частиц; 3 – волокновые материалы (ПВМ); 4 –
материалы из проволочных спиралей (МР); 5 – сетчатые материалы
(ПСМ) из вязаных сеток; 6 – ПСМ из тканых сеток; 7 -
высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ).
Из диаграммы видно, что отдельные виды пористых материалов
имеют ограниченный диапазон изменения пористости: в частности
ППМ из сферических частиц обладают пористостью 0,35-0,37, а для
7
6
5
4
3
2
1