Огневой В.Я. Машиностроительные материалы
Подождите немного. Документ загружается.
71
ВПЯМ также характерен ограниченный диапазон пористости, но в
области более высоких значений 0,81-0,98. Основываясь на диапазоне
пористости материалов, можно определять виды материалов для их
практического использования в конструкциях машин и установок.
Важным свойством пористых материалов является их
проницаемость, чем выше проницаемость, тем меньше потери
давления фильтруемой среды. Проницаемость пористого материала
увеличивается
с ростом размеров пор, с уменьшением их
извилистости и при уменьшении шероховатости поверхности пор.
Наибольшей проницаемостью при прочих равных условиях обладают
пористые материалы из гладких волокон и сферических частиц.
Тонкость очистки, как показатель фильтровальных свойств,
зависит от размеров пор в материале и шероховатости каналов.
Наилучшими задерживающими свойствами при фильтровании
жидкостей
и газов обладают пористые материалы, изготовленные из
шероховатых частиц несферической формы.
1.4.2. Виды пористых материалов
Пористые материалы по типу порового пространства можно
разбить на несколько групп: из сферических частиц узкого
гранулометрического состава, из сферических частиц разного
размера, из частиц неправильной формы, из пакетов сеток, из
волокон, со вспененной структурой, со
структурой трехмерной
ячеистой сети. Для изготовления изделий каждой группы
применяется определенная технология [3, 4, 13]. Ниже приводятся
технологические основы получения ряда пористых проницаемых
материалов.
Пористые порошковые материалы (ППМ) из частиц как
сферической , так и несферической формы получаются всеми
методами традиционной порошковой металлургии, основные из
которых описаны в разделе 1 данного издания. ППМ изготавливаются
из порошков
различных металлов и сплавов, но наиболее применимы:
медь, бронза, железо, коррозионностойкие стали, титан, вольфрам,
молибден, алюминий и др.
Все ППМ по применению деляться на три группы:
фильтрующие – фильтры, смесители, глушители шума, аэраторы,
огнепреградители и др.; капиллярно-пористые – испарители,
72
конденсаторы, фитили тепловых труб, капиллярные насосы,
гидравлические затворы и т. д.; со специальными свойствами –
пористые аноды, пластины аккумуляторных батарей, заменители
костной ткани и др.
Пористые волокновые материалы (ПВМ). Процесс получения
ПВМ состоит из: получения волокон, войлокования их и
последующие формование и спекание.
Металлические и неметаллические волокна получают
механическими, физико
-химическими способами, а также из
расплавов. Наиболее широко распространены: получение волокон их
металлической проволоки или стружки резкой на куски определенной
длины; экструзия тонких нитей из металлических расплавов или
пластифицированной пластичной массы; выращивание нитевидных
кристаллов с высокой прочностью (так называемые усы) и т. д.
Войлокование представляет из себя процесс получения из
волокон войлока с ориентированным или хаотичным расположением
волокон. Наиболее применяемы методы получения войлока из
воздушной взвеси, из взвеси волокон в вязкой жидкости. Для
получения войлока с ориентированным расположением волокон
применяют виброобработку, в зависимости от режима которой и
размеров волокон получают неоходимое распределение войлока.
Войлок подвергается в последующем формованию в виде
прессования
или прокатки, значительно реже применяется
формование экструзией.
Одной из необходимых операций является спекание после
которого изделия подвергаются окончательной обработке:
механической, давлением, сварке и пайке и т.д.
Высокая проницаемость и пористость (вплоть до 0,98)
позволяют применять ПВМ прежде всего в качестве материала для
фильтров. ПВМ также нашли применение в качестве капиллярных
структур в теплопередающих устройствах – тепловых трубах.
Пористые сетчатые материалы (ПСМ) производят на основе
трикотажных (вязаных) и тканых сеток, причем материалом для сеток
могут служить как металлические, так и неметаллические нити.
Получение ПСМ состоит в подготовке сеток (промывка,
обезжиривание), их нарезке, укладке в пакет, прессовании и спекании
пакета. Определяющее значение в технологии
получения ПСМ
принадлежит виду сетки, применяемой для изготовления ПСМ
73
При выборе ПСМ для конструкций машин и аппаратов
необходимо учитывать, что эти материалы обладают высокой
прочностью, технологичны, имеют широкий диапазон пористости, и,
что особенно важно для фильтров тонкой очистки жидкостей и газов
от твердых примесей, , исключают миграцию частиц материала в
фильтруемую среду. Отсюда широкое применение ВСМ для
фильтрующих элементов сложной
конфигурации, газовых линз,
корпусов тепловых труб, испарителей в теплообменниках,
звукопоглощающих элементов и т. д.
В таблицах 31, 32, 33 приведены некоторые данные о
возможностях пористых материалов, изготовленных различными
способами
Таблица 31
Характеристики порошковых пористых материалов
из несферических порошков
Изделия
(материал порошков)
Порис-
тость,
%
Проница-
цаемость,
л/(мин⋅см
3
)
Тонкость
очистки,
мкм
σ
в
,
МПа
Фильтры и
огнепреградители
(Х17Н2, 0Х18Н9 и др.)
35-70 0,125-5 2-20 35-245
Фильтры, огнепрегра-
дители, паропрони-
цаемые пластины
(титан)
25-65 0,3-25 4-20 50-350
Фильтры для очистки
дизтоплива, влагомас-
лоотделители
(БрО10, БрОЦ 8-2)
25-45 0,1-5 16-10 -
Пористый “потеющий
материал ПН-1
(нихром Х25Н25)
30 847 - 117-
129
74
Таблица 32
Характеристики порошковых пористых материалов
из сферического порошка бронзы БрАФ10-1 [3].
Размер
частиц,
мкм
Пористость,
%
Размер пор
максимальный,
мкм
Тонкость очистки
номинальная,
мкм
600-800 41 240 100-110
500-630 40,5 200 75-85
400-500 39 185 50-65
315-400 38,5 140 35-45
250-315 37 95 25-35
200-250 35,5 75 20-25
160-200 33,5 65 15-18
125-160 32 52 10-14
80-125 30,5 31 7-9
Таблица 33
Характеристика волокнистых фильтров
из медного волокна диаметром 30 мкм [13]
Состояние
поверхности
волокон
Пористость,
%
Толщина
фильтра,
мм
Тонкость очис-
тки жидкости,
мкм
номин./макс.
Гладкая
40 1,13 -/16
Шероховатая
30 0,75 2/4
Шероховатая
40 0,62 4/8
Шероховатая
40 0,37 12/16
75
Г л а в а 2.
МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДОМ
САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА (СВС)
Все время человечество ищет методы, позволяющие получать
изделия с новыми свойствами, вызванными к жизни неуклонным
развитием науки и техники, и технологии получения изделий без
отходов (безотходность). Еще одним этапом на этом пути явилось
открытие в 1967 г. А.Г. Мержановым с сотрудниками метода
самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез
использует внутреннюю
энергию вещества, освобождаемую при
химической реакции, протекающей в режиме горения [16.17.18], то
есть СВС – это разновидность горения. Сущность метода СВС
состоит в том, что при горении определенных исходных реагентов
получаются продукты с иными свойствами. Происходит это за счет
того, что после локального инициирования реакции горения в тонком
слое смеси исходных реагентов
фронт горения самопроизвольно
распространяется по всей системе благодаря теплопередаче от
горячих продуктов к ненагретым исходным веществам, в которых
также инициируется реакция. Фактически осуществляется процесс
горения, в котором образование продуктов является и причиной и
следствием горения. СВС обладает рядом специфических свойств,
которые отличают его от существующих методов получения
различных соединений: высокие температуры
(1500-4000
О
С), малое
время синтеза (скорость распространения фронта горения 0,5-15 см/с),
возможность управления процессом, незначительные внешние
энергетические затраты и простота оборудования, возможность
синтеза больших количеств продукта и его чистота и др.
Метод СВС является дальнейшим развитием на качественно
новом уровне способа прямого синтеза соединений в системах
76
металл-металл и металл-неметалл: интерметаллидов, карбидов,
боридов, силицидов и др. Использование внутренних энергетических
ресурсов системы наряду с выше перечисленными преимуществами
говорит о его высоких достоинствах с технологической точки зрения
и служит основой для создания новых прогрессивных технологий,
обеспечивающих решение задач по организации
высокопроизводительных и динамичных производств различных
материалов.
В
качестве исходных реагентов обычно используются
разнородные металлические порошки. В их смесях при СВС
возбуждаются и протекают процессы послойного горения или
теплового взрыва, отсюда и разделение на два процесса: СВС в
режиме послойного горения и СВС в режиме теплового взрыва. При
синтезе в режиме послойного горения при возбуждении
экзотермической реакции в некотором
локальном объеме вещества
выделяется тепло, которое путем теплопроводности нагревает
соседние слои вещества, вызывая в них реакцию, и обеспечивает
перемещение зоны реакции в пространстве. В этом случае химическая
реакция происходит не во всем объеме вещества одновременно, а
только в тонком слое – волне горения При синтезе в режиме теплового
взрыва повышение температуры
во всем объеме реакционной системы
приводит к развивающемуся во времени саморазогреву, который
подобен тепловому взрыву.
В настоящее время самораспространяющийся
высокотемпературный синтез в той или иной степени применяется для
получения следующих материалов:
1. Дисперсные материалы на основе тугоплавких соединений:
"металл-неметалл" – карбидов, боридов, силицидов и других
соединений; "металл-металл" – интерметаллидов.
2. Материалы
на основе интерметаллических соединений,
в том числе пористые проницаемые, а также обладающие свойством
обратимого мартенситного превращения – "эффектом памяти формы".
3. Композиционные материалы типа "твердое тугоплавкое
соединение-металлическая матрица" как в дисперсном виде, так и в
форме изделий заданной геометрической формы и изделий.
4. Материалы со специальными свойствами – геттеры
(газопоглотители), высокотемпературные сверхпроводники
,
магнитные материалы и др.
77
ГОРЯЧАЯ ОБРАБ.
давлением
ШТАБИК
СВ
– СИНТЕЗ:
В реакторе На воздухе
ПЕРЕПЛАВ
ЗАГОТОВКИ
ИЗДЕЛИЕ
СЛИТОК
Технология получения материалов методом СВС базируется на
ряде операций порошковой металлургии, только операция спекания
происходит по иному, в чем и заключается сущность
самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Технологическая схема СВС приведена на рис. 7 и сводится к трем
основным стадиям:
ПОДГОТОВКА
Сушка
ПОРОШКОВ Отжиг
Рассев
Развес
Смешивание
Засыпка в форму
Загрузка
Нагрев или
зажигание
Горение
Выгрузка
ПРЕССОВАНИЕ
ЗАГОТОВОК
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
ОБРАБОТКА
78
Рис. 7. Технологическая схема получения материалов
методом самораспространяющегося высокотемпературного
синтеза (СВС)
1. Подготовка заготовок для СВ-синтеза. Как правило, данная
стадия включает операции сушки при влажности выше допустимой,
отжига при необходимости удаления окислов, рассева по фракциям,
развеса до необходимой массы, смешивание до равномерного состава
и засыпки в форму. Кроме
того в данной стадии может производится
прессование до требуемой плотности.
2. Собственно СВ-синтез. Сущность данной стадии состоит в
том, что форма с подготовленной смесью помещается либо в
специальный реактор, либо устанавливается на специально
подготовленную площадку на открытом воздухе. Реактор заполняется
газом и производится нагревание смеси до необходимой температуры,
при которой
и начинается СВ-синтез. В реакторах СВС происходит
как правило в виде теплового взрыва. На открытом воздухе смесь в
форме поджигается и происходит СВ-синтез в режиме послойного
горения.
3. Переработка полученного полуфабриката в изделие и его
дополнительная обработка. Как правило, в эту стадию входят:
переплавы с целью получения слитков; горячая
обработка давлением
для придания изделию нужной формы или использование
полученного полуфабриката для получения их него порошков, либо
сразу постановка в фильтры (для пористых полуфабрикатов).
Далее приводятся некоторые особенности получения как
порошков, так и изделий из интерметаллидов, карбидов и боридов, а
также композиционных материалов на их основе.
2.1. Интерметаллические соединения
Интерметаллические соединения (интерметаллиды – химические
соединения между металлами) представляют собой класс материалов,
использование которых в различных областях техники интенсивно
расширяется благодаря уникальным комплексам свойств: высокие
температуры плавления, повышенная механическая прочность,
жаропрочность и жаростойкость, особые физические свойства – как
79
эффект термоупругого мартенситного превращения "памяти формы" и
др. Интерметаллиды получают в виде: дисперсных материалов –
порошков; высокопористых изделий – фильтров; компактных
материалов (изделий).
В настоящее время синтезированы: а) алюминиды металлов ΙV-
VΙΙΙ групп периодической системы элементов, при этом соединения
NiAl, Ni
3
Al, CoAl, ZrAl
3
, TiAl
3
, FeAl
3
, Fe
2
Al
5
являются практически
однофазными; б) титаниды металлов VΙΙΙ группы периодической
системы элементов, при этом соединения TiNi, CoTi, FeTi являются
практически однофазными; в) германиды тугоплавких металлов и др.
СВС интерметаллидов в режиме послойного горения
осуществляют следующим образом. Из смеси порошков различных
металлов (сплавов) прессуют заготовку заданной формы, например
цилиндрической, к торцовой части которой подводят тепловой
импульс (воспламеняют заготовку). В поверхностном слое
возбуждается химическая реакция, которая самопроизвольно
распространяется в виде волны горения, бегущей вдоль оси заготовки.
Она оставляет за собой остывающий продукт (сплав). СВС
интерметаллидов в режиме теплового взрыва осуществляют путем
нагревания всей смеси разнородных порошков до температуры, при
которой во всем объеме начинается химическая реакция. Происходит
саморазогрев смеси до высокой температуры и смесь порошков
превращается в сплав.
Максимальные температуры, развивающиеся в зоне реакции при
синтезе интерметаллидов в режимах послойного горения и теплового
взрыва, близки и определяются энергетическими возможностями
системы. Они могут быть выше, равны или ниже температуры
плавления конечного продукта. В зависимости от этого конечный
продукт
получают в виде слитка или спеченной заготовки.
Параметрами, наиболее пригодными для управления синтезом,
являются начальная температура процесса, степень разбавления
состава конечным продуктом и дисперсность исходных порошков.
При изменении этих параметров получаются два вида продуктов с
заданным фазовым составом: в виде слитка или пористого штабика,
сохраняющего форму.
Модель механизма взаимодействия компонентов при
СВ-синтезе
интерметаллидов соответствует схеме, приведенной на рис. 8 и
80
разработана на основе безгазового горения смесей титана с кобальтом
и никелем [16].
В процессе горения тепло из зоны реакции передается в
исходную часть образца и ее температура быстро растет. В контакте
твердых частиц титана с кобальтом или никелем при температурах
ниже
Рис. 8. Схема взаимодействия реагентов при безгазовом
горении смесей порошков
титана с никелем и кобальтом [17]:
1 – исходные реагенты; 2 – область диспергирования; 3 – область
жидких растворов; 4 – область кристаллизации конечных продуктов;