Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

5 – конечные продукты.

Т – температура; Т

– температура плавления эвтектики; Ф –

функция тепловыделения;

- степень превращения; С – концентрация

фазы конечного продукта.

эвтектических в результате реакционной диффузии образуются очень

тонкие слои

β-

твердого раствора никеля или кобальта в титане и ,

соответственно, фазы Ti

Ni или Ti

Co. При достижении температуры

плавления легкоплавкой эвтектики (

-титан + Ti

Ni в системе Ti-Ni

или

-титан + Ti

Co в системе TI-Co) на границе между

компонентами появляется и быстро растекается жидкая фаза.

Происходит интенсивное диспергирование частиц титана и их

растворение в жидкой фазе. Это приводит к дальнейшему повышению

температуры в этой зоне, скорость растворения при этом растет, и в

сответствии с диаграммой состояния образуется область жидких

растворов. Одновременно с растворением

компонентов в некоторых

участках возможна кристаллизация фаз. В результате протекания

процессов растворения и кристаллизации температура в зоне растет.

При этом увеличивается скорость растворения и расширяется область

жидких растворов до полного растворения твердой фазы.

Для составов, лежащих в двухфазной области, как правило

продукт взаимодействия состоит из жидкого раствора и твердой фазы.

Тепловыделение в зоне реакции в этом случае связано с растворением

компонентов в расплаве и кристаллизацией образующегося из

расплава интерметаллического соединения.

В том и другом случае окончательное формирование продукта

происходит после окончания горения в зоне структурирования при

охлаждении, причем в процессе неравновесной кристаллизации

возможно перераспределение компонентов между

кристаллизующимся жидким раствором и

твердой фазой.

Таким образом, исследование зоны реакции при СВС в системах

Ti-Ni и Ti-Co показывает, что при выбранных условиях ведущей

стадией распространения волны горения является процесс

растворения. В этом случае в волне горения при температурах, равных

или несколько превышающих температуру плавления конечных

продуктов, происходит растворение обоих компонентов в расплаве,

которое приводит к

образованию жидких растворов переменной

концентрации. Последующее охлаждение приводит к распаду жидкой

фазы и кристаллизации конечных продуктов.

Порошковые интерметаллические соединения методом СВС

получают методом размола полученного при синтезе

высокопористого штабика. Процесс синтеза идет согласно описанного

выше процесса.

Несомненный интерес для машиностроения представляют

пористые фильтры, получение которых методом СВС не

представляет особых трудностей, например фильтры из

никелида

алюминия. Для получения исходной смеси используются порошок

никеля марки ПНК крупностью 50-70 мкм и порошок алюминия

марки АСД крупностью также 50-70 мкм. После смешивания

полученная смесь засыпается в пространство по форме будущего

фильтра (наиболее просто это пространство формируется двумя

концентричными цилиндрами из бумаги, картона, жести и др.). После

засыпки смесь можно несколько

уплотнить встряхиванием. Этап

подготовки на этом заканчивается. Следующий этап, собственно СВ-

синтез, начинается с инициирования реакции горения

высокотемпературным источником тепла. Смесь легко

воспламеняется и идет синтез по типу послойного горения. После

окончания горения изделие охлаждается, освобождается от

посторонних предметов и частиц, проводится дополнительная

обработка и практически фильтр готов.

Практическая ценность

изготовления фильтров по такой

технологии заключается в следующем:

- процесс идет без применения специальных реакторов;

- изготовление форм для смеси не требует высокоточного

оборудования;

- процесс горения безопасен;

- дополнительная обработка минимальна.

Получаемые по такой технологии пористые материалы имеют

пористость от 40 до 60% при условном диаметре сквозных пор от 15-

20 до 300 мкм. Прочность полученного

пористого никелида алюминия

при сжатии составляет до 130 кгс/см

. Огромное преимущество таких

фильтров перед остальными в том, что они могут подвергаться

неоднократной регенерации методом выжигания фильтруемых частиц

в силу высокой температуры плавления никелида алюминия.

В настоящее время в Алтайском государственном техническом

университете им. И.И.Ползунова проводятся работы по

использованию в смесях для получения пористых изделий

производственных отходов, образующихся в процессе термической и

механической обработки стальных и чугунных деталей. Работы дают

положительный результат.

Компактные материалы на основе интерметаллических

соединений получают по приведенной ранее технологии

некоторыми особенностями.

1. Одним из технологических приемов компактирования является

горячая обработка давлением синтезированной пористой заготовки, в

частности заготовка после охлаждения подвергается экструзии при

температуре 950

С за два-три прохода с величиной деформации 30-

50% с последующим отжигом. Несмотря на высокий уровень свойств

получаемого материала, основным недостатком способа является не

использование тепла, выделяющегося в процессе синтеза, а также

благоприятных реологических свойств реакционной среды, что

приводит к необоснованным энергозатратам и повышенному усилию

деформирования.

2. Следовательно, подвергая продукты СВ-синтеза

, нагретые в

процессе реакции, обработке давлением, можно получать компактные

полуфабрикаты и изделия из интерметаллических соединений. В

процессе обработки давлением массоперенос протекает очень быстро

и быстро завершается процессы гомогенизации сплава и

формирования его структуры. Технология состоит в том, что

исходную шихту в виде предварительно спрессованных заготовок

помещают в обогреваемую до требуемой

начальной температуры

пресс-форму, после чего шихта воспламеняется и по окончании

синтеза разогретую заготовку обрабадываю давлением в пресс-форме

и охлаждают.

3. Другим путем получения компактных материалов является

прямой СВ-синтез слитков интерметаллических соединений. Данный

метод основан на возможности достижения температур горения,

превышающих температуру плавления конечного продукта. Таким

образом создаются условия,

при которых конечный продукт является

полностью жидким и при охлаждении кристаллизуется в слиток.

4. Существуют также способы, основанные на переплаве

полученных СВС электродов, но особых преимуществ по свойствам

они не дают, а экономическая эффективность их низка.

2.2. Карбидные и боридные материалы

Из карбидных материалов, получаемых методом СВС,

наиболее широко применяется карбид титана, что объясняется

практической его значимостью. Карбид титана широко используется в

качестве абразива, входит в состав известных инструментальных

сплавов, является компонентом жаропрочных керметов, покрытий и

т.д. Получается карбид титана при СВ-синтезе в реакторах из смеси

порошков титана и

сажи. Основными факторами, влияющими на

свойсва конечного продукта при СВ-синтезе карбида титана, являются

характеристики порошков исходных реагентов, объем реакционного

пространства, а также вид защитной атмосферы проведения реакции.

Например, кислород, связанный поверхностью частиц, способен в

процессе синтеза переходить в состав продукта, кроме того, его

десорбция в процессе синтеза является причиной диспергирования

(разброса параметров) реакционной среды и снижения скорости

горения и полноты превращения вплоть до срыва горения.

Существенно влияют на свойства получаемого материала

гранулометрические параметры и морфология частиц титана.

Максимальная полнота превращения и минимальное содержание

свободного углерода наблюдаются при использовании порошка

титана фракции 60-120 мкм. Применение более дисперсных порошков

приводит к интенсивному газовыделению

, обусловленному

десорбцией, и повышению содержания кислорода. Порошок титана с

размером частиц свыше 120 мкм приводит к неоднородности шихты и

неравномерности протекания реакции горения. Порошки титана с

разветвленной поверхностью обеспечивают более интенсивное

протекание реакционного процесса за счет внедрения углеродного

материала в поры и соответствующего увеличения контактной

поверхности. Дополнительным средством повышения качества

карбида

титана является вакуумирование технологического реактора с

целью снижения давления в нем окиси углерода СО, способной

окислять образующийся продукт.

Скорость горения и полнота превращения зависят также от

марки сажи, причем с ростом удельной поверхности углеродного

материала скорость горения снижается. Увеличение структурности

графита (разветвленность цепочек) благоприятно сказывается на

протекании синтеза. Лучшие результаты получаются при

использовании сажи марок ПМ-15 и ТГ-10.

Технологическими рекомендациями, направленными на

достижение высокого уровня свойств порошков карбида

титана,

являются [17]:

а) содержание основного продукта в титановом порошке должно

быть не менее 99%, кислорода – ниже 0,05%;

б) фракция титанового порошка должна быть в пределах 60-120

мкм;

в) исходные смеси титана с сажей для более тесного контакта

частиц должны загружаться в реактор в виде спрессованных таблеток;

г) максимальная загрузка реактора емкостью 10 л не должна

превышать 2,5 кг;

д) в качестве среды карбидизации в реакторе предпочтительнее

использовать вакуум 2,5 Па;

е)

рекомендуется проводить 15-процентное разбавление

исходной шихты конечным продуктом.

Бориды, как и другие тугоплавкие соединения металлов,

обладают высокой твердостью и износостойкостью, жаропрочностью.

Отличительными свойствами диборида титана являются также

стойкость к нейтронному облучению и линейная зависимость

электросопротивления от температуры. Бориды отличаются

химической стойкостью к действию кислот. Применение боридов

весьма разнообразно – это жаропрочные

и твердые

металлокерамические сплавы, термоэлектроды, керметы для ядерной

техники, тигли, коррозионностойкие покрытия, детали химической

аппаратуры и т.д.

Основным методомСВ-синтеза боридов является реакция в

смеси элементов, проводимая в соответствии со стехиометрией,

например:

Ti + 2B = Ti

B; Ti + 1.5B = 0.5TiB

+ 0.5TiB

В качестве исходных компонентов используются порошки

титана со средним размером частиц 10 мкм и бора с размером частиц

2 мкм. Основным методом регулирования температуры горения

является разбавление реакционной смеси продуктом реакции –

диборидом титана до 20 мас. %. Продукт синтеза представляет собой

спек пористостью до 50%, фазовый состав которого включает TiB b

TiB

Компактирование карбидных материалов проводится теми же

методами, что и интерметаллических материалов, но в большей мере

применяется прессование после прохождения волны горения. Причем

в процессе прессования обязательно присутствие жидкой фазы , в

противном случае уменьшение пористости будет незначительным.

Минимально достигаемая пористость при компактировании ≈ 10%.

На рис. 9 приведены некоторые виды изделий, получаемых

методами

СВС [18].

а) б)

в) г)

Рис. 9. Виды изделий, получаемых методами СВС [18]:

а) - изделия из "белой" керамики на основе нитрида бора;

б) – огнеупоры из керамики на основе нитрида бора;

в) – лопатки турбин, полученные по технологии СВС-спекания;

г) – пресс-матрица из сплава СТИМ-2А

Г л а в а 3.

ПОЛИМЕРЫ И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ

В машиностроении наряду с металлами и их сплавами,

получаемых по различным технологиям, достаточно широко

применяются органические и неорганические неметаллические

материалы, имеющие полимерное строение. Ковалентные и ионные

химические связи в полимерных материалах исключают наличие в

объеме тела подвижного электронного газа, образующего

металлическую связь и легко переносящего тепловую и

электрическую энергии. Поэтому

одним из основных отличий

большинства неметаллических материалов от металлов, сплавов и

графита (имеющего также металлическую связь между плоскостями

кристаллической решетки) являются их тепло- и

электроизоляционные свойства. Исключение составляют

электропроводящие композиты.

Другим важнейшим отличием основной массы неметаллических

материалов от металлов и сплавов является существенно меньшая их

плотность: для органических материалов (пластмасс и

резин) - вдвое

ниже плотности алюминиевых сплавов, а для неорганических (стекла,

фарфора, асбеста) - почти вдвое ниже плотности титановых сплавов.

Благоприятным для неметаллических материалов оказывается

также сравнение методов и стоимости их переработки в изделия с

методами обработки и стоимостью металлов. Получение деталей из

неметаллических материалов в большинстве случаев сводится к

пластической деформации

сырой исходной композиции или расплава

и закреплению полученной формы последующей термообработкой

или охлаждением. Такая, практически лишенная отходов, технология

(коэффициент использования материала 0,89... 0,9) выгодно

отличается от технологии получения металлических деталей путем

механической обработки заготовок - весьма трудоемкой,

малопроизводительной и сопровождающейся значительными

отходами (коэффициент использования материала составляет

0,5...0,6). При замене черных металлов литьевыми пластмассами

трудоемкость процесса снижается в 5...6 раз,

а себестоимость - в 2...6

раз; при замене дефицитных цветных и черных металлов и

полуфабрикатов (труб, тонкого листа) органическими полимерами

себестоимость изделия снижается в 4...9 раз.

По назначению неметаллические материалы, применяемые в

машиностроении, могут быть подразделены на две группы: кон-

струкционные и специальные.

Конструкционные - это материалы, из которых изготавливают

отдельные элементы и узлы

приборов, машин, несущих и

передаточных устройств. Эта группа объединяет материалы, на-

ходящиеся в твердом агрегатном состоянии и отличающиеся явно

выраженными упруго-эластическими свойствами (большинство

пластмасс, древесина, резина и керамика).

Специальные материалы, имеющие прикладное значение от-

носительно конструкционных и представляющие собой различные

жидкие, твердые и газообразные неметаллические материалы (клеи,

герметики, лаки,

эмали, краски). Применяются они в машиностроении

в качестве хладагентов, теплоносителей, элементов топлив, масел,

смазок, мягчителей, пластификаторов и т.д.

Химическая природа неметаллических материалов, т.е.

принадлежность к органическому или неорганическому типу, во

многом определяет их свойства и области применения. Так, в

большинстве случаев материалы органического происхождения,

состоящие преимущественно из атомов углерода

, связанных с во-

дородными атомами и с атомами некоторых других элементов (О, N,

S, Cl, F и т.п.), являются весьма технологичными (доступны и просты

в переработке) и имеют относительно низкую плотность, повышенные

тепло-, звуко- и электроизоляционные свойства, избирательную

стойкость к агрессивным средам и растворителям. В то же время они,

как правило, горючи и

обладают сравнительно невысокими

механической прочностью и устойчивостью к радиационной,

термической и термоокислительной деструкции.

К неметаллическим материалам неорганической природы.

относятся разновидности кремнезема и его модификации, оксиды

металлов, силициды, бориды, нитриды, а также алмазы, графит и

некоторые другие материалы. Они отличаются негорючестью,

устойчивостью к нагреву и различным агрессивным средам (включая

органические растворители), повышенными жесткостью, плотностью

и меньшей технологичностью по сравнению с органическими

материалами.

Подобная обобщенная характеристика неметаллических ма-

териалов не исключает существенных отклонений от вышеизло-

женных свойств. Так, например, наиболее химически стойким из

известных в настоящее время промышленных материалов является

политетрафторэтилен (фторопласт-4) - полимер органической

природы. Такие материалы неорганического типа, как ситаллы, в

отличие от других кремнеземных

материалов обладают относительно

высоким сопротивлением ударным нагрузкам, пониженной

хрупкостью и щелочестойкостью.

К числу наиболее распространенных перспективных для

машиностроительной техники неметаллических материалов могут

быть отнесены пластические массы и резины, древесные материалы,

клеи, лаки и герметики (органический тип), а также материалы на

основе асбеста, стекла и керамики, углеграфиты и некоторые

неорганические материалы.

Происхождение неметаллических материалов и связанные с ним

условия их получения и переработки во многом определяют технико-

экономические показатели и возможности их практического

использования. По происхождению они подразделяются на

природные, искусственные и синтетические.

К природным неметаллическим материалам относятся:

древесина, растительные волокна, натуральный каучук, сырые кожи,

ископаемые материалы (асбест, слюда, природные графиты, алмазы

битумы и др.).

Искусственные неметаллические материалы, как правило,

получают из природных полимеров путем соответствующей хи-

мической обработки. Наиболее распространенными представителями

этой группы материалов являются различные модификации древесной

и хлопковой целлюлозы, бумажные и текстильные материалы,

пластмассы на основе сложных и простых эфиров целлюлозы,

полимерные белковые соединения (казеин, столярный клей),

некоторые разновидности асботехнических и углеграфитовых

материалов.

Синтетические неметаллические материалы в большинстве

случаев получают из более простых (обычно низкомолекулярных)

соединений в процессе химических, физико-химических и термо-

химических превращений. К

этой группе относятся синтетические

полимеры и эластомеры органического и элементоорганического

типов, лежащие в основе синтетических волокон, пластмасс, резин,

клеев, лаков, герметиков и т.д., искусственные алмазы и графиты,

бескислородная керамика, силикатные стекла, ситаллы и др.

На свойства неметаллических материалов существенное влияние

оказывают их структура (аморфная или кристаллическая) и

особенности физического строения

. Наличие кристаллической

структуры, обусловленной упорядоченным расположением

структурных элементарных единиц относительно друг друга,

способствует увеличению плотности и повышению устойчивости к

атмосферным воздействиям и агрессивным средам, а также опре-

деляет более четкий характер температурных интервалов фазовых

превращений. Большинство неметаллических материалов имеет

аморфную структуру.

Физическое строение неметаллических материалов, харак-

теризуемое степенью структурной однородности

или монолитности,

оказывает большое влияние на их свойства. Как правило, чем выше

степень физической однородности материала, тем выше его

плотность, механические свойства, устойчивость к жидким и

газообразным средам, термоокислению и тем ниже тепло-, звуко- и

электроизоляционные свойства.

Нарушение структурной однородности материала может быть

вызвано различными причинами: неравномерное взаимное

распределение исходных компонентов

, наличие посторонних

примесей, газообразных включений и т.д. При этом нарушается

равноплотность и равнопрочность материала по всему объему.

По количеству фаз материалы подразделяются на одно- и

многофазные. Многофазные материалы подразделяются на смеси и

композиты.