Получение металлических порошков и изготовление деталей

Диапазон размеров частиц практически от 0 и до 500 мкм. Их можно получить тремя способами:

1.Механическим распылением жидкого металла струей воды или газа под давлением 50…100 МПа.

2. Размолом отходов металлообработки (стружки) в шаровых или вихревых мельницах.

3. Химическим восстановлением металлов из оксидов и солей углеродом, водородом или природным газом.

Порошки разделяют на фракции: относительно крупные с помощью сит, а более мелкие – воздушной сепарацией.

Процесс уплотнения порошков (рис.6.2) зависит от усилия прессования. В зоне а происходит интенсивное уплотнение порошка за счет перераспределения частиц и более плотной их упаковки, а в зоне б порошок практически не уплотняется, т.к. плотно упакованные частицы оказывают сопротивление сжатию, а в последней зоне в давление прессования превышает сопротивление частиц сжатию и уплотнение происходит уже за счет деформации частиц.

Для улучшения прессования в порошки добавляют наполнители: раствор каучука в бензине, парафин, воск и т. д.

Формирование заготовок выполняется способами прессования, экструзии и прокатки (рис. 6.3).

При прессовании уменьшается объем порошка, увеличивается контакт между отдельными частицами, происходит их механическое сцепление, поэтому пористость порошка уменьшается, а прочность полученной детали возрастает.

Прокатка выполняется валками. Получают полосы и ленты толщиной от 0,02 до 3 мм и шириной до 300 мм из железа, никеля, титана, нержавеющей стали и др. Процесс прокатки можно совместить со спеканием. Полученную заготовку пропускают через проходную печь, а затем подают на прокатку с целью калибровки. Прокаткой можно получить и двухслойные заготовки, например, железо – медь.

Спекание необходимо для повышения прочности заготовки, полученной прессованием. Процесс спекания заключается в нагреве и выдержке материала в газовых средах в течение 30…90 минут при температуре 0,6..0,8 Тпл.

Необходимость спекания вызвана тем, что после прессования невозможно получить высокие механические характеристики, т.к. поверхность частиц порошка покрыта окислами и загрязнениями, а также из-за наличия упругих деформаций, которые после снятия нагрузки прессования уменьшают размеры контактных участков между частицами. Спекание порошков обеспечивает прочность материала равной прочности компактных металлов.

В процессе спекания происходят восстановление поверхностных окислов, диффузия, рекристаллизация и образование новых контактных поверхностей и прочных связей между частицами.

Дополнительная обработка спеченных изделий включает в себя этапы:

1.Повторное прессование с последующим спеканием, повышающее плотность, прочность и пластичность изделий.

2.Пропитку маслом, улучшающую антифрикционные связи (деталь выдерживают в минеральном масле, нагретом до 70…140 °С от 15 минут до 2 часов).

Изделия из железа науглероживают  выдержкой в газовой среде. Для повышения износостойкости деталей может использоваться сульфидирование, т.е. насыщение рабочей поверхности детали серой.

Композиционные материалы

В композиционный материал (металлический или неметаллический) вводятся усиливающие его элементы: нити, волокна или хлопья из более прочного материала.

Примерами композиционных материалов являются:

- пластик, армированный углеродными, борными или стеклянными волокнами;

- алюминий, армированный нитями стали или бериллия;

- шины транспортных средств, где резина армирована кордными тканями или проволокой;

- кермет, т.е. керамические частицы, армированные в металлической матрице;

- древесина, как естественный композит с трубками целлюлозы в матрице лингвина;

- фанера, ЦСП, ДСП, ГВЛ и др.

Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получить композиционный материал с требуемыми значениями прочности и абразивной стойкости, упругости, жаростойкости и других свойств.

Компонент, обладающий непрерывностью во всем объеме, является матрицей, а прерывный компонент, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим.

По схеме расположения волокон выделяют три группы композиционных материалов (рис.6.4):

- с одноосным (линейным) расположением волокон, нитей в матрице параллельных друг другу;

- с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя;

- с трехосным (объемным) и отсутствием преимущественного направления в его распределении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

- из металла или сплава;

- из неорганических соединений (оксидов, карбидов, нитридов);

- из неметаллических соединений (углерод, бор и др.);

- из органических соединений (эпоксидные, фенольные и др. смолы).

 Композиционные материалы с металлической матрицей – это материалы, состоящие из металлической (это чаще всего Al, Mg, Ni и их сплавы) матрицы, упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тугоплавкими тонкодисперсными частицами. 

Эти материалы отличаются от обычных сплавов большими значениями прочности на растяжения sв и модуля упругости Е, высокой жаропрочностью и  пониженной склонностью к трещинообразованию.

 Они используются для облегчения веса в авиации: обшивки лонжеронов, панелей и других высоконагруженных деталей; в двигателях: лопатки турбин и компрессоров; в автомобилестроении: панели, бамперы и прочие детали; в строительстве: пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений.

Имеются композиционные матрицы с никелевой матрицей. Матрица является никелево-хромовый (20% никеля), а в качестве упрочнителя используется диоксид или оксид гафния. Эти материалы очень пластичны и хорошо деформируются при изготовлении деталей: сопловые лопатки, стабилизаторы пламени, камеры сгорания авиационных двигателей, а также сосуды и трубопроводы, работающие при высоких температурах и давлениях.

Для упрочнения композиционных материалов используют высокопрочные проволоки из стали (Х18Н9, Х18Н10Т, 30Х13, Х17Н2, 13Х14Н3ФА, 20Х15Н5АМ3,…), бериллия, молибдена, вольфрама и др. металлов и их окислов, волокна из бора, углерода, стекла, а также монокристаллы из оксидов, нитридов алюминия и кремния и др.

Стальные и бериллевые проволоки используются для материалов, работающих при низких и умеренных температурах, а вольфрамовые и молибденовые – при высоких.

Промышленностью выпускают углеродные волокна в виде жгута с диаметром волокон 7 мкм и количеством 1…160 тысяч штук в жгуте (крученном или некрученом).

В композиционных материалах на неметаллической основе в качестве матрицы используют эпоксидные, фенольные, полимерные и другие смолы. Армирование проводят нитями: стеклянными, углеводородными, борными и др.