Лекція Тверді сплави. Композиційні матеріали. Матеріали порошкової металургії: пористі, конструкційні, електротехнічні Тверді сплави

 

Як матеріали для інструментів використовуються тверді сплави, які складаються із твердих карбідів і сполучної фази. Вони виготовляються методами порошкової металургії.

Характерною рисою твердих сплавів є дуже висока твердість 87...92 HRC при досить високій міцності. Твердість і міцність залежать від кількості сполучної фази (кобальту) і величини зерен карбідів. Ніж крупніше зерна карбідів, тим вище міцність. Тверді сплави відрізняються великою зносостійкістю й теплостійкістю. Основними твердими сплавами є групи ВК (WC + Co), TK (WC + TiC + Co), TTK (WC + TiC + TaC + Co). Найпоширенішими сплавами групи ВК є сплави марок ВК3, ВК6, ВК8, ВК20, де число показує зміст кобальту у відсотках, інше - карбіди вольфраму WC. Сплави групи ТК марок Т30ДО6, Т14ДО8 - перше число показує зміст карбідів титану у відсотках, друге - зміст кобальту у відсотках. Сплави цієї групи краще протистоять зношуванню, мають більшу твердість, тепло - і жаростійкістю, стійкістю до корозії, але меншою теплопровідністю й більшою крихкістю. Використовуються на середніх і високих швидкостях різання.

Сплави з малою кількістю кобальту мають підвищену твердість і зносостійкістю, але мінімальною міцністю, Тому їх використовують для чистового гостріння (ВК3, Т30ДО4).

Сплави з підвищеним змістом кобальту використовують для чорнового гостріння (ВК8, Т14ДО8).

Сплав ВК20 починають використовувати для армування штампів, що підвищує їхня зносостійкість.

Зносостійкість інструментів із твердих сплавів перевищує зносостійкість інструментів зі швидкорізальних стале в 10...20 раз і зберігається до температур 800…1000^oС.

 

Алмаз як матеріал для виготовлення інструментів

 

80 % природних алмазів, що добуваються, і всі синтетичні алмази використовуються як інструментальні матеріали.

Основна кількість алмазів використовується у вигляді алмазного порошку для виготовлення абразивного-алмазно-абразивного інструмента - шліфувальних кіл, притирань, хонів, надфілів і ін., для обробки особливо твердих металів і гірських порід. Велике значення мають заточувальні кола для твердосплавного інструмента, це збільшує продуктивність праці й термін служби інструмента. Підвищення стійкості твердосплавного інструмента забезпечується високою чистотою (відсутність зазублин, дрібних тріщин) леза інструмента.

Алмазний інструмент виготовляється у вигляді алмазозмістовних кіл з бакелітовим або металевим зв'язуванням.

Також виготовляють алмазні різці (для обробки корпусів годин), фільери (для волочіння дроту з високотвердих і дорогоцінних металів) і ін.

Композиційні матеріали

 

Композиційні матеріали – штучно створені матеріали, які складаються із двох або більше компонентів, що різняться по сполуці й розділених вираженою границею, і які мають нові властивості, запроектовані заздалегідь.

Компоненти композиційного матеріалу різні по геометричній ознаці.

Компонент, безперервний у повному обсязі композиційного матеріалу, називається матрицею.

Компонент переривчастий, розділений в об'ємі композиційного матеріалу, називається арматурами.

Матриця надає необхідну форму виробу, впливає на створення властивостей композиційного матеріалу, захищає арматури від механічних ушкоджень і інших впливів середовища.

Як матриці в композиційних матеріалах можуть бути використані метали і їхні сплави, полімери органічні й неорганічні, керамічні, вуглецеві й інші матеріали. Властивості матриці визначають технологічні параметри процесу одержання композиції і її експлуатаційних властивостей: щільність, питому міцність, робочу температуру, опір утомному руйнуванню й впливу агресивних середовищ.

Армуючи або зміцнюючі компоненти рівномірно розподілені в матриці. Вони, як правило, мають високу міцність, твердістю й модулем пружності й за цими показниками значно перевершують матрицю. Замість терміна армуючи компонент можна використовувати термін наповнювач.

Композиційні матеріали класифікують по геометрії наповнювача, розташуванню його в матриці, природі компонентів.

По геометрії наповнювача композиційні матеріали підрозділяються на три групи:

• с нуль-мірними наповнювачами, розміри яких у трьох вимірах мають той самий порядок;

• с одномірними наповнювачами, один з розмірів яких значно перевищує два інших;

• с двомірними наповнювачами, два розміри яких значно перевищують третій.

За схемою розташування наповнювачів виділяють три групи композиційних матеріалів:

• с одноосьовим (лінійним) розташуванням наповнювача у вигляді волокон, ниток, нитковидних кристалів у матриці паралельно один одному;

• с двохосьовим (площинним) розташуванням армуючого наповнювача, матів з нитковидних кристалів, фольги в матриці в паралельних площинах;

• с тривісним (об'ємним) розташуванням армуючого наповнювача й відсутністю переважного напрямку в його розташуванні.

По природі компонентів композиційні матеріали розділяються на чотири групи:

• композиційні матеріали, що містять компонент із металів або сплавів;

• композиційні матеріали, що містять компонент із неорганічних сполук оксидів, карбідів, нітридів і ін.;

• композиційні матеріали, що містять компонент із неметалічних елементів, вуглецю, бору й ін.;

• композиційні матеріали, що містять компонент із органічних сполук епоксидних, поліефірних, фенольних і ін.

Властивості композиційних матеріалів залежать не тільки від фізико-хімічних властивостей компонентів, але й від міцності зв'язку між ними. Максимальна міцність досягається, якщо між матрицею й арматурами відбувається утворення твердих розчинів або хімічних сполук.

У композиційних матеріалах з нуль-мірним наповнювачем найбільше поширення одержала металева матриця. Композиції на металевій основі зміцнюються рівномірно розподіленими дисперсними частками різної дисперсності. Такі матеріали відрізняються ізотропністю властивостей.

У таких матеріалах матриця сприймає все навантаження, а дисперсні частки наповнювача перешкоджають розвитку пластичної деформації. Ефективне зміцнення досягається при змісті 5...10 % часток наповнювача.

Армуючими наповнювачами служать частки тугоплавких оксидів, нітридів, боридів, карбідів.

Дисперсійно зміцнені композиційні матеріали одержують методами порошкової металургії або вводять частки армуючого порошку в рідкий розплав металу або сплаву.

Промислове застосування знайшли композиційні матеріали на основі алюмінію, зміцнені частками оксиду алюмінію (Al₂O₃). Їх одержують пресуванням алюмінієвої пудри з наступним спіканням (САП). Переваги САП проявляються при температурах вище 300^oС, коли алюмінієві сплави розупрочняються. Дисперсійно зміцнені сплави зберігають ефект зміцнення до температури 0,8 Т_пл.

Сплави САП задовільно деформуються, легко обробляються різанням, зварюються аргонодуговим і контактним зварюванням. Із САП випускають напівфабрикати у вигляді аркушів, профілів, труб, фольги. З них виготовляють лопатки компресорів, вентиляторів і турбін, поршневі штоки.

У композиційних матеріалах з одномірними наповнювачами зміцнювачами є одномірні елементи у формі нитковидних кристалів, волокон, дроту, які скріплюються матрицею в єдиний моноліт. Важливо, щоб міцні волокна були рівномірно розподілені в пластичній матриці. Для армування композиційних матеріалів використовують безперервні дискретні волокна з розмірами в поперечному перерізі від часток до сотень мікрометрів.

Матеріали, армовані нитковидними монокристалами, були створені на початку сімдесятих років для авіаційних і космічних конструкцій. Основним способом вирощування нитковидних кристалів є вирощування їх з перенасиченої пари ( Пк-Процес). Для виробництва особливо високоміцних нитковидних кристалів оксидів і інших сполук здійснюється ріст по П-Ж-ДО - механізму: спрямований ріст кристалів походить із пароподібного стану через проміжну рідку фазу.

Здійснюється створення нитковидних кристалів витягуванням рідини через фільтри. Міцність кристалів залежить від перетину й гладкості поверхні.

Композиційні матеріали цього типу перспективні як високо жароміцні матеріали. Для збільшення к.п.буд. теплових машин лопатки газових турбін виготовляють із нікелевих сплавів, армованих нитками сапфіра (Al₂O₃), це дозволяє значно підвищити температуру на вході в турбіну (межа міцності сапфірових кристалів при температурі 1680^oС вище 700 МПа).

Армування сопел ракет з порошків вольфраму й молібдену роблять кристалами сапфіра як у вигляді повсті, так і окремих волокон, у результаті цього вдалося подвоїти міцність матеріалу при температурі 1650^oС. Армування просочувального полімеру склотекстолітів нитковидними волокнами збільшує їхню міцність. Армування литого металу знижує його крихкість у конструкціях. Перспективне зміцнення скла неорієнтованими нитковидними кристалами.

Для армування композиційних матеріалів застосовують металевий дріт з різних металів: стали різної сполуки, вольфраму, ніобію, титану, магнію - залежно від умов роботи. Сталевий дріт переробляється в ткані сітки, які використовуються для одержання композиційних матеріалів з орієнтацією арматур у двох напрямках.

Для армування легких металів застосовуються волокна бору, карбіду кремнію. Особливо коштовними властивостями володіють вуглецеві волокна, їх застосовують для армування металевих, керамічних і полімерних композиційних матеріалів.

Евтектичні композиційні матеріали – сплави евтектичного або близького до евтектичного сполуки, у яких зміцнюючою фазою виступають орієнтовані кристали, що утворяться в процесі спрямованої кристалізації. На відміну від звичайних композиційних матеріалів, евтектичні одержують за одну операцію. Спрямована орієнтована структура може бути отримана на вже готових виробах. Форма кристалів, що утворяться, може бути у вигляді волокон або пластин. Способами спрямованої кристалізації одержують композиційні матеріали на основі алюмінію, магнію, міді, кобальту, титану, ніобію й інших елементів, тому вони використовуються в широкому інтервалі температур.

Полімерні композиційні матеріали. Особливістю є те, що матрицю утворять різні полімери, що служать сполучними для арматур, що може бути у вигляді волокон, тканини, плівок, склотекстоліту.

Формування полімерних композиційних матеріалів здійснюється пресуванням, литтям під тиском, екструзією, напилюванням.

Широке застосування знаходять змішані полімерні композиційні матеріали, куди входять металеві й полімерні тридцятилітні, які доповнюють один одного по властивостях. Наприклад, підшипники, що працюють в умовах сухого тертя, виготовляють із комбінації фторопласта й бронзи, що забезпечує самозмащуваність і відсутність повзучості.

Створено матеріали на основі поліетилену, полістиролу з наповнювачами у вигляді азбесту й інших волокон, що володіють високими міцністю й твердістю.