Застосування порошкових сплавів

Серед перспективних порошкових матеріалів (ПМ) та сплавів розрізняють: матеріали конструкційного призначення, антифрикційні, фрикційні, проникні матеріали; безкисневі тугоплавкі сполуки, тверді та надтверді сплави, матеріали електротехнічного призначення, жароміцні.

Матеріали конструкційного призначення, які застосовуються у машино- та приладобудуванні, поділяються на матеріали загального призначення (отримані на основі порошків заліза або на основі кольорових металів та сплавів) та матеріали зі спеціальними властивостями: зносостійкі, жароміцні, жаростійкі, корозійностійкі. Їх класифікують у залежності від ступеня навантаження: мало-, помірно-, середньо- та важконавантажені. Типовими порошковими деталями конструкційного призначення є шестерні, кулачкові механізми, кільця, шайби, фланці, ковпачки, корпуси підшипників, статори тощо. До ПМ конструкційного призначення ставляться вимоги забезпечення безвідмовної роботи машин, апаратів, приладів протягом усього періоду експлуатації.

Більшість виробів конструкційного призначення виготовляється із залізного порошку з домішками вуглецю до 0,9 %. Для отримання вуглецевих порошкових сталей як початкові матеріали використовують суміші порошку заліза з графітом або порошком чавуну, джерелом вуглецю також може бути сажисте залізо, в якому вуглець знаходиться у високоактивному стані. Підвищенню характеристик міцності конструкційних матеріалів сприяє також застосування порошків легованих сталей, де найбільш домінуючими елементами є мідь, нікель, хром, молібден тощо, які зміцнюють структуру та здатні регулювати усадку. Леговані порошкові сталі можна отримати із суміші порошків основи сплаву з легуючими елементами або їх лігатур чи з легованих порошків, які виробляють різними методами. Як конструкційні матеріали для застосування в електричній, радіотехнічній та електронній промисловості, а також для виготовлення деталей загального призначення використовують матеріали на основі порошків кольорових металів та сплавів. Саме їм властиві високі теплопровідність та корозійна стійкість, вони добре обробляються різанням та тиском. Широко використовують матеріали на основі міді, латуні та бронзи, а також сплави на основі алюмінію, магнію та титану.

Антифрикційні порошкові матеріали використовують у машинах та механізмах загального призначення, до них належать матеріали, які працюють у вузлах тертя–ковзання: підшипники ковзання, шайби, торцеві ущільнення, вкладиші. У залежності від галузі застосування до антифрикційних матеріалів ставляться такі вимоги: низький коефіцієнт тертя, висока зносостійкість, відсутність схильності до тужавності, наявність об’ємної та поверхневої міцності, висока несуча здатність, досить висока теплопровідність тощо.

Антифрикційні ПМ можна класифікувати як за складом, так і за способом експлуатації. За складом серед антифрикційних матеріалів виділяють матеріали на основі міді, заліза, нікелю, кобальту, алюмінію та металевих сплавів; тугоплавких сполук; металеві двошарові на сталевій підкладці; на пористих металевих каркасах, які просочені фторопластом; металографітні та металоскляні матеріали. За способом експлуатації антифрикційні ПМ поділяють на такі, що працюють в умовах рідкого змащування; з обмеженою змащуваністю; без змащування в повітряному середовищі; у вакуумі та в середовищі інертних газів; при підвищених температурах; при високих швидкостях ковзання; у воді й корозійному середовищі; як торцеві та радіальні ущільнення; як ковзні контакти і поршневі кільця.

Фрикційні порошкові матеріали використовують для виготовлення гальмових вузлів, за допомогою яких також здійснюється передача крутного моменту, для запобігання виходу пристроїв з ладу. Протягом експлуатації фрикційні матеріали повинні поглинати велику кількість енергії, що призводить до різкого підвищення температури на поверхні тертя. У залежності від принципів дії їх поділяють на дві великі групи: матеріали, які працюють в умовах сухого тертя, та матеріали, які працюють у маслі. Для роботи в умовах сухого тертя використовують матеріали на основі заліза або міді, а для роботи в маслі –звичайно на основі міді. Матеріали на основі заліза придатні для експлуатації у важких та дуже важких умовах, на основі міді – у більш легких умовах. Як металеві фрикційні домішки використовують залізо, молібден, вольфрам, що входять до складу ПМ на основі міді. Як неметалеві домішки застосовують оксиди титану, кремнію, алюмінію, хрому, заліза, магнію, цирконію та їх сполук.

До фрикційних ПМ ставляться такі вимоги: високий коефіцієнт тертя, зносостійкість, припрацьовуваність, стійкість до тужавності, тепло- та вогнестійкість, достатня механічна міцність. Крім того, всі фрикційні матеріали повинні задовільно оброблятися, бути масло- та корозійностійкими, безшумними в роботі, а також стійкими до різних кліматичних умов.

Проникні матеріали, які одержують методами порошкової металургії, широко застосовуються у промисловості для виготовлення фільтрів, диспергаторів, демпферів, тепло- та звукоізоляції, полум’яперегороджувачів. Такі матеріали повинні поєднувати високу пористість та задовільну міцність, підвищену пластичність, мати високу питому поверхню пор і відзначатися корозіє- та окалиностійкістю. На відміну від сітчастих, керамічних, скляних, тканинних, фетрових, картонних та інших проникних матеріалів, спечені з порошків або волокон матеріали більш відповідають таким вимогам.

Безкисневі тугоплавкі сполуки утворюють широку групу карбідів, боридів, нітридів, силіцидів перехідних металів IV–VI підгруп періодичної системи Д.І. Менделєєва з різноманітними галузями застосування. Такі сполуки мають високі твердість, міцність, хімічну стійкість, вогнетривкі властивості, тому вони використовуються в інструментальній промисловості, як конструкційні матеріали в агрегатах хімічного виробництва, електротехніці тощо. Найбільш розповсюдженими є ПМ, які виготовлені з карбіду та нітриду титану (TiN, TiC), карбіду молібдену та гафнію, дибориду титану. Для вимірювання температури в окиснювальних середовищах використовують термоелектроди з дисиліцидів молібдену і вольфраму (MoSi2/WSi2), з графіту та дибориду цирконію (C/ZrB2), графіту і карбіду титану (C/TiC).

До порошкових твердих сплавів належать матеріали, які складаються із твердих та тугоплавких карбідів вольфраму, титану, танталу, що з’єднані металевим зв’язком. У залежності від складу карбідної основи порошкові тверді сплави поділяють на три групи. Першу складають вольфрамові сплави системи WC–Co (ВК3–ВК25), які є теплостійкими до 800 °С. Другу (титановольфрамову) групу утворюють сплави системи TiC–WC–Co (наприклад, Т30К4, Т15К6, Т5К10), які характеризуються більш високою (до 900…1000 °С) теплостійкістю, ніж вольфрамові сплави. До третьої (титанотанталовольфрамової) групи належать сплави системи TiC–TaC–WC–Co (наприклад, ТТ7К12, ТТ8К6), які відрізняються тим, що мають від сплавів попередньої групи більшу міцність та кращий опір до вібраціям.

Тверді сплави виготовляють методами порошкової металургії: порошки карбідів змішують з порошками кобальту, який виконує роль зв’язуючого, пресують та спікають при 1450…1550 °С. При спіканні кобальт розчиняє частину карбідів та плавиться. Так, карбідна фаза сплавів вольфрамової групи складається із зерен WC. При одержанні титановольфрамових сплавів протягом спікання карбід титану розчиняє до 70 % WC та утворює твердий розчин (Ti, W)C, який характеризується більш високою твердістю, ніж WC. Структура карбідної основи титанотанталовольфрамових твердих сплавів являє собою твердий розчин (Ti, Ta, W)C та залишкові кристали WC.

Тверді вольфрамові сплави використовують для виготовлення різального, волочильного та бурового інструменту, а також зносостійких деталей машин та приладів; титановольфрамові – для різального інструменту, який необхідний для високошвидкісного різання сталей, а титанотанталовольфрамові – для інструменту з найбільш важкими умовами різання (чорнова обробка сталевих зливків, відливків, поковок).

До надтвердих порошкових матеріалів належать ПМ з мікротвердістю Нμ ≥ 50 ГПа. В основу їх класифікації покладено основну характеристику – твердість, згідно з показниками якої надтверді матеріали поділяють на п’ять основних класів: 1) природні алмази (Нμ > 100 ГПа); 2) синтетичні алмази (Нμ = 90…100 ГПа); 3) кубічний нітрид бору (70...80 ГПа); 4) вюртцитоподібний нітрид бору (50…80 ГПа); 5) композиційні матеріали (КМ) на основі карбідів, нітридів, боридів IV–VI груп періодичної системи Д.І. Менделєєва (30…50 ГПа). Серед надтвердих композиційних матеріалів найбільш розповсюдженими є КМ на основі вюртцитоподібного нітриду бору, який армований ниткоподібними кристалами Al2O3, Si3N4 та інших абразивних волокнистих матеріалів; до перспективних також належать КМ на основі нітриду бору, які містять у структурі вюртцитоподібний нітрид бору та різні домішки у вигляді порошків алмазів, карбідів, боридів, нітридів тугоплавких металів. Для одержання цих матеріалів використовують керамічні, металеві та органічні зв’язки, які закріплюють надтвердий порошок. Основна галузь застосування надтвердих матеріалів – інструментальна промисловість.

До матеріалів електротехнічного призначення належать матеріали із заданим рівнем електропровідності, специфічними напівпровідниковими, магнітними, теплофізичними та хімічними властивостями. Їх використовують для виготовлення магнітопроводів, постійних магнітів, розривних та ковзних контактів, електродів для контактного зварювання та ерозійної обробки, виготовлення напівпровідникових елементів, неметалевих нагрівачів високотемпературних печей, високотемпературних діелектриків та інших деталей електротехнічних та електронних пристроїв.

Для виготовлення жароміцних порошкових матеріалів використовують порошки сплавів та легованих сталей, які одержані методами розпилення, дифузійного насичення, а також відновленням сумішей оксидів воднем або гідридом кальцію. Так, для цього можуть бути використані порошки алюмінієво-марганцевих, алюмінієво-титанових сплавів, високолегованих сталей, сплавів хрому тощо. Одною з основних задач технології виготовлення жароміцних матеріалів є отримання безпористого матеріалу з необхідною структурою, оскільки залишкова пористість суттєво знижує їх жаростійкість та жароміцність. Порошкові сплави на основі нікелю, титану, хрому застосовують при температурах 800…1000 °С; дисперснозміцнені матеріали на основі хрому характеризуються поєднанням жаростійкості та жароміцності до 1200 °С. Композиції "оксид металу – метал" застосовують для виготовлення неплавких електродів, чохлів термопар, деталей, що регулюють потоки розплавленого металу в металургійній промисловості.

КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ