Металлокерамика

 

Порошковую металлургию  широко применяют для получения  материалов со специальными электромагнитными  свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлектрики, ферриты и т.д.).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Изготовление металлокерамических  деталей

2.1 Приготовление смеси

 

В науке и технике понятие  металлокерамика обычно связывают  с порошковой металлургией. Здесь  металлокерамику получают прессованием заготовок из порошков (металлов и  керамики) с последующим их спеканием. Так производят твердые металлокерамические  материалы (цементированные карбиды), используемые для обработки металлов резанием и для бурения горных пород. Другим примером металлокерамики, полученной спеканием порошков смеси  железа и графита, могут служить  пористые самосмазывающиеся подшипники, материал которых после спекания пропитывают маслом.

Методом газотермического напыления частиц порошка получают металлокерамические покрытия для защиты поверхностей деталей от износа и коррозии при производстве деталей. Этот же метод формирования металлокерамического покрытия используется для ремонта при восстановлении размеров изношенных деталей.

Тонкопленочную металлокерамику  получают методом термического испарения  металла или сплава в вакууме  и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки). Примером может служить микрокомпозиция Cr — SiO, используемая при изготовлении тонкопленочных резисторов [4, c. 34].

Из металлокерамики на основе оксида алюминия изготавливаются  запорные элементы керамических трубопроводных кранов.

Процесс приготовления смеси  состоит из классификации порошков по размерам частиц, смешивания и предварительной  обработки.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам  просеиванием на ситах, а более мелкие порошки - воздушной сепарацией. В  металлические порошки вводят технологические  присадки различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеиновую кислоту  и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества; легкоплавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие вещества для получения детален с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок иногда предварительно гранулируют. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах и других смешивающих устройствах.

Предварительную механическую или термическую обработку (например, отжиг) применяют для повышения  технологических свойств порошков.

2.2 Способы формообразования  заготовок и деталей

 

Рисунок 1 – Схемы холодного прессования: а - одностороннее; б - двустороннее

 

 Заготовки и детали  из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

Холодное прессование. В  пресс-форму 2 засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1 (рисунок 1, а). В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки обеспечивается силами механического сцепления частиц порошка, электростатическими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы. Это является причиной получения заготовок с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

Односторонним прессованием (рисунок 1, а) изготовляют заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением диаметра к толщине стенки меньше трех, вследствие чего обеспечивается равномерная плотность получаемых заготовок. Двусторонним прессованием (рисунок 1, б) получают заготовки сложной формы, при этом требуемое давление для получения равномерной плотности уменьшается на 30-40%.

При извлечении детали из пресс-формы  ее размеры увеличиваются. Величина упругого последействия в направлении  прессования составляет 0,3-0,5% и 0,1-0,2 - в направлении, перпендикулярном прессованию. Указанное необходимо учитывать при расчете исполнительных размеров пресс-форм [5, c. 32].

Давление прессования  составляет 200-1000 МПа в зависимости  от требуемой плотности, размеров, формы  прессуемой детали, вида прессуемого  порошка и других факторов. Использование  вибрационного прессования позволяет  резко (в 50-100 раз) уменьшить потребное  давление. Рабочие детали пресс-форм изготовляли из высоколегированных, инструментальных сталей и твердых  сплавов.

Горячее прессование. При  таком прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки с целью  получения готовой детали. Горячим  прессованием получают детали из твердых  сплавов и специальных жаропрочных  материалов. Изготовляемые детали характеризуются высокой прочностью, плотностью и однородностью материала. При горячем прессовании применяют графитовые пресс-формы. Высокая температура порошка позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячее прессование имеет и существенные недостатки: низкую производительность, малую стойкость пресс-форм (4-7 прессовок), необходимость проведения процессов в среде защитных газов, которые ограничивают применение данного способа.

Рисунок 2– Схема гидростатического прессования

 

Гидростатическое прессование. Это прессование применяют для  получения металлокерамических  заготовок, к которым не предъявляют  высоких требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что  порошок 3, заключенный в эластическую резиновую или металлическую  оболочку 2, подвергают равномерному и  всестороннему обжатию в специальных  герметизированных камерах 1 (рисунок 2). Давление жидкости достигает 3000 Mпа, что обеспечивает получение заготовок высокой прочти и плотности. При гидростатическом прессовании отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс-форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок зависят от конструкции герметизированной камеры [6, c. 89].

Рисунок 3– Схема прокатки порошков

 

Выдавливание. Этим способом изготовляют прутки, трубы и профили  различного сечения. Процесс получения  заготовок заключается в выдавливании порошка через комбинированное  отверстие пресс-формы. В порошок  добавляют пластификатор до 10-12% от массы порошка, улучшающий процесс  соединения частиц и уменьшающий  трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит  от формы калиброванного отверстия  пресс-формы. Полые профили выполняют  с применением рассекателя. Металлокерамические  профили получают выдавливанием  на гидравлических и механических прессах.

Прокатка. Этот способ - один из наиболее производительных и перспективных  способов переработки металлокерамических  материалов. Порошок непрерывно поступает  из бункера 1 в зазор между валками (рисунок 3, а). При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс прокатки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечивающую заданную ее толщину.

Прокаткой получают ленты  из различных металлокерамических  материалов (пористых, твердосплавных, фрикционных и др.). За счет применения бункеров с перегородкой (рисунок 3, б) изготовляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических  порошков изготовляют ленты толщиной 0,02-3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет  получить прутки различного профиля, в  том числе и проволоку диаметром  от 0,25 мм до нескольких миллиметров.

2.3 Спекание и окончательная  обработка заготовок

 

Спекание проводят для  повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В процессе спекания вследствие температурной подвижности  атомов порошков одновременно протекают  такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6-0,9 температуры плавления  порошка однокомпонентной системы  или ниже температуры плавления  основного материала для порошков, в состав которых входит несколько  компонентов. Процесс спекания рекомендуется  проводить за три этапа: I - нагрев до температуры 150-200°С (удаление влаги); II - нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III - окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки после достижения температуры спекания но всему сечению составляет 30---90 мин. Увеличение времени и температуры спекания до определенных значений приводит к увеличению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению прочности за счет роста зерен кристаллизации.

Для спекания используют электрические  печи сопротивления или печи с  индукционным нагревом. Для предотвращения окисления спекают в нейтральных  или защитных средах, а для повышения  плотности и прочности получаемые заготовки повторно прессуют и спекают. Требуемой точности достигают с помощью отделочных операций: калибрования и обработки резанием.

Калибруют заготовки дополнительным прессованием в специальных стальных пресс-формах или продавливанием пруткового материала через калиброванное  отверстие. При этом повышается точность и уплотняется поверхностный  слой заготовки [6, c. 162].

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, нарезание  резьбы и т.д.) применяют в тех  случаях, когда прессованием нельзя получить детали заданных размеров и  форм. Особенностью механической обработки  является пористость металлокерамических  заготовок. Не рекомендуется применять  обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок  перед обработкой также нежелательна, так как в процессе резания  масло вытекает из пор и, нагреваясь, дымит.

При обработке резанием используют инструмент, оснащенный пластинками  из твердого сплава или алмаза. Для  сохранения пористости при обработке  необходимо применять хорошо заточенный и доведенный инструмент.

Применение

 

Металлокерамика – это  производство деталей из металлических  порошков, полученных путем прессования  и спекания без расплавления составляющих компонентов. Из металлических порошков можно получить материалы и детали, обладающие высокой жаропрочностью, износостойкостью, твердостью, стабильными  магнитными свойствами и т. п. Из порошков можно получить также изделия, которые  нельзя изготовить методами литья и  обработкой давлением, например фильтры, пористые подшипники, тугоплавкие соединения и т. п.

Процесс производства металлокерамических  материалов состоит из следующих  операций: приготовления металлических  порошков, формования изделий или  заготовок прессованием, спекания полученных материалов или изделий и отделочных операций.

Металлические порошки изготовляют  путем механического измельчения  без изменения химического состава  и химическим методом, при котором  изменяется состав исходного сырья  или его агрегатное состояние. Промышленность выпускает железный, медный, свинцовый, чугунный, никелевый, хромовый, кобальтовый, вольфрамовый, молибденовый, титановый, ниобие-вый, циркониевый и другие порошки. Обычно металлокерамические изделия изготовляют не из одного, а из нескольких металлических порошков.

На сегодняшний день, в  архитектурный проект современного дома обязательно закладываются самые современные и долговечные материалы.

Формование изделий или  заготовок из порошков производится холодным или горячим прессованием. Наиболее распространенным способом получения  деталей из порошков является холодное гидростатическое прессование в  закрытых пресс-формах. Давление прессования  зависит от твердости порошка  и колеблется от 10 000 до 30 000 кг/см2. Горячее прессование применяют для изготовления изделий из плохо спекающихся материалов при давлении 1500-4000 кг/см2 и температуре, составляющей 0,75 температуры плавления порошка.

В результате холодного прессования  материал заготовки или детали имеет  невысокую прочность. Поэтому прессованное изделие для обеспечения необходимых  физико-механических свойств подвергают спеканию. Спекание производится в  электрических печах с защитной атмосферой или в вакууме в  течение 0,5-6 ч при температуре, составляющей 0,75 температуры плавления основного  компонента спекаемого порошка.

После спекания металлокерамические  изделия подвергают следующим отделочным операциям: обработке резанием, калиброванию, правке, термической или химико-термической  обработке.

Металлокерамические материалы  широко применяют в народном хозяйстве. Это прежде всего металлокерамические твердые сплавы, изготовляемые из порошков карбидов тугоплавких металлов со связующим кобальтом.

Во всех марках после буквы  «К» ставят цифру, указывающую процентное содержание кобальта, а после буквы  «Т» – процентное содержание карбида  титана, остальное – карбид вольфрама. Твердые сплавы используют для изготовления режущего инструмента, износостойкость  и красностойкость которого в  десятки раз выше, чем у инструментов из углеродистых и легированных сталей.

Для изготовления подшипниковых  втулок применяют антифрикционные  бронзографитовые и железографитовые металлокерамические материалы.

В автомобилестроении, самолетостроении в тормозных узлах и узлах  сцепления используют фрикционные  металлокерамические материалы. Эти  материалы изготовляют на основе меди и железа с добавлением свинца, графита, асбеста, различных оксидов  и тугоплавких соединений.

Из порошков железа, бронзы, никеля и нержавеющих сталей делают фильтры для очистки топлива  в двигателях автомобилей, самолетов  и т. д., для очистки различных  жидкостей и воздуха.

Проволока для ламп накаливания, радиоламп, всевозможные контакты и  детали приборов изготовляют из тугоплавких  металлокерамических материалов, основой  которых являются порошки вольфрама, молибдена и других тугоплавких  металлов. В радиотехнике, электротехнике широко применяют металлокерамические  магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Ферриты получают методом прессования из чистого железа и его сплавов или из порошка на основе оксидов железа. Методом прессования изготовляют также постоянные магниты на основе железа, легированного алюминием, никелем, медью, кобальтом. После спекания и термической обработки металлокерамические постоянные магниты имеют прочность в 5-6 раз выше, чем литые магниты.