Порошковые металлические материалы. Виды, классификация порошковых материалов

Порошковый материал – материал, изготовленный из металлического порошка или его смеси с неметаллическим порошком.

Порошковые материалы конструкционного назначения – самая распространенная продукция порошковой металлургии. Потребность в них сегодня достигает 65% общей востребованности. Обладая набором высоких механических характеристик, они повсеместно используются в машиностроении для производства высоконагруженных шестерен, звездочек, зубчатых колес, червячных пар, клапанов и седел к ним, муфт, фланцев, эксцентриков, накладок, заглушек, храповиков, гаек, ограничителей, кулачков, шайб, крышек, корпусов подшипников, компонентов насосного оборудования и измерительного инструмента, различных дисков, втулок, деталей множества других элементов технических устройств.

1. Порошковые антифрикционные материалы

Антифрикционные материалы в зависимости от условий работы должны обладать:

• хорошей начальной прирабатываемостью в работе, т. е. время, необходимое для снижения коэффициента трения между подшипником и валом до заданной величины, должно быть минимальным;
• высокими триботехническими свойствами (коэффициент трения ≤0,3, в том числе при наличии смазки <0,1; Pv в зависимости от режима работы от 20 до 40,0 МПа·м/с при скорости скольжения (v) от 2 до 200 м/с и удельных нагрузках (Р) от 45 до 0,2 МПа);
• способностью выдерживать нагрузку, скорость и температуру без разрушения и изменения формы и функциональных свойств;
• способностью образовывать самосмазывающие или легко притирающиеся продукты истирания коллоидного характера (пленку), которые могут сберечь шейку вала от износа даже при затрудненной смазке;
• меньшей твердостью, чем у шейки вала, причем твердость должна снижаться как можно меньше в процессе нагрева;
• высокой теплопроводностью для хорошего отвода теплоты трения;
• достаточными выносливостью или сопротивлением усталости;
• достаточной вязкостью в случае ударной нагрузки;
• хорошими технологическими свойствами;
• микропористостью или микрокапиллярностью, способствующими удержанию смазки на своей поверхности;
• хорошими антикоррозионными свойствами.

Материалами, удовлетворяющими приведенным требованиям, долгое время являлись литые материалы на основе меди, главным образом оловянные бронзы. Однако они дороги и не всегда соответствуют требованиям эксплуатационных характеристик современных машин и механизмов.

В настоящее время существует значительное количество порошковых антифрикционных материалов, которые широко используются в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях, и в изделиях специального назначения, эксплуатирующихся в сложных условиях.

Широкое распространение в производстве получили пористые подшипники скольжения на основе порошков железа и меди, получаемые по традиционной для порошковой металлургии технологии.

Материалы на основе железа

Пористые антифрикционные материалы на основе железа являются самыми распространенными. Они успешно конкурируют с литыми сплавами типа баббитов и бронз.

Пористое железо — это наиболее простой тип материалов, имеющий структуру феррита. При обильной смазке длительная работоспособность пористого железа обеспечивается при нагрузках 2–2,5 МПа и скорости скольжения 1–2 м/с (Pv = 2,5–5,0 МПа·м/с). С увеличением скорости скольжения в режиме самосмазывания допустимая величина нагрузки резко уменьшается и значение Pv не превышает 0,7–1,6 МПа·м/с. При эксплуатации рабочая температура подшипника из пористого железа не должна превышать 70–80 °С.

Пористое железо после пропитки пор маслом применяют в качестве прядильных колец, подшипников аппаратуры, приборов, счетно-решающих устройств и т. д. Коэффициент заполнения пор маслом должен быть не ниже 75 % для изделий с пористостью ≤20 % и не ниже 95 % для изделий с пористостью ≥25 %.

Железографитовые материалы. Впервые железографитовый материал, названный воизитом, был получен Р.Р. Копржива. Промышленное применение воизитовых втулок на металлорежущих станках, металлургическом оборудовании, электродвигателях, автомобилях, тракторах, текстильных и сельскохозяйственных машинах, в электрооборудовании, киноаппаратуре и др. показало высокие эксплуатационные свойства этого материала. Применение воизита в узлах трения особенно предпочтительно при затруднительной m,подаче регулярной смазки или недопустимости ее применения в условиях сильной запыленности среды, частых пусках и остановках механизмов, при больших нагрузках и малых скоростях скольжения (например, направляющие втулки, подшипники валов с возвратно-поступательным движением).

Основными компонентами для изготовления железографитовых материалов являются: железный порошок, графит и в небольших количествах медь, сера и фосфор. В железографитовые материалы вводят в основном от 1 до 4 % графита. Графит в антифрикционных материалах выполняет двойную роль: растворившийся в железе увеличивает прочность металлической основы, а нерастворившийся играет роль твердой смазки.

Железографитовые материалы имеют перлито-ферритную структуру. Количество ферритной составляющей зависит от исходного содержания графита и условий спекания. Наибольшей износостойкостью обладает перлитная структура. Содержание ферритной составляющей допускается до 50 % и зависит от режима работы подшипникового узла.

Антифрикционные свойства железографитовых материалов определяются их самосмазываемостью, хорошей прирабатываемостью, износостойкостью, прочностью. Самосмазываемость происходит за счет масла, выступающего в процессе трения из поровых каналов, что выгодно отличает пористые антифрикционные материалы от литых. Выступание масла на поверхность трения объясняется различным объемным тепловым расширением масла и металлической основы материала, а впитывание в поровые каналы — межмолекулярными силами, действующими в жидкости в случае, если температура не превышает критических значений. Высокий эффект самосмазывания пористых вкладышей, пропитанных маслом, обусловливает образование на поверхностях трения граничных слоев масла, сплошность которых зависит от средней температуры процесса. Повышение температуры поверхностей трения вкладышей, пропитанных маслом до 60–70 °С, приводит к неустойчивому режиму трения, к разрыву масляных граничных слоев и, как следствие, к интенсификации износа.

Спеченные железографитовые материалы приближаются по триботехническим свойствам к серым чугунам, но обладают лучшей прирабатываемостью.

Для железографитовых подшипников существуют максимально допустимые нагрузки, при превышении которых они теряют работоспособность: резко увеличиваются темп изнашивания, коэффициент трения и температура в зоне трения.

Стабильными свойствами и структурой обладает железографитовый материал, содержащий 0,8–1,0 % графита. Предельная скорость скольжения для железографитовых материалов составляет 2–3 м/с. При скорости скольжения 2,5 м/с коэффициент трения становится нестабильным и изменяется в пределах 0,54–0,0125, а при скорости скольжения 4 м/с железографитовые материалы практически неработоспособны.

Длительность работы подшипников из железографитовых материалов определяется условиями их работы и не превышает 3–5 тыс. ч. Их применяют в тепловозостроении, в узлах трения сельскохозяйственных машин, для изготовления втулок угольных транспортеров, деталей автомобилей, сверлильных станков, втулок прокатных станов и других целей.

Повышение эксплуатацинных свойств пористого железа и железографитового материала достигается легированием и введением различных добавок. Введение меди в железографитовые материалы улучшает их свойства за счет получения более однородной структуры, увеличения твердости, уменьшения усадки при спекании, стабилизации размеров деталей.

Композиции железо–медь–графит способны обеспечивать работоспособность подшипников при непрерывной подаче смазки и Pv до 7,0 МПа·м/с. Для работы в условиях ограниченной смазки рекомендуются композиции с повышенным содержанием графита (4–15 %) и меди (4–12 %). Материал ЖГр4Д7 (4 % С и 7 % Сu) обеспечивает работоспособность узлов трения в режиме самосмазывания при скорости скольжения 0,94 м/с и нагрузке 1,0–4,5 МПа с коэффициентом трения 0,1. Композиции железо–медь и железо– медь–графит способны выдерживать статические нагрузки до 60–790 МПа. Дальнейшее улучшение железографитовых материалов достигается при их легировании фосфором, марганцем, цинком, оловом. Легирование цинком, фосфором обеспечивает хорошую спекаемость, мелкодисперсность перлита, более высокую износостойкость при трении без смазки.

Увеличение вязкости и усталостной прочности, снижение износа и коэффициента трения достигается при легировании железографита молибденом. Повышение содержания молибдена до 15 % в малопористом железографите снижает коэффициент трения, уменьшает износ и повышает несущую способность. Материал, содержащий 3 % графита и 15 % молибдена, работоспособен в пределах нагрузок от 0,1 до 20,0 МПа при скорости скольжения 0,1–95 м/с в условиях трения в режиме самосмазывания, при ограниченной смазке и без смазки.

Материалы, содержащие свинец или сплавы цветных металлов. Повышения прочностных и антифрикционных свойств материалов на основе железа можно достичь введением в их состав свинца или сплавов на основе цветных металлов. Это осуществляют присадками указанных добавок в исходную шихту или пропиткой пористого каркаса расплавленным металлом. Для подшипников, работающих при давлениях более 1,0 МПа, предложен материал, состоящий из 60–90 % железа и остальное — сплав, содержащий 85 % Сu; 5 % Sb; 5 % Pb и 5 % Zn. Сплав меди в виде порошка добавляют в порошок железа при шихтовании.

Повышение свойств материалов на основе железа достигают введением в состав материала 15–30 % Рb и 3–5 % Сu с последующей пропиткой его маслом. До 15–40 % Рb содержат подшипниковые материалы, упрочненные 2–8 % стекла. Железомедные материалы, содержащие свинец, имеют повышенную пластичность, поэтому их применяют при ударных нагрузках.

Разработаны сплавы на основе железа с повышенными антифрикционными и антикоррозийными свойствами для деталей, работающих при больших нагрузках. Материал, содержащий 0,8 % С; 2,5 % Si; 3–5 % Сr; 6–10 % Мо; до 2 % Ni, остальное — железо, пропитывают сплавом 90 % Сu + 10 % Sn.

Материалы с твердыми смазками

В узлах трения с высокими скоростями скольжения даже при небольших нагрузках могут развиваться значительные температуры, которые вместе с силами инерции способствуют удалению смазки из области трения, что создает трудности при использовании жидких или консистентных смазок.

Для таких узлов, работающих в условиях сухого трения, одним из обязательных условий работоспособности является создание и постоянная регенерация на их поверхности защитных разделительных пленок, исключающих контакт ювенильных металлических поверхностей и последующее схватывание.

Для улучшения триботехнических свойств материалов, работающих в таких условиях, широко используют различные вещества, которые наносят на трущиеся поверхности в качестве твердой смазки. К ним относятся сульфиды, селениды, йодиды, хлориды, фториды, нитриды и оксиды металлов. Тонкие слои твердых смазок, наносимые методом натирания или распыления из суспензий с летучими растворителями, удерживаются на трущейся поверхности силами адгезии. Они сравнительно легко смываются жидкостями или удаляются при механическом воздействии. Поэтому долговечность таких пленок невелика. Значительно большую прочность и большее сцепление с поверхностью подложки имеют пленки твердых смазок со связующими. В качестве связующих широко используют фенольные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, фторопласт, силикат натрия.

Эффективным методом образования стабильной разделительной пленки на трущихся поверхностях является введение твердой смазки непосредственно в материал. Этот метод более технологичен, исключает дополнительные операции по пропитке или натиранию материала твердой смазкой и допускает механическую обработку поверхностей трения.

Применение твердых смазок в спеченных железографитовых материалах, процесс спекания которых связан с высокими температурами, ограничено. Наиболее широкое распространение из них получили сернистые соединения молибдена, цинка, фторид кальция.

Материалы, содержащие дисульфид молибдена. Недостаточно высокая термическая и химическая стабильность дисульфида молибдена ограничивает его применение в спеченных железографитовых материалах, технология получения которых связана с длительным нагревом при высоких температурах. Чтобы избежать разложения и окисления, железографитовые материалы, содержащие дисульфид молибдена, рекомендуется спекать в глубоком вакууме при температурах не выше 1050–1100 °С. Для повышения механических характеристик спеченный порошковый материал подвергают горячей обработке давлением (ковке).

Другим способом повышения механических свойств материалов, содержащих дисульфид молибдена, является предварительное покрытие частичек MoS₂ металлической пленкой путем терми-ческого разложения соединений, содержащих соответствующий металл.

Дисульфид молибдена можно вводить в порошковые материалы пропиткой их суспензией MoS₂ в органическом растворителе. После пропитки детали отжигают при 150–200 °С для удаления летучего растворителя. При этом MoS₂ равномерно распределяется в пористом материале, улучшает его триботехнические свойства и не оказывает отрицательного влияния на механические свойства.

Введение дисульфида молибдена в легированные спеченные стали позволяет применять их для изготовления деталей трения, работающих при повышенных скоростях, нагрузках и температурах. Испытание в масле железографита, легированного хромом, никелем и медью и содержащего от 6 до 10 % MoS₂ в паре с закаленной сталью 45 при скорости скольжения 4 м/с, показало его работоспособность при нагрузках до 15 МПа. Коэффициент трения в этом случае равен 0,008–0,009. В условиях граничной смазки материал может работать при нагрузках, не превышающих 4,5 МПа, и имеет коэффициент трения 0,11–0,16.

Материалы, содержащие сернистый цинк. Наибольшее применение в промышленности нашел материал ЖГр3Цс4. Для пары ЖГр3Цс4 – сталь 45 изучены природа и условия образования поверхностных пленок в условиях сухого трения при скоростях 6; 8; 12 м/с и нагрузках 0,4; 0,8; 1,2 МПа. Установлено, что с уменьшением пористости количество серы и цинка в спеченном материале увеличивается. Так, беспористый материал ЖГр3Цс4 содержит серы в 2 раза, а цинка в 6 раз больше, чем материал с пористостью 20 %.

Сернистый цинк оказывает существенное влияние на формирование свойств материалов. Твердость (НВ) беспористого железографитового материала ЖГр3 при введении в него 4 % ZnS увеличивается на 30–40 % и составляет 2 000–2 200 МПа. Повышение твердости и прочности является результатом отбеливающего влияния серы и упрочняющего влияния цинка, располагающегося по границам частиц и зерен.

Материалы на основе меди

Первыми порошковыми антифрикционными материалами на основе меди, которые начали применяться в промышленности, были оловянистые бронзы. Оптимальные антифрикционные и механические свойства обеспечиваются при 9–11% Sn. Пористость обычно составляет П = 15–35 %; σ_в = 76–140 МПа; δ ≈ 5 %; Pv = 1,5–2,5 МПа·м/с.

Пористые бронзы применяют для изготовления подшипников, работающих в легких условиях, характеризующихся малыми скоростями скольжения <1,5 м/с и небольшими нагрузками 0,5–1,0 МПа. В условиях дополнительной смазки предельная нагрузка может составить 8 МПа при v = 1 м/с. С повышением скорости скольжения до 6 м/с нагрузка снижается до 1 МПа.

Широкое распространение получили спеченные самосмазывающиеся подшипники скольжения из композиций бронза–графит, в которых содержание графита обычно составляет 2–4 %; Sn — 8–10 % и Сu — 86–90 % (по массе).

Бронзографиты состава 90 % Сu, 9 % Sn и 1 % графита с общей пористостью 10–12 % применяют для изготовления шестерен редуктора электродвигателя. Такой материал пористостью 5–7 % обеспечивает самосмазываемость шестерен и при этом обладает достаточно высокими механическими свойствами (σ_в = 180–150 МПа). Однако из-за низкой пластичности и недостаточно высоких триботехнических характеристик бронзографиты мало применяют в узлах трения, испытывающих ударные нагрузки, без жидкостных смазок.

В качестве легирующих добавок для порошковых бронз используют титан или металлы VII и VIII групп периодической системы элементов Д.И. Менделеева, например, марганец, кобальт, никель и железо. Детали из такого материала имеют невысокие механические свойства из-за значительного количества графита и могут быть применены в качестве самосмазывающихся подшипников, работающих при небольших нагрузках и невысоких температурах.

Для работы при повышенных температурах используют композиционный материал, содержащий до 25 % дисульфида вольфрама с металлической матрицей состава: Сu + 4–10 % Sn + 5–15 % Ni.

Для работы в условиях повышенных давлений (до 5 МПа) и высоких скоростей скольжения (до 50 м/с) используют спеченные высокопористые бронзы, пропитанные фторопластом. Прочностные характеристики этих материалов ниже, чем у бронзографитов, а коэффициенты трения одинаковы.

Спеченные материалы, содержащие MoS₂, отличаются большой несущей способностью, выносливостью, износостойкостью и высокими триботехническими свойствами в широком диапазоне температур — от 40 до 200 °С, а в отдельных случаях — от 200 до 550 °С.

Перспективными триботехническими материалами для подшипников скольжения являются износостойкие спеченные хромооловянистые и хромоникелеоловянистые бронзы с твердыми смазками. Эти подшипники работают в узлах трения при повышенных температурах (до 100 °С) и значительных скоростях скольжения (до 35 м/с) в условиях агрессивных газовых сред и высоких давлений (~6 МПа). Эти материалы используют также для деталей, работающих при значительных гидравлических давлениях (10–16 МПа) в условиях кавитационных разрушений.

Хромооловянистые и хромоникелеоловянистые бронзы целесообразно применять для изготовления деталей, работающих в узлах трения без жидкостной смазки при средних и тяжелых условиях эксплуатации (в атмосфере воздуха и вакуума), а также для повышения ресурса в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях.

Хромооловянистые бронзы с дисульфидом молибдена в работе в условиях трения аксиально-поршневых гидромашин и других аналогичных изделий показали высокую износостойкость (по сравнению с литой бронзой и латунью) и позволили увеличить ресурс в 3–5 раз. Они также нашли применение в узлах трения редукторов сверхглубокого бурения (взамен игольчатых подшипников) и в ряде ответственных изделий в качестве подшипников скольжения, изготовлявшихся ранее из литых бронз.

Тугоплавкие металлы и соединения

При работе в особых условиях (вследствие значительной износостойкости) для узлов трения применяют тугоплавкие металлы и соединения.

На основе карбида вольфрама изготавливают кольца, шарики и седла клапанов со свойствами: твердость HV 9,5–18 ГПа, γ = 11,5–15 г/см³, σ_в = 120–280 МПа и α = (5–6)·10^-6 K^-1. Повышенной твердостью, прочностью, вязкостью, устойчивостью к абразивному износу, термической стабильностью и инертностью к агрессивным средам обладает новый класс материалов на основе боридов титана, циркония и гафния, в которых содержится 87,5–70 % боридов и 12,5–30 % порошка металла этой группы.

Для подшипников скольжения, работающих при повышенных температурах, применяют композиции W–BN. Износостойкость композиций определяется содержанием борида BN. Увеличение содержания BN от 10 до 20 % снижает износ вольфрама в диапазоне скоростей скольжения до 5,5 м/с и при малых нагрузках.

Материалы на основе карбидов, нитридов, боридов могут быть использованы только до температуры 500–600 °С на воздухе. Их коэффициент трения в этих условиях близок к 0,2 в области оптимальных условий работы и снижается с повышением температуры. Величина коэффициента трения зависит от материала контртела. Наиболее низкие его значения достигаются при трении в паре с графитом.

2. Пористые порошковые материалы

Работоспособность и области применения пористых порошковых материалов (ППМ) определяются наличием взаимосвязанной системы пор. Эта поровая структура обеспечивает такие свойства ППМ, как проницаемость для газов или жидкостей, фильтрующую способность, способность к капиллярному транспорту жидкости и ее удержанию в порах, развитую удельную поверхность и др. ППМ успешно используются в космической технике, в машино- и приборостроении, радиоэлектронной и химической промышленности, атомной энергетике, медицине, сельском хозяйстве и т. д. По сравнению с существующими проницаемыми материалами на органической (войлок, бумага, ткань, полимер) и неорганической (керамика, асбест, стекло) основах ППМ характеризуются большой проницаемостью, прочностью, пластичностью, устойчивостью к тепловым ударам. Они коррозионно-стойки и жаропрочны, могут работать при температурах >1000 °С. ППМ просты и экономичны в изготовлении, их можно использовать многократно.

Согласно разработанной классификации ППМ можно разделить на три группы: фильтрующие (фильтры, фазоразделители, распределители газовых и жидкостных потоков, глушители звуковых и механических колебаний, огнепреградители и др.), капиллярно-пористые (испарители, конденсаторы, капиллярные структуры тепловых труб, капиллярные насосы и т.п.) и материалы со специальными свойствами (пористые аноды, пластины аккумуляторных батарей, заменители костной ткани, катализаторы, каталитичнодиффузионные мембраны и т. д.).

Фильтрующие ППМ

Наиболее широкое распространение получили ППМ для фильтров назначение которых сводится к отделению газов и жидкостей от посторонних примесей.

Фильтры из ППМ используются для очистки воды, щелочных, кислотных и соленых растворов, топлива и смазочных материалов, молока, смол, основ для лаков, расплавов солей и полимеров, фильтрации сжиженных и сжатых газов (азот, кислород, гелий, воздух и др.) при их производстве и практическом применении, отходящих газов в технологических циклах химического, металлургического, цементного и других производств.

В ряде случаев с их помощью можно улавливать дорогостоящие пылевидные катализаторы, используемые в технологических процессах химического и нефтехимического производств, что позволяет значительно удешевлять процесс фильтрования. В зависимости от области применения, эксплуатационных и конструкционных требований фильтры могут изготавливаться в виде дисков, пластин, цилиндров, стаканов, конусов и др.

К современным фильтрам предъявляются весьма жесткие требования по всему комплексу свойств: тонкость фильтрования, проницаемость (гидравлическое сопротивление), коррозионная стойкость, низко- и высокотемпературная прочности и пластичность, высокая технологичность, возможность многократной регенерации, низкая себестоимость и др. Очевидно, что трудно подобрать проницаемый материал, который отвечал бы всем перечисленным требованиям. Фильтрующие материалы, полученные методами порошковой металлургии, лучше всех из известных отвечают требованиям этого комплекса свойств. Соответствующим выбором гранулометрического состава исходных порошков и технологии изготовления достигают высокую тонкость фильтрования (до 1–2 мкм). Фильтры ППМ обладают высокой прочностью и пластичностью, что позволяет им выдерживать высокие нагрузки в статических и динамических условиях работы (гидравлические и пневматические удары во время запуска и остановки систем). Известны области применения фильтров из ППМ, где они успешно работают при давлении ≥25 МПа.

Они устойчивы к резким температурным колебаниям (тепловым ударам), а своей технологичностью в изготовлении (обрабатывание на металлорежущих станках, склеивание, сварка, пайка и др.) превосходят все известные в настоящее время проницаемые материалы.

Фильтры из ППМ могут изготавливаться практически любых форм и размеров.

Соответствующим выбором материала можно обеспечить высокую коррозионную стойкость: ППМ из бронзы могут выдерживать нагрев на воздухе до 200 °С, в неокислительной среде — до 400 °С. Они коррозионно-стойки на воздухе, в морской воде и растворах KOH. ППМ из порошков железа коррозионно-стойки в масле, керосине, бензине, дизельном топливе. Алитированные ППМ имеют высокую окалино- и коррозионно-стойкость на воздухе и в морской воде. Хромированные ППМ стойки при нагреве до 750 °С.

ППМ из порошков коррозионно-стойких сталей обладают высокой коррозионной стойкостью в кислотах, щелочах и агрессивных газах. Они выдерживают нагрев на воздухе до 500 °С, а некоторые и до более высокой температуры. ППМ из восстановленных порошков коррозионно-стойких сталей ПХ17Н2, ПХ30, ПХ18Н15, ПХ18Н9, ПХ23Н18 обладают стойкостью в азотной кислоте, щелочах, в окислительных газах при температуре до 800 °С.

ППМ из порошка никеля стойки в расплавах и растворах щелочей, выдерживают температуру 280 °С на воздухе и в восстановительной среде до 600 °С. Сплавы хрома с 30–40 % Ni выдерживают нагрев на воздухе до 1 200 °С, обладают высокой коррозионной стойкостью в соляной кислоте и галогенсодержащих средах. Никель-молибденовые сплавы (Ni–15 % Сr–15 % Мо) обладают коррозионной стойкостью одновременно в соляной и азотной кислотах. Монель-металл стоек в среде галогенидов, а нихром — на воздухе при температуре до 800 °С.

ППМ из титана имеют преимущества перед материалами из бронзы, коррозионно-стойких сталей и никеля. Титан коррозионностоек в присутствии хлора (хлоридов, солей хлористой кислоты), морской, соленой воды, азотной кислоты, органических кислот. Имеются данные о стойкости пористого титана в следующих средах: полная устойчивость в 30 % растворе NaOH, удовлетворительная устойчивость в 25 % растворе AlCl₃ при температуре раствора до 100 °С, стойкость ППМ из титана, содержащие 0,2–2 % Pd в 20 % растворе HCl и 40 % растворе H₂SO₄ при комнатной температуре. Лучшей коррозионной стойкостью в горячих растворах серной и соляной кислот (концентрация 40 и 20 % соответственно) обладают сплавы, содержащие 30–35 % Мо. Порошковый сплав Ti20Mo5Cr0,2Pd имеет высокую стойкость в горячих и концентрированных растворах соляной и азотной кислот.

Фильтрующие ППМ хорошо зарекомендовали себя в газораспределителях (например, при пневмотранспорте сыпучих сред). В этом случае транспортируемый продукт (цемент, мука, удобрение, пылеобразное топливо) поступает на пористую пластину, через которую снизу подается воздух. Образующаяся при этом газопылевая смесь перемещается по транспортному трубопроводу. В этом случае материалы, изготовленные с применением ППМ, успешно заменяют ленточные и шнековые транспортеры. Опыт, накопленный при их эксплуатации на цементных заводах, показал большие преимущества ППМ, состоящие в отсутствии движущихся и изнашиваемых деталей, низкой энергоемкости, бесшумности и надежности в эксплуатации.

Они являются экологически чистыми, так как устраняется возможность выброса дисперсных частиц в атмосферу.

Рисунок 13. Схема разгрузочного устройства: 1 — контейнер; 2 — газораспределительная перегородка из ППМ

Газораспределители на основе ППМ успешно используются в разгрузочных устройствах при разгрузке вагонов, контейнеров и т. п., содержащих дисперсные материалы. Схема такого устройства показана на рисунке 13.

Широкое применение ППМ находят для аэрации жидких сред, обеспечивающей их перемешивание и насыщение газами. В этом случае газ подается через пористую стенку, находящуюся в непосредственном соприкосновении с жидкостью. Газовые пузырьки, выходящие из стенки, mвступают в контакт с жидкостью и (благодаря развитой поверхности взаимодействия фаз газ – жидкость) интенсифицируют процесс газонасыщения. Использование для этих целей ППМ позволяет значительно сократить количество потребляемого воздуха, необходимого для насыщения воды кислородом, затрачиваемой электроэнергии, времени, необходимого для биохимического процесса.

Аэрация направлена на насыщение жидких сред кислородом воздуха, необходимого для обеспечения жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, обеспечивающих биологическую очистку хозяйственно-бытовых и промышленных стоков, микробиологический синтез биологически активных веществ, необходимых, например, при производстве ферментов, в дальнейшем используемых в биохимических процессах расщепления молекул крахмала для производства спирта. Наиболее широкое распространение на практике получили пневматические методы аэрации, основанные на дроблении потока газа на мелкие пузырьки при помощи помещаемых в обрабатываемую жидкость пористых аэраторов. Пористые аэраторы различных конструкций изготавливаются из различных проницаемых материалов в виде перфорированных или пористых листов и труб, из тканей, полимерных и керамических материалов.

Рисунок 14. Чертеж дискового аэратора: 1 — корпус; 2 — пористый диск; 3 — штуцер

Однако, ППМ по показателям коррозионной стойкости, длительной прочности, регенерируемости и эффективности применения превосходят другие виды материалов. Аэраторы из ППМ выпускаются преимущественно двух видов: трубчатые и дисковые. Их изготавливают из порошков титана, коррозионно-стойкой стали и бронзы. Схема дискового аэратора представлена на рисунке 14.

Фильтрующие ППМ применяются для защиты объектов от теплового воздействия путем пропускания через них охладителя (газа или жидкости) на защищаемую поверхность и создания на ней зоны с пониженной температурой. Такое охлаждение получило развитие в авиационной, космической и ядерной технике (например, для защиты камер сгорания и стенок реактивных двигателей, космических аппаратов, возвращающихся на Землю, стенок МГД-генераторов, электродуговых нагревателей газов и др.).

Рисунок 15. Конструктивные варианты охлаждения с помощью ППМ в технологии получения синтетических волокон с трубчатым (а) и пластинчатым элементами (б): 1 — пористый элемент; 2 — нити; 3 — катушка

Перспективными для этой цели являются псевдосплавы W–Cu, Мо–Cu. Каркас из тугоплавкого компонента позволяет сохранять требуемые прочностные свойства при высоких температурах. Медь улучшает пластичность и обрабатываемость материала и повышает его теплопроводность. Подобным способом осуществляется охлаждение свежесформованных синтетических нитей в химической промышленности (рисунок 15).

На практике используется и нагрев с помощью ППМ (например, для борьбы с обледенением самолетов). В этом случае подогретый воздух подается через пористые пластины, расположенные на передних кромках крыльев или хвостового оперения самолета.

В химической, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности широко применяются процессы контактирования газа с твердыми дисперсными материалами в кипящем или псевдоожиженном слое. Кипящий слой (КС) образуется при прохождении газового потока между частицами катализатора со скоростью, достаточной для перевода их во взвешенное состояние и создания интенсивного турбулентного движения, напоминающего кипение жидкости. Равномерность выхода газа по поверхности ППМ дает возможность осуществить этот процесс. Процессы в КС используются также для газификации и сжигания мелкодисперсного топлива, каталитического крекинга нефти, в ряде производств органического синтеза (получение спирта, каучука и хлористого винила).

Принцип создания подъемной силы выходящими из ППМ потоками жидкости или газа используется в аэроили гидростатических подшипниках, где отсутствует соприкосновение поверхностей.

Рисунок 16. Схема работы подшипника на воздушной подушке

На рисунке 16 показана схема работы подшипника на воздушной подушке. Чистота воздуха, создающего воздушную подушку, обеспечивается четырьмя фильтрами из коррозионно-стойкой стали ПPX18h20. Такие подшипники применяются в вычислительных устройствах и приборах.

ППМ успешно применяются в смесителях для получения газожидкостных смесей (рисунок 17). Такие смесители используются в жидкостных ракетных двигателях для насыщения компонентов топлива газами перед впрыском их в камеру сгорания.

Широкое применение находят фильтрующие ППМ, работающие в явно выраженном нестационарном режиме фильтрации — в огнепреградителях и активных глушителях шума.

Рисунок 17. Схема смесителя: 1 — корпус; 2 — пористый элемент

Огнепреградители применяются для локализации распространения ацетилено-кислородного и водородно-кислородного пламени в автогенной технике, в газоанализаторах, детонационных установках при нанесении защитных покрытий, при изготовлении электрооборудования во взрывозащитном исполнении. Огнепреградители изготавливают из порошков титана, коррозионно-стойкой стали, никеля и бронзы в виде труб, стаканов и дисков. Как правило, их устанавливают на выходе из баллонных и рамповых редукторов, а также на входе в газовые горелки. На рисунке 18 приведена схема затвора ЗСС-2-60.

Рисунок 18. Схема затвора ЗCC-2-60: 1 — накидная гайка; 2 — обратный клапан; 3 — уплотнение; 4 — крышка; 5 — прокладка; 6 — ниппель; 7 — корпус; 8 — диск для отражения ударной волны; 9 — пористый диск; 10 —кольцо; 11 — гайка; 12 — прижим; 13 —пружина; 14 — золотник; 15 — уплотнение

Рисунок 19. Схема пневмораспределителя: 1 — глушитель; 2 — корпус

Наибольшее распространение получили глушители, изготовленные из различных порошков бронзы. Глушители представляют собой полый усеченный конус или комбинацию усеченных конусов трех конструктивных типоразмеров с шестью фракционными размерами частиц пористого металла в пределах от 0,1 до 0,8 мм. Благодаря наличию многочисленных малых каналов в теле пористого глушителя поток воздуха разбивается на множество мелких струй, что предотвращает рождение крупных вихрей, которые являются причиной интенсивного высокочастотного шума. Мелкие вихри порождают звуки более низких уровней на более низких частотах. При сбросе сжатого воздуха из пневмосистем уровень излучаемого шума зависит от газодинамических параметров протекающего через клапан потока, а, следовательно, от гидравлического сопротивления клапана.

Применяются также глушители из порошковой меди, никеля, коррозионно-стойкой стали. Такие глушители эффективно используются в конструкциях различных пневматических сверлильных устройств и гайковертов, для снижения шума выхлопа пневмоклапанов в электросварочных машинах и позволяют снизить уровень шума на 5–25 дБ. Известно применение глушителей шума для пневматических распределителей для систем выхлопа с периодическим сбросом сжатых газов в атмосферу (рисунок 19).

На рисунке 20 приведена схема установки глушителей из ППМ в корпусе гайковерта.

Рисунок 20. Внешний вид гайковерта (а): 1 — глушитель; 2 — корпус; схема установки глушителя в корпус гайковерта (б): 1 — корпус; 2, 4 — входные и выходные отверстия соответственно; 3 — пористые пластины

Капиллярно-пористые ППМ

Рисунок 21. Схема тепловой трубы: 1 — испаритель; 2 — капиллярная структура; 3 — корпус; 4 — конденсатор

Сфера применения капиллярно-пористых ППМ в современной технике расширяется в связи с интенсификацией процессов тепло- и массообмена в различных машинах и аппаратах.

Одним из наиболее эффективных способов охлаждения (нагрева) является осуществление испарительно-конденсационного цикла внутри замкнутого пространства, реализуемого в тепловых трубах (рисунок 21).

Такая труба состоит из  замкнутого герметичного корпуса, из которого удален неконденсирующийся газ. На внутренней поверхности корпуса расположена капиллярно-пористая структура, насыщенная жидким теплоносителем. Тепловая труба работает следующим образом.

Подводимая теплота передается за счет теплопроводимости стенки капиллярно-пористой структуре, через которую посредством теплопроводности или конвекции — к поверхности раздела жидкость – пар, где происходит процесс испарения. Пар переходит в охлаждаемую часть трубы, где за счет переохлаждения происходит его конденсация на поверхности раздела. Образовавшийся конденсат под действием капиллярных сил возвращается по капиллярно-пористой структуре в зону испарения. Вследствие того, что в такой системе происходит передача скрытой теплоты парообразования, тепловые трубы могут передавать большие тепловые потоки, причем из-за малых градиентов давления пара температурные перепады между испарителем и конденсатором невелики. Эффективная теплопроводность тепловой трубы на несколько порядков выше аналогичного параметра одного из лучших проводников теплоты — серебра. Наряду с высокой эффективностью теплопередачи тепловые трубы обладают также и другими преимуществами: отсутствует необходимость в механических элементах и дополнительной энергии, высокая надежность и экономичность при относительной простоте изготовления и эксплуатации. Удачное сочетание этих свойств позволило тепловым трубам занять в настоящее время лидирующее положение в теплотехнике.

Параметры теплопередачи и свойства тепловых труб во многом определяются используемой капиллярно-пористой структурой ППМ. Преимуществом создания капиллярно-пористых структур из ППМ (КППМ) по сравнению со структурами из сеток, войлока, системы продольных капиллярных канавок является возможность получения ППМ с заданным парораспределением, обеспечивающим требуемые капиллярные свойства. Для уменьшения термического сопротивления тепловой трубы капиллярно-пористую структуру выполняют из порошка (например, меди), обладающего высокой теплопроводностью.

Теплоотводы на основе тепловых труб применяются для охлаждения силовых полупроводниковых приборов таблеточного исполнения в серийно выпускаемых агрегатах бесперебойного питания, поставляемых на атомные электростанции, устройствах питания приводов, применяемых на горно-обогатительных комбинатах, в установках питания электроцепей и др. При этом уменьшаются габаритные размеры охлаждающего устройства на 15 % и его масса на 30 %. При одинаковой тепловой нагрузке охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов упрощается конструкция преобразующих устройств и снижаются расходы на их изготовление.

Рисунок 22. Схема теплообменника типа воздух – воздух

Известно применение тепловых труб в качестве элементов теплообменника типа воздух– воздух для охлаждения высоковольтных силовых шкафов. Теплообменник, который крепится к задней стенке силового шкафа (рисунок 22), состоит из трубной доски с 39-ю тепловыми трубами, расположенными в шахматном порядке в 13 рядов, горячего B и холодного A контуров, герметично закрытых крышкой кожуха.

Работает теплообменник следующим образом. Горячий воздух с температурой ã из шкафа подается в контур B, проходя через t который он остывает до температуры t и снова попадает в шкаф. Холодный воздух из окружающей среды с температурой t подается в контур А, проходя через который отбирает теплоту от тепловых труб и выбрасывается в окружающую среду. При этом среднеобъемный перегрев в шкафу в зависимости от отводимой мощности уменьшается на 15–28 % по сравнению с применяемыми пластинчатыми теплообменниками.

Применение плоских тепловых труб является перспективным для охлаждения и термостабилизации модулей электронной аппаратуры. Максимальная передаваемая мощность при горизонтальном положении, плоских тепловых труб из коррозионно-стойкой стали составляет 18 Вт, а из меди — 28 Вт. Термическое сопротивление при максимальной передаваемой мощности аналогичных труб составляет 1,0 и 0,3 °С/Вт соответственно.

Экономия энергии за счет более эффективного использования вторичного сырья в последние годы приобретает все большее значение. Тепловые трубы находят применение для утилизации теплоты дымовых газов зерносушилок и теплогенераторов. Теплообменник размером 400×1500×2 000 мм, содержащий 200 тепловых труб длиной 2 000 мм, позволяет утилизировать теплоту агента сушки рециркуляционных зерносушилок мощностью 50 кВт, предназначенных для сушки зерна, масла, семян и др. сыпучих материалов в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Теплообменник позволяет утилизировать выбрасываемый в атмосферу через выхлопные окна осадочных камер и циклонов отработанный теплоноситель, имеющий достаточно большое теплосодержание (50–70 °С) вследствие его высокой влажности. При этом достигается снижение расхода топлива на 25,6 %, а влагосодержания отработанного агента сушки — в 2–3 раза.

При утилизации теплоты дымовых газов бытовых отопительных котлов с помощью теплообменника из 18 тепловых труб длиной 360 мм достигнута экономия топлива более 10 %.

Рисунок 23. Схема охлаждения ротора электродвигателя

Тепловые трубы также применяются в электрических машинах для охлаждения роторов и статоров двигателей (рисунок 23), генераторов, а также обмоток трансформаторов; в сварочной технике — для охлаждения электродов, высоковольтных выключателей большой мощности, для охлаждения форм для литья пластмасс, при штамповке стеклянной и пластмассовой посуды, отливке алюминиевых деталей.

Рисунок 24. Схема устройства для переливания низко-температурных жидкостей

ППМ применяются в устройствах для переливания низкотемпературных жидкостей. На рисунке 24 представлена схема такого устройства, которое состоит из сосуда 7, покрытого тепловой изоляцией 8 с фланцем 2 в верхней части, трубопровода 3, введенного в сосуд под уровень хладагента 6, электронагревателя 4, пористого покрытия 5 на основе ППМ на трубопроводе 3, источника электрического тока 1. Под действием капиллярных сил жидкий хладагент (например, жидкий азот), двигаясь по ППМ, достигает электронагревателя, расположенного над уровнем хладагента. При подключении источника питания к электродвигателю хладагент начинает испаряться, давление в поровом пространстве повышается. При достижении заданного давления паров жидкий хладагент вытесняется по трубопроводу к потребителю. Данный принцип используется в устройствах подачи жидкости в ионных двигателях, работающих в условиях невесомости, в формах для формования керамических изделий (вместо традиционно применяемых гипсовых), производства изделий из стекла выдувным методом.

Одним из наиболее эффективных способов охлаждения высокотемпературных узлов и механизмов является испарительное охлаждение. Оно предполагает подачу жидкости в зону охлаждения под действием капиллярных сил. Доказано, что охлаждение испарением более эффективно, чем конвективное или пленочное охлаждение в равнозначных системах. Испарительное охлаждение в пористых теплообменниках является надежным средством теплового регулирования элементов топливных систем двигателей, предотвращающим перегрев топливных баков. При этом в качестве испаряющейся жидкости может использоваться как специальная жидкость, так и криогенное топливо.

Применение ППМ в качестве испарителей в карбюраторах двигателей внутреннего сгорания способствует интенсификации испарения топлива, лучшей гомогенизации его смеси с воздухом. В результате этого достигается экономия топлива (8–14 %), сохраняются динамические качества автомобилей, на 30–50 % снижается содержание оксида углерода в выхлопных газах.

Пористые испарители выгодно отличаются от других конструкций теплообменных аппаратов тем, что не имеют подвижных частей, обладают высокой производительностью, долговечностью, имеют небольшую массу, легко восстанавливаются после длительной эксплуатации.

Общий принцип действия испарителей, используемых, например, для охлаждения потока горячего газа (рисунок 25), состоит в следующем. Нижняя часть пористых пластин, расположенных вертикально, опущена в резервуар с испаряющейся жидкостью, а верхняя их часть омывается потоком горячего газа. Уровень жидкости в резервуаре поддерживается автоматически. Принцип испарительного охлаждения используется в устройствах (рисунок 26), предназначенных для перевода жидкости в парообразное состояние.

Рисунок 25. Испаритель для охлаждения потока горячего газа: 1 — пар; 2 — пористая пластина; 3— жидкость; 4 — корпус

Дистиллированная вода

Рисунок 26. Устройство для получения паров жидкости: 1 — электронагреватель; 2 — медный блок; 3 — ППМ

Способность ППМ впитывать в поровые каналы жидкость и длительно удерживать ее за счет действия капиллярных сил используется при изготовлении пористых самосмазывающихся подшипников, которые удерживают столько смазочного материала, что его иногда достаточно для многолетней нормальной эксплуатации. Аналогичный принцип используется в производстве ювелирных изделий из пористых материалов, пропитанных парфюмерными жидкостями и способных длительное время сохранять приятный запах. Из капиллярно-пористых материалов изготавливают паяльники для пайки и демонтажа радиоэлектронной аппаратуры.

ППМ со специальными свойствами

ППМ широко применяются в прикладной химии в качестве пористых электродов, химических источников тока. Примером могут служить пористые электроды никелькадмиевых аккумуляторов, никелевые пористые пластины для создания щелочных батарей. Большой интерес представляет использование пористых электродов в электрохимических генераторах (топливных элементов) при преобразовании химической энергии топлива непосредственно в электрическую.

Рисунок 27. Схема эндопротеза коленного сустава

Пористые материалы находят применение в медицине. Они используются в качестве хирургического материала для замены костной ткани. Как правило, эти элементы с размерами пор 10–500 мкм изготавливают из порошков титана или коррозионно-стойкой стали. Наличие разветвленной сети поровых каналов в таких ППМ способствует проникновению в поры костной ткани и их вживлению в организм человека. На mрисунке 27 представлена схема эндопротеза коленного сустава.

Одним из наиболее перспективных способов зубного протезирования является в настоящее время использование зубных имплантатов, вживляемых в костную ткань челюсти. Для их фиксации и крепления необходимо применение материалов, обеспечивающих хорошую биологическую совместимость с клетками живой ткани и высокую коррозионную стойкость.

Учитывая, что зубные имплантаты испытывают в процессе жевания большие осевые и изгибающие нагрузки, необходимо при небольших геометрических размерах обеспечить большую площадь опорной поверхности в костной ткани путем придания им поверхности сложной формы.

В настоящее время используют различные конструкции зубных имплантатов из полимеров, керамики и металлов, обработанные механическим путем. Однако все эти конструкции обладают следующими недостатками: большой амплитудой подвижности (0,18–0,2 мм); большим сроком вживляемости (>3 мес.); низкой выносливостью к жевательному усилию (350–370 Н).

Добиться улучшения этих характеристик возможно путем применения ППМ в качестве зубных имплантатов. Учитывая, что костная ткань прорастает в пористый слой, необходимо, чтобы его толщина составляла 0,5–1,5 мм, пористость — >30 %, диаметр пор — >100 мкм. Кроме того, поры должны быть открытыми и сообщаться друг с другом. Всеми этими качествами обладает ППМ из сферических порошков титанового сплава ВТ1-00, полученных методом распыления вращающегося электрода. Имплантаты (рисунок 28) из этих порошков имеют высокую механическую прочность, коррозионную стойкость и биологическую совместимость с живой костной тканью, а сферическая форма частиц обеспечивает высокую проницаемость материалов и исключает травмирование живых тканей.

Рисунок 28. Зубные имплантаты из титанового порошка

ППМ из порошков алюминия, ниобия и тантала используются в качестве анодов объемно-пористых электрических конденсаторов.

Существует ряд приборов и устройств, периодически работающих под водой или под воздействием водяных струй. При их эксплуатации выделяются газы, накопление которых может привести до недопустимого повышения давления в корпусе сооружения, вплоть до его деформации и разрушения. Предотвратить попадание воды в работающие приборы и одновременно обеспечить отвод накопленных газов можно с использованием пористых полупроницаемых мембран, которые не пропускают воду до определенного давления и вместе с тем обеспечивают достаточную газопроницаемость.

ППМ из порошков коррозионно-стойкой стали, обработанные раствором смеси парафина и стеарина, могут использоваться для изготовления полупроницаемых мембран, сочетающих водонепроницаемость до перепада давления 22 кПа и коэффициент проницаемости 0,2·10^-12 м².

Такие материалы могут найти применение в лампах для уличного освещения с повышенной водо- и пылезащитой, для очистки газов от влаги и т.п.

В ряде технологий, называемых чистыми (производство интегральных схем, физико-химическая поверхностная обработка металлов, химико-фармацевтическая и др.), требуют применения в качестве защитной среды водорода с содержанием кислорода ≤4– 10 % (объемн.). Такие сверхчистые газы можно получить с использованием двухслойных мембран, состоящих из проницаемой медной основы и нанесенного плотного слоя палладия. Однако в ряде технологий (например, при производстве интегральных схем, выращивании кристаллов и т. д.) присутствие микрочастиц меди и даже ее ионов нежелательно. В этом случае в качестве подложки используют ППМ из порошков коррозионно-стойкой стали, на которую наносят и припекают слой смеси порошков палладия и 15 % (по массе) Co. Такие двухслойные мембраны успешно используют для диффузионно-каталитической очистки водорода от кислорода, при этом остаточное содержание кислорода отвечает требованиям сверхчистых технологий.

ППМ в виду развитой поверхности и возможности получения материала с большим количеством несовершенств в кристаллической структуре находят все более широкое применение при реализации каталитических процессов (например, получении азотноводородной смеси каталитическим разложением аммиака). Из порошка железа с промотирующими и структурообразующими добавками порошков меди, алюминия, а также бикарбонатов натрия и калия получены катализаторы с высокой каталитической активностью, обеспечивающей 99,8 % разложения аммиака при снижении рабочей температуры диссоциатора с 900 до 700 °С. На базе созданного катализатора разработаны конструкции типового ряда диссоциаторов с производительностью от 2 до 40 м³/г.

3. Фрикционные материалы

В настоящее время большинство машин и механизмов оснащено фрикционными устройствами того или иного назначения. Движение машины, ее остановка и маневрирование, изменение режима эксплуатации механизма и его управление невозможны без применения фрикционных тормозных либо передаточных устройств, работа которых во многом определяет их технические характеристики.

В связи с жесткими условиями работы тормозных устройств современных машин фрикционные материалы должны иметь:

• высокую фрикционную теплостойкость, т. е. сохранение устойчивого значения коэффициента трения и низкого износа деталей в широком диапазоне температур;
• достаточную стойкость против истирания. Уровень требуемой износостойкости устанавливается в зависимости от условий эксплуатации и находится в пределах от 0,01–0,02 до 0,10–0,15 мкм за рабочий цикл;
• достаточную коррозионную стойкость и способность не корродировать с сопряженными деталями.

Кроме того, элементы фрикционной пары не должны схватываться (свариваться) как в процессе, так и после торможения. Для таких материалов весьма существенным является полное использование трущихся поверхностей, т. е. получение максимально возможной контактной поверхности. При этом видимая площадь трения должна составлять не менее 80 % номинальной, а поверхности трения должны быть гладкими, без задиров. Фрикционный материал не должен содержать дефицитных и дорогостоящих компонентов. Он должен удовлетворительно обрабатываться на всех видах станочного оборудования, причем технология его изготовления должна быть приемлемой и технически осуществимой в условиях массового производства.

Особые требования предъявляются к фрикционным материалам также и в отношении физико-механических свойств. Они должны обладать высокой механической прочностью при рабочих температурах. В процессе эксплуатации не должно происходить скалывания и расслоения, образования глубоких трещин и выкрашивания компонентов материала, которые могут нарушить нормальную работу узла.

Из всех известных в настоящее время материалов наиболее полно всем этим требованиям отвечают порошковые фрикционные материалы, которые состоят из металлических и неметаллических компонентов. Металлические компоненты придают материалу прочность, неметаллические — повышают коэффициент трения и уменьшают склонность к заеданию. Благодаря этому материалы могут работать при высоких нагрузках и скоростях проскальзывания и характеризуются более высокой износостойкостью.

Применение порошковых материалов во фрикционных узлах обеспечивает плавность их включения, стабильность коэффициента трения и повышенную долговечность.

В настоящее время примерно 75 % выпускаемых фрикционных деталей работают в масле. Наличие масляной среды дает возможность применять высокие скорости и давления, обеспечивает большую стабильность коэффициента трения и способствует охлаждению рабочих поверхностей, что, в свою очередь, повышает надежность работы и увеличивает срок службы фрикционных узлов. Основные фрикционные изделия, работающие в условиях жидкостного трения, изготавливают из порошковых сплавов на медной основе. Среди указанных материалов наиболее распространенным является материал марки МК-5, имеющий следующий состав: 4 % Fe; 9 % Sn; 8 % Pb; 7 % графита; 72 % Сu. Высокие износостойкость и коррозионная стойкость, отсутствие выкрашивающихся частиц, загрязняющих масло, — основные преимущества этого материала. Однако наряду с достоинствами материалы на медной основе имеют и недостатки: относительно невысокий коэффициент трения —0,04–0,6; наличие дорогостоящих и дефицитных компонентов (олово, медь); ограниченное применение в узлах, работающих в условиях граничного трения и трения без смазки.

Коэффициент трения может быть повышен введением абразива, однако наличие абразива в порошковой композиции приводит к выкрашиванию его в процессе работы и загрязнению масляной ванны и, как следствие этого, к снижению износостойкости фрикционного материала. Материалы, изготавливаемые в различных странах, отличаются главным образом типом и содержанием фрикционных добавок.

Для работы в масле применяют разнообразные порошковые фрикционные материалы, в которых в качестве металлической связки используют медь, легированную в основном оловом или алюминием.

Для работы в тяжелых условиях эксплуатации (трение без смазки) применяют порошковые фрикционные материалы на железной основе. Эти материалы характеризуются более высокими фрикционными и механическими свойствами по сравнению с материалами на основе меди. Более высокие прочность и температура плавления железа обеспечивают возможность работы материалов в условиях трения без смазки, при которых температуры на поверхности трения повышаются до 900–1 000 °С. Это является главным при выборе материалов для работы в условиях сухого трения.

В настоящее время известно достаточно большое количество различных марок фрикционных материалов данного класса. Однако наибольшее применение получили четыре материала: ФМК-11, ФМК-8, МКВ-50А и СМК-80. Прочность материала ФМК-11 (64 % Fe; 15 % Сu; 9 % графита; 6 % Ba₂SО₄; 3 % SiО₂; 3 % асбеста) примерно в 2 раза выше прочности фрикционного материала на бронзовой основе. Основное преимущество материала ФМК-11 в том, что он может работать при высоких температурах и в широком диапазоне нагрузок и скоростей. Материал марки ФМК-8 (45 % Fe; 25 % Ni; 10 % Cr; 6 % W; 7 % графита и 7 % Cu₂S) благодаря наличию легирующих компонентов имеет высокую износостойкость при температурах трения до 500–600 °С. Фрикционный материал МКВ-50 А (64 % Fe; 10 % Сu; 8 % графита; 5 % FeSО₄; 5 % В₄С; 5 % SiC и 3 % асбеста) имеет высокие эксплуатационные характеристики в условиях работы тяжелонагруженных тормозов. Также для тяжелых условий работы разработаны материалы (46,5 % Fe; 25 % Сu; 10 % В₄С; 3,5 % SiC; 6,5 % Мn и 25 % BN), имеющие высокую стабильность коэффициента трения и малую величину износа в широком диапазоне давлений и скоростей.

В промышленности применяются и другие составы порошковых материалов на основе железа, содержащие минимальное количество абразива. Свойства порошковых материалов зависят от процентного содержания компонентов, входящих в их состав. Например, материал, содержащий 73,8 % бронзы, 10 % железа, 9,7 % кремнезема, 3 % карборунда и 3,5 % графита, имеет коэффициент трения 0,17 и износ 0,025 мм, а материал состава 75 % бронзы, 10 % железа, 12 % кремнезема, 3 % карборунда при испытаниях в идентичных условиях — коэффициент трения от 0,16 до 0,25, а износ — в 1,5 раза больше.

Основные области применения порошковых фрикционных изделий можно классифицировать следующим образом. Передаточные устройства, работающие всухую: слабонагруженные (тракторы, станки и др.), средненагруженные (чеканочные и штамповочные прессы, промышленный транспорт), тормоза для работы без смазки, тяжелонагруженные (самолеты); сцепления, работающие со смазкой: средненагруженные (автоматические трансмиссии, станки, управления тракторов) и тяжелонагруженные (силовые трансмиссии в тракторах).

В гидротрансмиссиях автомобилей Белорусского и Могилевского автомобильных заводов применяют порошковые фрикционные диски с накладками из материала на основе меди. Максимальные давления в этих узлах достигают 10 МПа, а максимальная скорость — 60 м/с. Безотказная работа гидротрансмиссий в основном обеспечивается применением порошковых изделий.

В колесных тормозах автогрейдера применение порошковых фрикционных дисков позволило увеличить срок службы тормозов в 10 раз.

Новые фрикционные материалы на основе порошковых материалов внедрены на Минском тракторном заводе при изготовлении тормозов и предохранительных муфт тракторов «Беларус». Срок службы узлов при этом увеличился до 8–10 тыс. часов.

4. Электротехнические материалы

Порошковые материалы находят все более широкое применение в электротехнике, электромашиностроении, аппаратостроении, автоматике и телемеханике, радиотехнике, радиоэлектронике и других отраслях промышленности. На их основе изготавливают различные детали со специальными свойствами.

Материалы для электротехнических контактов

В электротехнической промышленности широко применяют различные типы разрывных и скользящих контактов. Несмотря на имеющееся в настоящее время большое количество разработанных материалов для электрических контактов различного назначения, проблема создания высоконадежных электрических контактов еще не решена полностью. Требования, предъявляемые к материалу контактов, непрерывно возрастают и изменяются. Материалы должны быть термически, химически и механически стойкими, иметь малое электросопротивление, в том числе и контактное, обладать высокими теплопроводностью и эрозионной стойкостью при воздействии электрической дуги, сопротивляемостью свариваемости при замыкании и размыкании контактов.

Технологические приемы производства электрических контактов методом порошковой металлургии весьма разнообразны. Они обеспечивают возможность получения изделий не только требуемого химического состава, но и с заданной структурой, определяющей оптимальное сочетание свойств. Схема их производства заключается в приготовлении смесей порошков металлов с легирующими добавками в нужных пропорциях, прессовании заготовок, а затем высокотемпературном спекании их в восстановительной или окислительной среде или в вакууме.

Разрывные электроконтакты

Разрывные электроконтакты используются для замыкания электроцепей в высоко- и низковольтных, в том числе и слаботочных электрокоммутирующих аппаратах и приборах. Наиболее приемлемыми для них являются материалы: вольфрам, молибден, тантал и рений. Их свойства удовлетворяют требованиям, предъявляемым к контактным материалам: высокая температура плавления, повышенные прочностные характеристики, требуемые значения критических сил тока и напряжения, электроэрозионная стойкость, сопротивление свариваемости. Их оксиды летучи и электропроводны. Однако эти металлы обладают малой электро- и теплопроводностью, высоким контактным сопротивлением. Перечисленных недостатков лишены серебро, медь, золото, платина и другие металлы платиновой группы. Они имеют высокие электро- и теплопроводность, коррозионную стойкость, низкое контактное сопротивление. Эти металлы широко используются в промышленности как контактные материалы, хотя являются остродефицитными и дорогостоящими. Поэтому все чаще в качестве материалов разрывных контактов применяются композиционные материалы.

По составу разрывные контакты делят на:

1. металлические одно- (Ag, W, Mo, Au, Pt и др.), двух- (Ag–Ni, Ag–Mo, Ag–W, Cu–W, Cu–Mo, Au–W, Au–Mo, Fe–Cu и др.), трех- и более компонентные (Ag–Ni–Cd; Ag–Ni–Cu; W–Cu–Ni; W–Ag–Ni; Fe–Cu–Bi; Ag–Pd–Au; Ag–Pd–Ni; Ag–Ni–Cd–Те);
2. металлографитовые (Ag–С; Сu–С);
3. металлооксидные (Ag–CdO; Ag–CuO; Ag–ZnO; Ag–ZrО₂; Ag–Ta₂О₅; Ag–HfО₂; Ag–Cr₂O₃; Ag–CdO–Al₂O₃; Ag–Ni–CdO; Ag–Cu–CdO и др.);
4. металлокарбидные, металлоборидные или металлонитридные (Ag–WC; W–WC; Cu–Ni–WC; Me–TiC; TiB₂; TiN или Me– ZrB₂, ZrN и др.).

В таблице 5 приведены сведения о составах и свойствах выпускаемых контактных материалов.

Изготовление контактов из материалов каркасного строения осуществляют методом капиллярной инфильтрации пористого каркаса из тугоплавкого компонента легкоплавкой составляющей. Для уменьшения величины краевого угла смачивания и улучшения качества инфильтрации к порошку тугоплавкого металла перед прессованием добавляют некоторое количество инфильтруемого или другого легкоплавкого металла. Температура инфильтрации на 110–150° превышает температуру плавления более легкоплавкого материала. При проведении инфильтрации по методу наложения спеченный пористый каркас из тугоплавкого компонента вместе с помещенным на нем твердым инфильтруемым материалом, количество которого рассчитывают исходя из объема пор в каркасе, загружают в печь с защитной атмосферой и соответствующей температурой.

Таблица 5 – Контакты для тяжелонагруженных высоко-и низковольтных электрокоммутирующих аппаратов

Материал контактов (марка)	Состав	Физические свойства
		γ, г/см3	твердость НB, МПа	ρ, мкОм·м (не более)
КМК-Б20	W–Cu–Ni	12,1	1 200–1 500	0,070
КМК-Б21	W–Cu–Ni	14,0	1 800–2 100	0,08
КМК-Б22	W–Cu–Ni	15,5	2 400	0,100
КМК-Б23	WС–Сu–Ni	8,0	5 300	0,104
КМК-А60	W–Ag–Ni	13,5	1 000–1 400	0,041
KMК-A61	W–Ag–Ni	15,0	1 700–2 100	0,045
КМК-ЖМ	70 % Fe + 30 % Cu	7,8	1 200	0,015

При инфильтрации методом погружения пористый каркас вводят в предварительно расплавленный легкоплавкий компонент или создают расплав вокруг пористого каркаса при нагреве. Полученный материал практически не содержит пор, легко подвергается деформации.

Повышение механических свойств достигают тем, что каркас под инфильтрацию готовят не из специального порошка, а из волокон или нитей тугоплавкого металла. При этом повышается не только прочность, но и эрозионная стойкость, что приводит к возрастанию износостойкости контактов.

Скользящие электроконтакты

Скользящие электроконтакты представляют собой пару трения, в которой наряду с низким контактным сопротивлением должен обеспечиваться и низкий коэффициент трения. При этом контактная пара не может состоять из однотипных материалов, т. к. в этом случае возможно схватывание трущихся поверхностей в условиях эксплуатации. Твердость материалов, составляющих контактную пару, должна быть различной. Желательно, чтобы материал токонесущего элемента был более твердым, чем подвижный контакт. Для улучшения антифрикционности и обеспечения соотношения твердостей в состав материала вводят твердые смазки (дисульфид молибдена, сульфид цинка, фтористый кальций, графит, селениды некоторых редких металлов и др.) или легкоплавкие металлы (например, галлий), которые становятся жидкими при работе контактной пары. Участки твердых смазок выполняют антифрикционные функции, а металлическая основа обеспечивает электрическую связь.

Скользящие контакты применяют в виде пластин, стержней, цилиндров, проволочек и т.п. В качестве основы материала скользящего контакта используют чаще всего медь или серебро.

Наиболее распространенным является метод, связанный с прессованием и спеканием шихты из порошка меди с различными углеродсодержащими материалами. Многие металлографитовые щетки изготавливают из смесей порошков меди и природного графита. Однако большая часть щеток содержит (кроме графита) и другие углеродистые составляющие, которые вводят для повышения характеристик прочности, улучшения износостойкости и снижения контактного сопротивления. Такими добавками являются пек, сажа или коксовая мелочь, резина.

При изготовлении меднографитовых скользящих контактов, которые широко применяются для электрощеток, необходимо создать медный каркас, придающий материалу максимальную электропроводность. Эту задачу решают несколькими способами. Например, в пористый графит инфильтрацией вводят расплавленную медь, что экономически выгодно при содержании меди в композиции более 50 % (по массе). Пористый графит должен иметь сквозную пористость 20–35 % и быть прочным. Пропитку медью осуществляют под давлением.

Бронзографитовые контакты содержат 2–5 % графита и 70–80 % меди, остальное — олово, железо, никель. Их используют для изготовления коллекторных пластин, пантографов для двигателей электропоездов. Улучшение свойств меднографитовых материалов может быть достигнуто применением графита, плакированного медью. Применение плакированного графита приводит к повышению твердости, временного сопротивления, электропроводности, снижению коэффициента трения.

Серебрянографитовые контакты содержат 2–50 % графита. Они работают в точных измерительных приборах либо в сухом состоянии, либо в масляной среде при скоростях до 0,33 м/с и нагрузке 0,05–0,02 МПа.

Скользящие контакты на основе порошкового материала легированного серебра готовят из смеси порошков соответствующих компонентов. В качестве антизадирных присадок используют MoS₂, WS, MoSe, WSe, ZnS, ReS и легирующие добавки Sn, Ni, Cd, Те, Со, Pd. Вводят также дополнительные оксиды: МnО, CdO. Контакты на основе серебра работают при значениях токов от микроампер до единиц ампер в различных климатических условиях.

Для скользящих электроконтактов разработан ряд материалов на основе железа и никеля. Для токоприемников троллейбусов, трамваев, электровозов применяют сплав, содержащий 32,0–83,0 % Fe и 0,2–17,0 % С, пропитанный композицией, содержащей капролактам, гексаметилендиамин, дипиновую кислоту и формиат меди. Контактные пластины токоприемников и пластины коллекторов изготавливают из сплавов на основе железа, содержащих 1–10 % Ni; 5–10 % Сu; 1–5 % Sn; 8–20 % Pb; 1–10 % BN или 0,1–5 % Ni; 0,5–5 % Сu; 22 % Pb; 0,1–5,0 % Mo; 0,1–5,0 % Cr. Спеченные заготовки пропитывают сплавом Sn + Pb или свинцом. В порошок железа для токосъемников высокоскоростного электротранспорта дополнительно вводят 0,5–5,0 % Ni; 0,1–0,2 % С; 0,5– 5,0 % Сu и после спекания пропитывают свинцом. Для подвода больших токов применяют композиции на основе шихты, содержащей (помимо порошка железа) 5–30 % С; 2–10 % Sn; 2–10 % Pb и до 30 % Ag.

Токосъемные пластины толщиной 7–8 мм, шириной 25–26 мм и длиной 100 мм на основе железа (40–80 % Fe; 20–30 % Сu; 5–8 % Рb; до 2 % BN) и меди (60–80 % Сu; 10–20 % Fe; 5–8 % Рb; 2–3 % С) получают прокаткой смеси порошков в валках с закрытым калибром и спеканием порошковой пористой заготовки при 1 000–1 100 °С (на основе железа) или 950–1 000 °С (на основе меди). После спекания пластины на основе железа пропитывают свинцом, а пластины на основе меди подвергают калибровке.

Магнитные материалы

Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы широко применяются в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике, приборостроении. Изготовление магнитомягких изделий литьем трудоемкое, потери материала составляют до 60–80 %. Расчеты показывают, что себестоимость магнитомягких спеченных деталей на 30–60 % ниже себестоимости тех же деталей, изготовленных путем обработки на металлорежущих станках из компактного материала.

Наиболее широко применяемыми в промышленности магнитомягкими материалами являются чистое железо, сплавы железа с никелем (типа пермаллоя), с кремнием и алюминием (типа альсифера), с хромом или алюминием и др. Порошок железа, применяемый как основа магнитомягких материалов, должен содержать углерода не более 0,07 %. В основном применяют карбонильный или электролитический порошок с размером частиц порядка 5–15 мкм.

Сплавы типа пермаллоя получают как из механической смеси порошков, так и из порошков, полученных путем совместного осаждения карбонилов железа и никеля. Эти смеси прессуют при давлении 500–800 МПа и спекают в атмосфере водорода при 1 200–1 250 °С в течение 1–1,5 ч.

Магнитотвердые материалы

Для изготовления постоянных магнитов многих электро- и радиоприборов применяются так называемые магнитотвердые сплавы, обладающие высокими значениями коэрцитивной силы и сравнительно большой остаточной магнитной индукцией.

Сравнительно недавно порошковая металлургия была одним из методов получения магнитотвердых материалов. За последние годы возникли новые классы этих материалов, которые могут быть получены только из порошков. К ним относятся магниты на основе сплавов кобальта с редкоземельными металлами, магниты на основе магнитотвердых ферритов, на основе высокодисперсных порошков железа и его сплава с кобальтом, магниты на основе сплавов марганца с висмутом и алюминием.

Широкое распространение получили сплавы на основе железа типа Fe–Ni–Al–Со с добавками различных элементов. Методом порошковой металлургии обычно изготавливают детали массой до 100 г.

Составы и свойства магнитотвердых материалов приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Свойства порошковых магнитотвердых материалов

Наименование материала	Марка	Химический состав шихты, %				Магнитные	свойства
		Ni	Аl	Со	Сu	Вr, Тл		В·Н, кДж/м3
Альни	ЮНД4	25,0	13,0	–	4,0	0,50–0,60		7–9
Альнико	ЮНКД3	24,0	13,0	3,0	4,0	0,52–0,62		8–10
Магнико	ЮНДК24Т1	15,0	8,0	24,0	3,0	0,95–1,00		21–24

Примечание. B_r — магнитная индукция; В·Н —магнитная энергия.

5. Порошковые конструкционные материалы

Наиболее распространенными видами порошковых изделий являются конструкционные детали, применяемые в машинах, механизмах и приборах. В зависимости от условий работы порошковые конструкционные детали подразделяют на ненагруженные, мало-, средне- и сильнонагруженные. Типовыми деталями из порошковых конструкционных материалов являются шестерни, кулачки, звездочки, зубчатые колеса, накладки, шайбы, колпачки, заглушки, храповики, накладные и специальные гайки, крышки, фланцы, седла и корпуса клапанов, статоры, диски и роторы насосов, муфты, кольца, ограничители, детали мерительных инструментов и другие детали сложной конфигурации, применяемые в различных отраслях машиностроения и приборостроения. Детали могут быть выпущены в виде готовых изделий или заготовок, которые требуют незначительного объема механической обработки.

Углеродистая сталь. Ненагруженные и малонагруженные конструкционные детали изготавливают из углеродистой стали. Существенное влияние на структуру и прочность углеродистой стали оказывает способ введения графита. Для получения перлитной или перлитно-ферритной структуры рекомендуется применять малозольные графиты с размерами частиц не более 100 мкм.

Углеродистая сталь, полученная из шихты, состоящей из 99,5 % железного порошка и 0,5 % карандашного графита, после прессования под давлением 700–800 МПа и спекания при 1050 °С 2 ч в эндогазе с добавкой 0,5–1 % природного газа и допрессовки при давлении 1 000 МПа с последующей закалкой в воду имеет: σ_в = 280–330 МПа, δ = 0,94–1,2 %, КС = 90–100 кДж/м². Большая однородность структуры и свойств достигнута при введении в железный порошок ПЖ2М2 20–30 % чугунного порошка с размером частиц менее 150 мкм состава: 3,2–3,4 С_общ; менее 0,5 % С_св; 0,4–0,5 % Мn; 1,4–1,8 % Sn; до 0,1 % Р и до 0,1 % S.

При изготовлении средненагруженных конструкционных деталей первое прессование и спекание проводят при давлении 500–600 МПа и температуре 680–700 °С в среде, осушенной до точки росы –30 °С в течение 1–2 ч; второе — при 800–900 МПа и температуре 1 200 °С с выдержкой 3 ч. Полученный материал ЖБЧ70 имеет свойства: γ = 7,1–7,2 г/см³; пористость — 7,5–9,5 %; содержание углерода — 0,35–0,48 %; σ_в = 380–403 МПа; δ = 1,4– 1,5 %; КС = 220–310 кДж/м².

Значительное повышение свойств порошковых сталей конструкционного назначения достигается при легировании железной основы медью, никелем, хромом, молибденом, вольфрамом и другими элементами.

Медистые стали. Медь — самый распространенный элемент, используемый для получения порошковых легированных сталей. Медь оказывает графитизирующее действие, уменьшает критическую скорость закалки и тем самым увеличивает прокаливаемость стали, улучшает прессуемость. Влияние ее на механические свойства стали проявляется более эффективно при низком содержании углерода. Введение графита в железомеди-стую композицию уменьшает рост прессовки при спекании. Присадка меди к железоуглеродистому сплаву уменьшает обезуглероживание. Существенное влияние на свойства сплава оказывает способ введения меди.

Стали, полученные с использованием омедненного графита, имеют более высокие свойства.

Кремнистые стали. Кремний — графитизирующий легирующий элемент. Его вводят в порошковые материалы на железной основе для получения графитизированных сталей. В процессе графитизации происходит выделение точечного и мелкопластинчатого графита, что благоприятно влияет на повышение триботехнических свойств сталей. Совместное легирование кремнием и медью, кремнием и хромом обеспечивает получение высоких триботехнических и механических свойств порошковых графитизированных сталей ЖГр1С2; ЖГр1С2Д2; ЖГр1С2Х10; ЖГр1,5С2; ЖГр1,5С2Д2; ЖГр1,5С2Х10, что позволяет рекомендовать их для изготовления деталей тяжелонагруженных узлов трения — втулок коробки перемены передач, деталей топливо-регулирующей аппаратуры и др.

Марганцовистые стали. Марганец — карбидообразующий элемент, с углеродом образует карбид Мn₃С, более устойчивый и прочный, чем карбид железа (цементит). При введении марганца в железоуглеродистые сплавы образуются карбиды типа (Fe, Mn)₃C, в которых часть атомов железа замещена атомами марганца. Такие порошковые материалы получают механическим смешиванием железного порошка и легирующих элементов, вводимых в чистом виде или в виде ферросплава, однократным прессованием при давлении 600 МПа и спеканием при температуре 1 280 °С; двукратным прессованием и спеканием. Методом динамического горячего прессования получена сталь Г13 с высокими механическими характеристиками (σ_в = 620 МПа, δ = 8 %) и износостойкостью.

Молибденовые стали. Молибден — карбидообразующий элемент, образует с углеродом устойчивые карбиды МоС и Мо₂С. В стали с 8–10 % Мо в основном присутствуют двойные железомолибденовые карбиды типа цементита — (Fe, Мо)₃С. Соотношение железа и молибдена в этих карбидах в зависимости от состава стали и режимов термической обработки может изменяться в широких пределах.

Введение молибдена в железографитовую композицию ЖГр1 приводит к повышению механических и триботехнических свойств — уменьшается коэффициент трения, повышается максимальная нагрузка до схватывания и износостойкость.

Хромистые стали. Хром применяется для легирования порошковых сталей с целью повышения их прочности, износостойкости и придания особых физико-химических свойств. Низкая пластичность хромистых сталей, полученных смешиванием порошков, связана с повышенной гетерогенностью структуры, которая может быть уменьшена использованием мелкодисперсных исходных порошков или применением методов диффузионного насыщения.

Хромистые порошковые стали широко используются как износостойкие материалы. Наибольшую износостойкость имеют стали, содержащие карбиды (Cr, Fe)₂₃C₆.

Xромомолибденовые стали. Стали ЖГр1Х2М2, ЖГр1Х5М5, ЖГр1Х5М10 и ЖГр1Х12М2 получают из поликомпонентных шихт на основе отожженного карбонильного железа после спекания и закалки. Для них характерна структурная неоднородность, которая повышается с увеличением легированности стали.

Сравнительные испытания износостойкости порошковой стали ЖГр1Х12М2 и компактной цементированной стали 20X3MBФ в паре с закаленной сталью Х12М, проведенные на машине трения МИ-1М по схеме ролик – цилиндр со сферической головкой, показали, что износостойкость стали ЖГр1Х12М2 значительно выше, чем компактной. При этом износ цилиндра, изготовленного из стали Х12М, также меньше в случае его работы в паре трения с порошковой сталью, что свидетельствует о более высоких триботехнических свойствах пары ЖГр1Х12М2 – Х12 по сравнению с парой трения 20Х3МВФ – Х12М.

Никелевые стали. В практике порошковой металлургии используют три вида никелевого порошка: электролитический, карбонильный и восстановленный (получаемый восстановлением из окислов никеля в водороде). Для легирования сталей, получаемых методом смешивания порошковых компонентов, предпочтительнее наиболее дисперсный и активный восстановленный никель. Сталь, легированная восстановленным никелем, имеет наиболее гомогенную структуру, низкую пористость, и, как следствие этого, высокие прочностные свойства, по величине близкие к свойствам компактной кованой стали аналогичного состава.

Коррозионно-стойкие стали. В настоящее время применяют три основных метода получения легированных порошков коррозионностойких сталей: распыление расплавов, гидридно-кальциевое восстановление оксидов и диффузионное насыщение из точечных источников.

В настоящее время освоено промышленное производство восстановленных порошков марок 12Х19Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н15, 14Х17Н2, порошков Х30 и низколегированной и марганцовистой сталей методом диффузионного насыщения, а также опытное производство распыленных порошков хромистых, хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей.

При решении вопроса о применении порошковой коррозионностойкой стали необходимо учитывать, в каких условиях работает деталь и возможный механизм коррозии (объемная, поверхностная, межкристаллитная, под действием нагрузок). При этом для некоторых видов коррозии, например, поверхностной, когда агрессивная среда не имеет возможности проникать в поры, стойкость порошковых сталей находится на уровне стойкости компактных.

Значительная часть деталей машин работает в условиях трения, поэтому для повышения триботехнических свойств порошковых коррозионно-стойких сталей применяются сульфидирование и сульфоборирование.

6. Порошковые инструментальные материалы

Твердые сплавы. Одним из важнейших и широко распространенных материалов, получаемых методом порошковой металлургии, является твердый сплав — гетерогенный керамико-металлический материал, характеризующийся комплексом высоких физико-механических свойств, особенно износостойкостью и высокой упругостью материала, и нашедший широкое применение в промышленности в качестве режущего инструмента. При получении твердых сплавов реализуются такие преимущества метода порошковой металлургии, как возможность получать композиционные материалы из компонентов с резко различной температурой плавления, возможность достижения уникального комплекса физико-механических свойств материала, а также применение безотходной технологии производства и повышение коэффициента использования металла.

Твердые сплавы (ТС) — керамико-металлические материалы, состоящие из карбидов тугоплавких металлов и пластичного связующего (металла или сплава) при содержании тугоплавкой фазы ≥50 % (объемн.). Современные ТС получают из высших карбидов тугоплавких металлов и металлов железной группы (железа, никеля, кобальта) спеканием в присутствии жидкой фазы.

Различают карбидовольфрамовые (WC–Со), титановольфрамовые (WC–TiC–Со), титанотанталовольфрамовые (WC–TiC–ТаС–Со) и безвольфрамовые твердые сплавы.

В стандартах вольфрамовые (вольфрамокобальтовые) сплавы обозначаются буквами ВК с прибавлением цифры, обозначающей содержание кобальта, например ВК6. Титановольфрамовые твердые сплавы обозначаются буквами ТК. Марки сплавов в пределах группы также характеризуют содержание компонентов. Например, марка Т15К6 обозначает титановольфрамовый сплав типа WC–TiC–Со, содержащий 15 % TiC, 6 % Со, остальное — WC. В обозначение титанотанталовольфрамовых сплавов входят три буквы: ТТК, в остальном обозначение аналогично обозначению титановольфрамовых сплавов, например, ТТ17К12. Перечень всех марок, выпускающихся в настоящее время, можно найти в ГОСТ 3882–74.

Большая часть имеющихся твердых сплавов предназначена для обработки резанием нескольких тысяч видов материалов, в том числе разнообразных чугунов, легированных, высоколегированных коррозионно-стойких, жаропрочных и специальных сталей и сплавов, цветных металлов и сплавов (латуни, бронз, алюминиевых, магниевых, титановых сплавов), неметаллических сплавов, неметаллических материалов (пластмассы, фарфора, древесины) и композиций металл–пластмасса и металл–керамика.

К материалам, используемым для обработки резанием, предъявляют ряд высоких требований. Комплекс основных характеристик, изучающихся у материалов данного класса, можно разделить на следующие группы (по степени важности): I группа — твердость, временное сопротивление при изгибе; II группа — модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения; III группа — окалиностойкость (напаиваемость), температура схватывания со сталью, плотность, теплопроводность.

При обработке резанием, особенно при обдирочных операциях, необходима твердость не менее 89 HRA и временное сопротивление при изгибе не ниже 1 000–1 100 МПа. Для твердых сплавов характерны также высокие значения модуля упругости и невысокие значения температурного коэффициента линейного расширения, что позволяет уменьшить чувствительность к ударным и тепловым нагрузкам, возникающим при эксплуатации. Кроме того, повышение окалиностойкости и уменьшение схватываемости со сталью повышают эксплуатационные характеристики, снижают износ инструмента.

Некоторые свойства карбидовольфрамовых (WC–Со), титановольфрамовых (WC–TiC–Со) и титанотанталовольфрамовые (WC– TiC–ТаС–Со) твердых сплавов приведены в таблице 7, а безвольфрамовых — в таблице 8.

Таблица 7 – Некоторые свойства сплавов WC–Со, WC–TiC–Со и WC–TiC–ТаС–Со

Марка	Состав, % (по массе)				Твердость HRA	σв, МПа	Е, ГПа
	WC	TiC	TaC	Co
ВК6	94	–	–	6	92	1 420	620
ВК10	90	–	–	10	90	1 600	560
Т5К7	88	5	–	7	90	1 300–1 600	550–590
Т15К6	79	15	–	6	92	800–1 000	420
ТТ4К10	85	4	1	10	89–90	1 700–1 900	450
ТТ5К9	80,5	5	5,5	9	90–91	1 700–2 000	560
ТТ12К8	62	12	18	8	91–92	1 200–1 400	630

Таблица 8 – Промышленные безвольфрамовые твердые сплавы

Марка твердого сплава	Тип карбида	Количество карбида	Ni, % (по массе)	Мо, % (по массе)	σв, МПа	γ, г/см3	Твердость HRA	α·10-6, К-1
ТМ1	(Ti, Nb) С	90	5,0	5,0	800	5,8	91,5	5,9
ТМ3	(Ti, Nb) С	64	21,0	15,0	1 200	5,9	89,0	–
ТН-20	TiC	79	16,0	5,0	1 000	5,5	89,5	7,1
ТН-30	TiC	69	24,0	7,0	1 100	5,8	88,5	8,2
ТН-40	TiC	61	80,0	9,0	1 150	6,0	87,0	–
КНТ-16	Ti (C, N)	74	19,5	6,5	1 100	5,8	89,0	8,9

Специальные марки твердых сплавов

За последние годы разработаны новые твердые сплавы, которые применяются не только для обработки резанием, но и в качестве материалов, обладающих хорошей износостойкостью и высокой коррозионной стойкостью. Эти сплавы можно разделить на три группы: а) коррозионно-стойкие твердые сплавы; б) окалиностойкие твердые сплавы; в) термически обрабатываемые твердые сплавы.

Основой коррозионно-стойких твердых сплавов является карбид хрома. Сплавы с никелевой связкой отличаются высокой износостойкостью наряду с очень хорошей химической устойчивостью и окалиностойкостью. Их рекомендуется применять для деталей, которые одновременно с износом подвергаются действию коррозии. Однако необходимо учитывать, что твердые сплавы на основе карбида хрома являются относительно хрупкими при ударных нагрузках.

В качестве окалиностойких материалов используют твердые сплавы на основе карбида титана, который является единственным карбидом, имеющим в сочетании со связующим металлом (никель, кобальт, хром) высокую стойкость против окисления, жаропрочность и термостойкость.

К термообрабатываемым твердым сплавам относится большая группа материалов, называемых карбидосталями, ферро-TiC и т. д., представляющих собой легированные спеченные стали с добавками сложных карбидов, преимущественно TiC.

Своеобразие таких твердых сплавов, содержащих 30–70 % (по массе) TiC, состоит в возможности применения всех видов термообработки, воздействующей на свойства стальных связок, что приводит к изменению физических и механических свойств сплава в целом.

Минералокерамические твердые сплавы

Высокая твердость и износостойкость керамических материалов на основе окиси алюминия позволяет использовать Аl₂O₃ в сочетании с некоторыми другими оксидами, а также карбидами переходных металлов IV–VI групп периодической системы элементов Д.И. Менделеева для изготовления режущих керамических материалов.

Минералокерамику применяют для получистовой и чистовой непрерывной обточки и расточки деталей из серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, закаленных и улучшенных сталей, некоторых марок цветных металлов и сплавов, а также  неметаллических материалов (графит и др.) при высоких скоростях резания (до 600–800 м/мин) без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), для волочения при производстве проволоки цветных металлов и для изготовления износостойких деталей машин, подвергающихся интенсивному безударному абразивному износу (сопла, насадки). Обеспечивая высокую производительность при обработке различных материалов резанием, минералокерамика в силу специфичности ее свойств не может исключить необходимость применения твердых спеченных сплавов. Она лишь расширяет диапазон используемых режущих материалов в той области, где может служить промежуточным звеном между твердыми сплавами и алмазосодержащими и другими сверхтвердыми композиционными материалами. Режущая керамика — ценное дополнение к твердым спеченным сплавам, имеет хорошие перспективы увеличения использования.

Исходным материалом для производства режущей минералокерамики служит технический глинозем (γ-Al₂O₃) чистотой 98,5– 99,5 %. Такой глинозем обжигают при 1 400–1 600 °С, превращая его в α-модификацию (корунд). Обожженный глинозем размалывают до зернистости 1–3 мкм (например, в шаровой мельнице); измельчение до крупности зерен менее 1 мкм нежелательно из-за увеличения хрупкости спеченного изделия.

Размолотый корунд подвергают обработке кислотами для отмывки железа, натертого в процессе размола, промывают водой и высушивают.

Минералокерамический материал ЦМ-332 может быть со стеклофазой или без нее и представляет собой либо чистый оксид Аl₂O₃, либо 97,0–99,5 % Аl₂O₃ (остальное — Сr₂O₃ или Fe₂O₃, SiO₂, MgO).

Значительно (в 3–4 раза) уступая спеченным твердым сплавам по пределу прочности при изгибе, изделия из ЦМ-332 к тому же хрупки и легко скалываются и выкрашиваются даже при незначительных ударах, что существенно ограничивает область их применения, в первую очередь при резании. Однако по износостойкости (благодаря очень высокой твердости) ЦМ-332 при резании в 2 и более раз превышает стойкость твердосплавного инструмента.

Оксидно-металлическую керамику применяют как теплостойкий и окалиностойкий материал. Для получения режущего инструментального материала к Аl₂O₃ добавляют 2–10 % Мо или Cr, благодаря чему вязкость кермета улучшается по сравнению со спеченным чистым оксидом алюминия, а хрупкость уменьшается.

Горячепрессованная режущая оксидно-карбидная керамика (Аl₂O₃ с 20–40 % Мо₂С или сложного карбида Мо₂С–WC) обладает высокой прочностью и твердостью. Изделия из материала марок В3, ВОК-60 и ВОК-63 имеют соответственно плотность 4,20– 4,60 г/см³; σ_в = 450–700 МПа; твердость HRA 92–94. Режущий инструмент с механическим креплением неперетачиваемых пластин из такой минералокерамики обладает повышенными эксплуатационными свойствами, позволяющими увеличить производительность, повысить качество обработки изделий и снизить себестоимость операции в результате увеличения скорости резания в 2–3 раза с одновременным повышением стойкости в среднем в 5 раз по сравнению со сплавами ВК3М, Т30К4 и другими износостойкими твердыми сплавами при чистовой обработке деталей.

Высокие твердость и износостойкость твердых сплавов предоставили возможность для их применения не только в качестве режущих материалов. Твердые сплавы широко применяют в приборостроении, машиностроении, горном деле и многих других областях.

Твердые сплавы широко используют в контрольно-измерительных инструментах. На цапфы микрометра напаивают тонкие пластинки твердого сплава, что увеличивает срок службы прибора. Мерительные калибры, контрольные скобы для проверки быстро изнашиваются, теряют свои размеры, а укрепление их твердосплавными пластинками увеличивает срок службы. Пробковые калибры оснащаются втулками из твердых сплавов для контроля размеров отверстий в деталях. Это обеспечивает не только значительную экономию средств благодаря удлинению срока службы измерительного инструмента, но и более точный и надежный технический контроль. Твердосплавные шарики и пирамиды приборов для испытания на твердость в отличие от стальных шариков почти не деформируются. Измерение твердости с их помощью оказывается значительно более точным.

Обширная область использования твердых материалов — обработка металлов давлением (волочение, штамповка, прессование, калибровка). Твердые сплавы широко применяют в виде вставок к волокам при волочении проволоки, что в десятки и сотни раз увеличивает стойкость волочильного инструмента без заметного изменения размеров, позволяет вести волочение на больших скоростях, сохраняя равномерный диаметр проволоки. При этом резко улучшается качество поверхности проволоки, что существенно влияет на ее механические свойства.

При волочении через отверстие фильеры из твердого сплава (WC–Со) можно протянуть 1 000 кг стальной проволоки.

В машиностроении и приборостроении твердые сплавы используются очень широко. Детали, которые раньше изготавливали из стали, в нагружаемых местах обязательно армируют твердыми сплавами, чаще всего типа ВК. Армирование проводят с помощью пайки мягким или твердым припоем. Все современные высокопроизводительные токарные станки оборудуют токарными центрами, армированными твердыми сплавами. ТС армируют также зажимные кулачки и люнеты. У бесцентровых шлифовальных станков очень быстро изнашиваются стальные направляющие полосы, что заметно снижает точность шлифования. Применяя армированные твердыми сплавами планки, полосы и линейки, достигают примерно 300-кратного увеличения срока их службы по сравнению со стальными направляющими при одинаковой точности шлифования. В станкостроении многочисленные детали, ранее изготавливаемые из стали (упоры, упорные болты, направляющие втулки, криволинейные направляющие, сверлильные кондукторы, защелки механизма подачи, щупы, прижимные ролики и т. д.), в настоящее время армируют твердыми сплавами. Твердосплавные подшипники для прецизионных шлифовальных станков, сильно нагружаемых двигателей и т. д., очень мало изнашиваются и хорошо работают даже при повышенной температуре без смазки.

В часовой промышленности, являющейся одним из основных потребителей фасонных твердосплавных штампов, твердосплавные роликовые шайбы обеспечивают особо высокое качество поверхности деталей.

Важной областью применения твердых сплавов являются сопла всех видов. Износ сопел, например, при пескоструйной обработке, весьма велик. Сопла из чугуна оказываются сильно изношенными уже после 3–4 ч работы, тогда как твердосплавные почти не меняются в размерах после 1 000–1 500 ч работы. Наряду с пескоструйными соплами вкладышами из ТС армируют и другие виды сопел: сопла воздуходувок, разбрызгивающие и распылительные сопла, стеклопрядильные сопла и мундштуки прессов и т. д.

В текстильной промышленности находят все более широкое применение направляющие кольца из ТС для нитей из натурального или искусственного шелка, характеризующиеся в 100 раз более длительным сроком службы по сравнению со стальными направляющими. Аналогичные направляющие кольца применяют при изготовлении проволочной сетки, перемотке проволоки, намотке катушек, направляющих буксировочных тросов самолетов.

В керамической промышленности и порошковой металлургии твердые сплавы широко используют в качестве износостойкого материала для изготовления и армирования деталей размольного и прессового оборудования (футеровка мельниц, пресс-инструмент).

Сверхтвердые материалы

К сверхтвердым относят материалы, твердость которых превышает 45 ГПа: алмазы, кубический и вюрцитный нитрид бора, карбид бора и материалы на их основе.

Синтетические сверхтвердые поликристаллические (СТП) материалы представляют особую группу материалов, эффективно использующихся в различных отраслях народного хозяйства. Первоначально СТП наиболее широко использовались в инструментальном производстве, но в настоящее время их применяют и как конструкционный материал.

В зависимости от исходного сырья все СТП можно разделить на три большие группы. К первой относятся материалы на основе алмаза, ко второй — на основе кубического нитрида бора, а третью составляют композиционные материалы, содержащие как алмазы, так и твердые нитриды бора, карбиды, твердые оксиды.

Алмазный инструмент используют для заточки, шлифования и доводки твердосплавного инструмента (металлорежущего, для обработки древесины и ее заменителей, применяемого в горнорудной промышленности и различных отраслях производства); заточки и доводки различного хирургического инструмента; обработки часовых, приборных и ювелирных камней из синтетического рубина, сапфира, агата и яшмы, бриллиантов, самоцветов и янтаря; обработки кристаллов природных алмазов при изготовлении из них бриллиантов и инструмента; доводочного шлифования стальных и чугунных изделий; изготовления твердосплавных и стальных шлифов для металлографических исследований.

Синтетические алмазы были впервые получены в СССР в 1960 г. под руководством акад. Л. Ф. Верещагина в Институте физики высоких давлений АН СССР. По физическим и химическим свойствам они в основном идентичны природным алмазам. Промышленный синтез алмазов из графита проводят при давлении (50–100)·10² МПа и температуре до 2 500 °С в присутствии металлов-растворителей (никель, марганец, железо и другие материалы); время синтеза составляет от десятка секунд до нескольких часов.

Алмазный порошок и связка образуют композиционный материал, который в виде алмазоносного слоя является рабочей частью инструмента. Алмазоносный слой определяет работоспособность и срок службы инструмента и характеризуется маркой и зернистостью алмазного порошка, маркой связки, твердостью, концентрацией алмазов, формой и размерами. Такой слой, как правило, прочно соединен с корпусом инструмента, наличие которого принципиально отличает алмазный абразивный инструмент от других типов абразивного инструмента. Материал корпуса и метод соединения с ним алмазоносного слоя выбирают в зависимости от марки связки, формы, размеров и назначения инструмента.

Основную массу синтетических алмазов получают в виде порошков с размером частиц от 800 до 1 мкм. Созданы синтетические алмазы типа баллас и карбонадо, представляющие собой плотные поликристаллические образования с однородной мелкозернистой структурой, получаемые обработкой графита в области термодинамической устойчивости алмаза. Баллас и карбонадо выпускают в виде небольших пластин и цилиндров и применяют для изготовления волок, резцов, а в дробленом виде — для производства абразивного инструмента.

Спеканием микропорошков синтетических и природных алмазов со специальными добавками при температурах, превышающих 2 000–2 500 °С, и давлении от 0,01 до 5 ГПа получают плотные поликристаллические материалы с мелкозернистой структурой (СВ) (дисмит, мегадаймонит и др.), которые используются для горнобурового и режущего инструмента.

Разработано множество марок сверхтвердых материалов на основе нитрида бора, различающихся составом, технологией получения и областями применения. Поликристаллические материалы на основе нитрида бора могут содержать одну кубическую кристаллическую модификацию (эльбор, кубонит, кибор). Разработаны также материалы, содержащие как сфалеритоподобную, так и вюрцитоподобную модификации нитрида бора (гексанит-Р).

Изделия из СТП представляют собой пластины различной формы и специальные цилиндрические вставки массой от 5·10^-5 до 5·10^-4 кг, применяющиеся для производства металлорежущего инструмента (резцов, сверл, фрез), используемого при обработке закаленных сталей и чугунов с твердостью более 40 HRC. Стойкость инструмента из СТП при обработке таких материалов более чем в 10 раз превышает стойкость твердых сплавов, что обеспечивает повышение производительности обработки в 2–4 раза.