Машиностроительные материалы, получаемые методом порошковой металлургии. Металлокерамика

Порошковая металлургия — область техники, охватывающая совокупность методов изготовления металлических порошков и металлоподобных соединений, полуфабрикатов и изделий из них, а также из их смесей с неметаллическими порошками без расплавления основного компонента.

Порошки получают химическими или механическими способами. Формообразование заготовок (изделий) осуществляют в холодном состоянии либо при нагревании. Холодное формообразование происходит при осевом прессовании на механических и гидравлических прессах или при давлении жидкости на эластичную оболочку, в которую помещают порошки (гидростатический метод). В настоящее время применяется взрывное формообразование. Спрессованное под давлением газов, образующихся в результате взрыва, изделие подвергают спеканию при 0,75 Т_пл (Т_пл — температура плавления) в течение 0,5-6 ч в защитной атмосфере или в вакууме. Горячим прессованием в штампах под молотом (динамическое прессование) или газостатическим методом в специальных контейнерах за счет давления (15- 400 тыс. Па) горячих газов получают изделия из плохо спекающихся материалов — тугоплавких соединений. В состав спеченных материалов (псевдосплавов) включаются неметаллические компоненты — графит, глинозем, карбиды, бориды, придающие им особые свойства. Получить обычные (литые) сплавы с такими свойствами невозможно. Для создания спеченных материалов с закрытыми порами в композит таю вводят газообразующие вещества. В результате внедрения спеченных материалов на каждую 1000 т изготовленных деталей экономится 1500-2000 т металла, высвобождается более 50 единиц металлорежущих станков, трудоемкость снижается на 120 тыс. нормо-часов, производительность труда возрастает более чем в 1,5 раза.

Для изготовления подшипников, фильтров, элементов транспортеров, лопаток газовых турбин и других изделий применяется пористый спеченный материал. Средний размер пор такого материала 12-250 мкм, номинальный пропускной поток воздуха — 0,0032-1 м³/мин, жидкости — 0,1-150 л/мин, внутреннее разрушающее давление — 0,5-2,5 МПа (5-25 кгс/см²). Фильтры из пористого спеченного материала служат для очистки жидкостей, газов, минеральных масел, воды, жидкого топлива и растворителей.

Для изготовления различных деталей широко используется спеченный алюминиевый сплав (САП) — материал, получаемый путем прессования и спекания алюминиевой комкованной пудры марок АПС-1А, АПС-1Б, АПС-2 и АПС-3 (ГОСТ 10096-76) и окиси алюминия. Прочность САП в интервале температур от 300 до 500°С снижается в 3÷1 раза, тогда как прочность обычных алюминиевых сплавов уменьшается при этом в 20-25 раз. Свойства САП сохраняются после 10 тыс. ч работы. Механические свойства его при температурах 20, 350 и 500°С соответственно составляют: предел прочности — 295- 450, 137-225 и 68-132МПа (30÷16, 14-23 и 7-13,5 кгс/мм²); предел текучести — 206-372, 137-186 и 49-108 МПА (21- 38, 14-19 и 5-11 кгс/мм²); относительное удлинение — 1,5-8, 1-6 и 1-3%. В промышленности применяется САП четырех марок: САП-1 (6-9), САП-2 (9,1-13), САП-3 (13,1-181 и САП-4(18,1-22), где в скобках приведена массовая доля окиси алюминия в процентах.

Для однослойной и многослойной наплавки крупногабаритных деталей, работающих в условиях абразивного износа, служит электродная наплавочная спеченная лента на железной основе (ГОСТ 22366-93). В зависимости от химического состава и назначения стандарт предусматривает семь марок такой ленты:

• ЛС-70ХЗНМ (А) — для однослойной наплавки и ЛС-70ХЗНМ (Б) — для многослойной наплавки деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, сопровождаемого ударными нагрузками (штампы холодной вырубки, ножи бульдозеров и грейдеров, ножевые диски плугов, детали грузовых автомобилей и тракторов);
• ЛС-5Х4ВЗФС — для многослойной наплавки деталей, работающих в условиях циклической термической нагрузки и умеренного абразивного изнашивания (валки прокатных станов, ножи для резки горячего металла);
• ЛС-5Х4В2МФС — для многослойной наплавки деталей, работающих в условиях циклической термической нагрузки и высокого абразивного изнашивания;
• ЛС-08Х21Н9Г — для многослойной наплавки деталей машин и аппаратов, работающих в агрессивных средах при обычных и повышенных температурах;
• ЛС-У10Х7ГР1-для многослойной наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания, сопровождаемого умеренными ударными нагрузками (катки гусеничного хода тракторов, ножи бульдозеров, шнеки бетономешалок и др.);
• ЛС-1Х14НЗ — для многослойной наплавки плунжеров гидравлических прессов и других деталей.

В инструментальном производстве получили широкое распространение твердые спеченные сплавы (ГОСТ 3882-74). Они состоят из смеси порошков карбида вольфрама (основа) — 66-97% и кобальта — 3-25%. В зависимости от марки сплава в него добавляют такие компоненты, как карбид титана — 3-30% и карбид тантала — 2-12%. Физико-механические свойства сплавов: предел прочности при изгибе — 1176-2156 МПа (120-220 кгс/мм²), плотность — 9,5-15,3 г/см³, твердость — 79-92

HRA. По содержанию основных компонентов порошков в смеси твердые спеченные сплавы подразделяются на три группы: вольфрамовые, титано-вольфрамовые и титано-тантало-вольфрамовые, по области применения — на сплавы для обработки материалов резанием, оснащения горного инструмента, бесстружковой обработки металлов, для наплавки быстроизнаши- ваюгцихся деталей машин, приборов и приспособлений.

Сплавы для обработки материалов резанием:

• ВКЗ — для чистового точения с малым сечением среза, окончательного нарезания резьбы, развертывания отверстий и других видов обработки серого чугуна, цветных металлов и сплавов и неметаллических материалов (резины, фибры, пластмасс, стеклопластика и др.), а также для резки листового стекла;
• ВКЗ-М — для чистовой обработки твердых, легированных и отбеленных чугунов, цементированных и закаленных сталей, высокоабразивных неметаллических материалов. Высокая износостойкость, умеренная прочность и сопротивляемость ударам;
• ВК4 -для чернового точения при неравномерном сечении среза, чернового и чистового фрезерования, рассверливания, растачивания нормальных и глубоких отверстий, чернового зенкерования при обработке чугуна, сплавов цветных металлов, титана и его сплавов. Высокая износостойкость и эксплуатационная прочность;
• ВК6-ОМ — для чистовой и получистовой обработки твердых, легированных и отбеленных чугунов, закаленных сталей и некоторых высоколегированных сталей и сплавов, особенно сплавов на основе титана, вольфрама и молибдена;
• ВК6-М — для получистовой обработки жаропрочных сталей и сплавов, нержавеющих сталей аустенитного класса, специальных твердых чугунов, закаленного чугуна, твердой бронзы, сплавов легких металлов, абразивных неметаллических материалов, пластмасс, бумаги, стекла, для обработки закаленных и «сырых» углеродистых и легированных сталей при тонких сечениях среза на весьма малых скоростях резания;
• ТТ8К6 — для чистового и получистового точения и фрезерования серого, ковкого и отбеленного чугуна, непрерывного точения с небольшими сечениями среза стального литья, высокопрочных, нержавеющих и закаленных сталей, обработки цветных металлов и некоторых титановых сплавов при малых и средних сечениях среза;
• ВКб — для чернового и получистового точения и фрезерования серого чугуна, цветных металлов и сплавов, а также неметаллических материалов;
• ВК8 — для чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, строгания, чернового фрезерования, сверления, рассверливания, зенкерования серого чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов, нержавеющих, высокопрочных, жаропрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов, а также сплавов титана. Волочение и калибровка труб, проволоки. Штамповый инструмент;
• ВК10М — для сверления, зенкерования, развертывания, фрезерования и зубофрезерования стали, чугуна некоторых трудно обрабатываемых материалов и неметаллов цельнотвердосплавным мелкоразмерным инструментом. Малая износостойкость, более высокая эксплуатационная прочность, чем у сплава ВК8;
• ВК15 — для деревообработки. Ударное бурение горных пород гранита. Обработка дерева резанием. Изготовление быстроизнашивающихся деталей штампов. Высокая ударная и эксплуатационная прочность;
• Т30К4 — для чистового точения с малым сечением среза (алмазная обработка) незакаленных и закаленных углеродистых сталей. Высокая износостойкость, малая эксплуатационная прочность;
• Т15К6 — для получернового точения при непрерывном резании, чистового точения при прерывистом резании и чистового фрезерования углеродистых и легированных сталей. Эксплуатационная прочность выше, а износостойкость ниже, чем у сплава Т30К4;
• Т14К8 — для чернового точения при неравномерном сечении среза и непрерывном резании получистового и чистового точения при прерывистом резании, чернового фрезерования сшлошных поверхностей, рассверливания литых и кованых отверстий и других видов обработки резанием углеродистых и легированных сталей;
• Т5К10 — для чернового точения при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, фасонного точения, отрезки токарными резцами, чистового строгания, чернового фрезерования прерывистых поверхностей и других видов обработки резанием углеродистых и легированных сталей;
• Т5К12 — для чернового точения в тяжелых условиях резания стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака и различных неметаллических включений, при неравномерном сечении среза и ударной нагрузке на резец;
• ТТ7К12 — для тех же целей, что и сплав Т5К12, а также для чернового фрезерования в тяжелых условиях резания углеродистых и легированных сталей;
• ТТ10К8-Б — для черновой и получистовой обработки некоторых труднообрабатываемых материалов, нержавеющих сталей аустенитного класса, маломагнитных, жаропрочных и титановых сталей и сплавов. Высокая эксплуатационная прочность и стойкость к ударам. Умеренная износостойкость;
• ТТ20К9 — для фрезерования глубоких пазов и других видов обработки резанием труднообрабатываемых материалов.
• Сплавы для оснащения горного инструмента: ВКб, ВК6В, ВК4-В, ВК8, ВК8ВК, ВК8В, ВК11ВК, ВК11В, ВК15, ВК5. Из этих сплавов изготовляют буровые коронки и резцы, шарошечные долота, камнерезный инструмент, сверла, зубила и другой инструмент для горнодобывающей промышленности.

Сплавы для бесстружечной обработки металлов, наплавки быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений:

• ВКЗ, ВКЗ-М, ВК4, ВКб, ВК6-М — изготовление волок для сухого волочения проволоки из стали, цветных металлов и сплавов при небольшой степени обжатия, наплавка быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и измерительного инструмента, работающих без ударных нагрузок;
• ВК8, ВК10 — изготовление волок и матриц, применяемых при волочении и прессовании прутков и труб из стали и цветных металлов и сплавов; наплавка быстро изнашивающихся деталей машин, приборов и измерительного инструмента, работающих при небольших ударных нагрузках (сплав ВК8) и при ударных нагрузках средней интенсивности (сплав ВК10);
• ВК15 — изготовление матриц и волок, работающих в условиях повышенного сжатия, инструмента, работающего с ударными нагрузками малой интенсивности (штамповка, высадка, обрезка, вытяжка);
• ВК20, ВК25 — изготовление штампового инструмента, работающего при ударных нагрузках средней и высокой интенсивности (штамповка, высадка, обрезка). Эксплуатационная и ударная прочность выше, чем у сплава ВК15, а износостойкость ниже;
• ВК10-КС — изготовление инструмента для обработки давлением легированных и специальных сталей при ударных нагрузках малой интенсивности;
• ВК20-КС — изготовление штампов для штамповки, высадки и обрезки легированных и специальных сталей и сплавов при ударных нагрузках средней интенсивности;
• ВК20К — изготовление штампов для объемной штамповки и высадки, работающих при обычных и повышенных температурах нагрева углеродистых, легированных и специальных сталей в условиях ударных нагрузок высокой интенсивности.

В обозначении марок сплавов буква К означает — кобальт, В — карбид вольфрама, Т — карбиды титана и тантала; цифры соответствуют процентному содержанию порошков компонентов, входящих в сплав. Например, сплав ВКЗ содержит 3% кобальта, остальное — карбид вольфрама; Т15К6 — 6% кобальта, 15% карбидов титана, остальное — карбид вольфрама; ТТ7К12 -12% кобальта, 7% карбидов титана и тантала, остальное — карбид вольфрама.

Дефицит вольфрама обусловил необходимость разработки безвольфрамовых твердых сплавов, не уступающих по основным свойствам спеченным сплавам на основе карбидов вольфрама. Высокими свойствами обладает, например, твердый сплав на основе карбонитрида титана (КНТ). Его плотность — 5,6-6,2 г/см³, твердость — 88-93 HRA, коэффициент стойкости при точении сталей 50 и 111X15 — 1,5-2. Высокую твердость (87,5-91 HRA) и плотность (5,5-5,9 г/см³) имеют сплавы на основе карбида титана (26-79%); ТЕ1М-20, ТНМ-25, ТНМ-30, КТНМ-ЗОА, КТНМ-ЗОБ. Карбидохромовые твердые сплавы марок КХН-10, КХН-15, КХН-20, КХН-30, КХН-35 и КХН-40 (цифра в обозначении марок этих сплавов указывает на процентное содержание никеля, остальное — карбид хрома) не окисляются при нагреве в воздушной среде до 1100°С, хорошо сопротивляются истиранию, абразивному износу и коррозии, обладают низкой склонностью к схватыванию. Их плотность — 6,6-7 г/см³, твердость — 80-90 HRA, прочность при сжатии — 2800-3500 МПа (280-350 кгс/мм²), при изгибе — 400-700 МПа (40-70 кгс/мм²). Сплавы твердые спеченные (табл. 51).

Таблица 51. Основные характеристики сплавов твердых спеченных (ГОСТ 3882-74)