Прочие порошковые сплавы.

Антифрикционные материалы. Пористые, пропитываемые маслом подшипники, очень удобны в труднодоступных узлах трения и обеспечивают высокую износостойкость при малом коэффициенте трения. Кроме того, они могут заменять бронзу или позволяют более экономно расходовать цветные металлы, но наличие пор снижает их прочность и поэтому для тяжелонагруженных подшипников они не применяются. Пористые подшипники изготовляют из железного или медного порошка. Если нет опасности ржавления, то подшипники изготовляются из смеси железного порошка с графитом, который добавляется в количестве 1…2 %.

Пористость в таких подшипниках 20…30 %. После прессования и спекания они пропитываются маслом. Там, где коррозия возможна применяются бронзовые подшипники.

Пористые бронзовые подшипники изготовляются из смеси порошков 88 % Cu, 10 % Sn и 2 % графита. Пористые подшипники обладают хорошими антифрикционными качествами, но менее прочны, чем сплошные.

Эти материалы отличаются способностью саморегулировать подачу смазки. На контактной поверхности трущейся пары образуется непрерывная пленка, чем обеспечивается жидкое трение.

К антифрикционным автомобильным деталям так же относятся направляющие втулки клапана, шестерни масляного насоса и т.д., которые изготовляются из смеси порошков 96 % Fe, 2,5 % Cu, 1,5 % графита; после прессования и спекания они отжигаются при температуре 740 ° C, т.е. производится отжиг на зернистый перлит. Содержание углерода после спекания не менее 0,8 %. Наиболее желательной, обеспечивающей высокое качество пористых железографитных подшипников структурой, является перлит с графитными включениями; в случае наличия у них ферритной структуры они быстро изнашиваются, налипают на шейку вала и имеют высокий коэффициент трения. Цементит в структуре железографитных подшипников, хотя и повышает их сопротивление износу, но изнашивает и царапает шейку вала и также повышает коэффициент трения.

Фрикционные материалы. К фрикционным материалам предъявляются следующие требования: они должны иметь высокий коэффициент трения, обеспечивающий плавность торможения и минимальную пробуксовку, и износостойкость как собственную, так и с сопряженной стальной поверхностью. Кроме того, они должны иметь хорошую прирабатываемость, не заедать и обладать высокой прочностью. Всем этим требованиям может отвечать только порошковый сплав, представляющий целый комплекс различных материалов с различными свойствами.

По условиям эксплуатации фрикционные материалы могут работать:

- в масляной ванне, например в автоматических коробках передач современных автомобилей с фрикционными дисками и тормозными лентами;

- при сухом трении, например тормозные накладки фрикционных механических процессов.

Фрикционные материалы изготовляются из порошков меди, олова, железа и других, образующих металлическую их основу, куда добавляются в небольшом количестве порошки кремния, двуокиси кремния ( ), асбеста и пр. для повышения коэффициента трения, а также порошки графита, талька, свинца и др. для создания смазки на поверхностях трения.

Изменяя дозировку добавок, можно получить необходимые фрикционные свойства порошкового сплава, т.е. исключить пробуксовку обильно смазанных трущихся поверхностей.

Например, в автомобильной промышленности для работы в масле применяется фрикционный сплав из следующих порошков: 60 % Cu, 10 % Sn, 4 % Fe, 7 % Pb, 4 % графита, 8 % пульвербакелита и 7 % асбеста.

Фрикционные сплавы отличаются невысокой прочностью, поэтому они применяются в виде тонкого слоя на стальном диске, или на стальной ленте. Соединение их со сталью производится двумя способами: спеканием порошкового сплава под давлением со сталью или приклеиванием.

В условиях сухого трения при торможении развивается более высокая температура и поэтому приходится применять вместо медной основы железную, отличающуюся более высокой температурой плавления.

Пористые материалы. Из шарообразных порошков бронзы или сплавов никеля с медью или с чистого никеля изготовляют металлические фильтры с объемом пор, достигающим 80 % от общего объема изделия. Такие фильтры применяют в химической промышленности, а также в качестве топливных фильтров в двигателях.

Бронзовые фильтры обычно изготавливаются из порошков со сферической формой частиц, полученных путем распыления жидкого металла. Температура спекания составляет 800…900 °C. Продолжительность спекания от 30 минут до 1 часа. Бронзовые фильтры с размером частиц порошка 50…130 мкм используют для грубой очистки, 2…30 мкм – для тонкой. Бронзовые фильтры находят широкое применение в промышленности для очистки жидкого горючего в дизелях и реактивных двигателях, смазочных материалов и сжатых газов от твердых примесей размерами 5…200 мкм, а также для очистки разбавленных кислот и щелочей, расплавленного парафина и т.д.

Пористые материалы, изготавливаемые из порошков электролитического и карбонильного никеля методом прессования и последующего спекания при температуре 1000…1100 °C, предназначены для работы в качестве фильтров и пористых электродов. Последние находят широкое применение в электрохимии. Так, щелочные аккумуляторы, электроды которых представляют собой высокопористые никелевые пластины, по сравнению с обычными аккумуляторами имеют меньший вес и габариты. Большое применение находят фильтры из нержавеющей стали, которые обладают более высокой коррозионной стойкостью и значительно дешевле чистого никеля. Для изготовления фильтров применяются порошки из нержавеющих сталей Х17Н2, Х18Н9, Х30 и др. Технология их изготовления: прессование или прокатка с последующим спеканием при температуре 1200…1250 °C в течение 2…3 часов. Фильтры из нержавеющих сталей показали хорошие результаты при очистке жидкого литья, горячего доменного и мартеновского газов. Как преграда для распространения пламени они находят применение в автогенной технике, в производстве ацетилена, в газопламенной обработке металлов, в резервуарах низкокипящих и взрывоопасных жидкостей. Применение пористых материалов для борьбы с обледенением самолетов позволяет снизить на 50 % расход антифриза.

Использование пористого титана в различных отраслях техники обусловлено рядом его ценных свойств, главным из которых является высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах и высокая удельная прочность.

Титановые пористые материалы получают из порошков с размером частиц менее 60 мкм с наполнителем, а также из электролитического порошка с размером частиц до 1мм без наполнителя. Такие изделия спекают в специальной атмосфере при температуре 950…1150 °C в течение 1,5…2 часов. Пористый титан стоек в азотной кислоте щелочных растворах, обеспечивает тонкость очистки 5 мкм и менее.

Пористое охлаждение – один из эффективных способов охлаждения высокотемпературных узлов и механизмов. Испарительное охлаждение предусматривает принудительное пропускание жидкости через пористую среду. В этом случае тепло, выделяющееся на поверхности пористого тела, поглощается и рассеивается испарительным охлаждающим устройством. Установлено, что охлаждение испарением более эффективно, чем конвективное или пленочное в равнозначных системах. Так, применение сопловых и рабочих турбинных лопаток позволило повысить температуру рабочего газа с 840 до 1200 °C и увеличить снимаемую мощность на 10 %.

Возможности использования пористого материала для контроля температуры на поверхности практически не ограничены. Детали из пористого металла могут использоваться для создания условия локального нагрева и одновременно они могут быть использованы для охлаждения локального перегрева механизмов.

Конструкционные материалы. Порошковая металлургия в данном случае должна упрощать технологический процесс для сокращения расхода металла и снижения трудоемкости производства. Например, детали простейшей формы: небольшие шестерни, шайбы и т.д. из углеродистой или из легированной стали с успехом изготовляются методом порошковой металлургии. Порошковые сплавы также применяются для производства прецизионных сплавов, т.е. сплавов с очень небольшими колебаниями в химическом составе, биметаллов и комплексных сплавов с разным составом поверхности и сердцевины, а также особо жаропрочных сплавов и материалов для ракет и ядерных реакторов.

Электротехнические сплавы. Особенно широко порошковые сплавы применяются в электротехнике. Постоянные магниты небольшого размера, полученные из порошков Fe-Al-Ni или Fe-Al-Ni-Co, отличаются мелкозернистостью, в отличие от литых магнитов из этих сплавов, которые крупнозернисты. Кроме того, порошковые сплавы лишены литейных дефектов: раковин, ликвации и т.д. Это позволяет получить однородную плотность магнитного потока. Допуски в размерах постоянных магнитов из порошковых сплавов гораздо уже, что сводит до минимума их механическую обработку, которая ограничивается одним шлифованием.

Порошковые сплавы позволяют соединить жаро- и износостойкость вольфрама, молибдена, никеля и графита с высокой электропроводностью меди и серебра.

Из порошковых сплавов изготовляют электрические контакты. Сопротивление контактов искре повышается при комбинации серебра с окисью кадмия. Высокая электропроводность серебра обеспечивается его чистотой, а также отсутствием элементов, которые могут образовывать с серебром твердые растворы.

Из порошковых сплавов изготавливают электроды для дуговой сварки, из смеси графита с медным порошком изготовляют износостойкие щетки электродвигателей. Железные порошки применяют для изготовления полюсов электродвигателей постоянного тока.

Тугоплавкие металлы и тяжелые сплавы. Из порошков методом восстановления из окислов получают металлы с очень высокой температурой плавления (вольфрам, молибден, тантал, ниобий и др.). Сначала в потоке водорода восстанавливаются из окислов чистые металлы, получаемые в виде порошков. Их прессуют в брикеты и нагревают током. Далее производят ковку и прокатку. Все эти операции с вольфрамом и молибденом производят в атмосфере водорода, а с титаном и танталом – в вакууме, так как последние очень сильно поглощают газы при высоких температурах. Если металл предназначен для нитей электроламп, в него добавляют вещество, препятствующее росту зерна при высоких температурах, например окись тория.

Из порошков изготовляют также “тяжелый сплав” состава 90 % W, 7,5 % Ni и 2,5 % Cu, имеющий удельный вес до 17 г/см³ и высокие механические свойства, применяемый, например, в качестве противовесов там, где по условиям конструирования места для них мало.

Керметы. Керметами называют порошковые сплавы, являющиеся композициями керамических материалов с металлами и предназначаемые для деталей, работающих при высоких температурах или в агрессивной коррозионной среде.

Керметы сочетают жаропрочность, коррозионную стойкость и твердость керамических материалов (карбидов, окислов, боридов, нитридов и силицидов) с вязкостью, теплопроводностью и стойкостью при перемене температуры металлов.

Наиболее подходящим керамическим материалом для этих сплавов в настоящее время является карбид титана TiC благодаря его жаропрочности, окалиностойкости и способности противостоять тепловому удару, т.е. не разрушаться при внезапных и сильных изменениях температуры.

Связующим металлом для керметов берут жаропрочный сплав из порошков никеля, кобальта и хрома, иногда с небольшим количеством молибдена. Введение хрома повышает окалиностойкость керметов и сопротивление ползучести.

До сих пор еще не создано керметов с достаточной вязкостью и теплостойкостью. Возможно, что создание порошковых сплавов, удовлетворяющих всем требованиям конструкторов газовых турбин и реактивных двигателей, в значительной степени будет связано с усовершенствованием микроструктуры сплавов.

Из керметов изготовляются опытные лопатки и другие детали для реактивных двигателей и газовых турбин. Уменьшение количества карбида титана и увеличение металлической связки ведет к повышению вязкости кермета, но понижает его жаропрочность.

Более рациональным не понижающим жаропрочности керметов является создание у них наиболее мелкозернистой структуры.

К числу керметов относится и порошковый алюминиевый сплав САП, состоящий из 20 % Al₂O₃ и 80 % Al, который по прочности при обычной и особенно при повышенных температурах (до 500 °C) значительно превосходит литые и деформируемые алюминиевые сплавы.

Тонкие пленки Al₂O₃ в микроструктуре САП, не коагулирующие даже при повышенных температурах, препятствуют процессам рекристаллизации и разделяют его структуру на мелкие участки, ограничивающие пути скольжения при пластической деформации.

Легкие, прочные и теплоустойчивые сплавы САП применяются в атомной, авиационной и автомобильной промышленностях.