Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Материалы типа псевдосплавов позволяют получать изделия с уникальными потребительскими свойствами. Хотя псевдосплавы уступают большинству армированных композитов по прочности, но обладают рядом других ценных характеристик (демпфирующей способностью, износостойкостью, способностью к самосмазыванию при трении, теплостойкостью, дугостойкостью и др.), которые определяют их широксе применение. Кроме того, в процессе разработки и эксплуатации псевдосплавов могут выявиться и другие так называемые «незапланированные» свойства.
Псевдосплавы получают жидко-, твердофазным спеканием, а также пропиткой. Наибольшее распространение получил метод пропитки. Еще большие возможности при одновременном упрощении технологических процессов производства изделий из псевдосплавов открываются при использовании литейных технологий.
Основными операциями получения псевдосплавов являются производство тугоплавкого пористого каркаса и его заполнение более легкоплавким металлом (сплавом) с получением беспористой структуры композиционного материала. Пористые каркасы могут быть получены из порошков (гранул), волокон, сеток их уплотнением и последующим спеканием. Каркасы также могут быть получены только уплотнением (прессование, прокатка, вибрация, шликерное литье) или только спеканием. При этом формируются открытая, тупиковая и закрытая пористости. Соотношение видов пористости определяет проницаемость каркаса, т. е. способность пропускать через поры жидкий металл, который может проникать только в открытые или тупиковые поры. Установлено, что для традиционно применяемых каркасных материалов нижний предел пористости порошковых материалов находится на уровне 15—18 %. При уменьшении пористости такие каркасы становятся непроницаемыми. Для волоконных и сетчатых каркасов порог пористости составляет 10 %. Ho в ряде случаев он может быть уменьшен до 5—6 % без опасности получить закрытую пористость, в частности, при использовании свободно засыпанных сферических гранул, плоских сеток, однонаправленных волокон.
Различные варианты получения пористых каркасов методами порошковой металлургии подробно рассмотрены в работах. Здесь же рассмотрим те, которые позволяют получить нетрадиционными методами исходный каркас псевдосплава, пригодный для последующей заливки. К ним относятся различные варианты ГПСМО-процесса. В соответствии с ними первоначально изготавливается паста, состоящая из тугоплавких элементов (порошков, карбидов или металлов), пластифицированная расплавленным органическим связующим (парафином, полиэтиленом и др.). Заготовка каркаса может быть изготовлена прессованием пасты или с применением водорастворимых стержней. В дальнейшем заготовка подвергается тепловой обработке для удаления пластификатора. При этом возможно спекание частиц, а также диффузия углерода из органической составляющей в тугоплавкие частицы. Хорошая защита от окисления достигается при удалении органической связующей под плавким затвором (силикат-глыба). Для эффективного удаления пластификатора рекомендуется применять засыпку из активных адсорбентов с размерами частиц меньшими, чем частицы каркаса, а также краевым углом смачивания пластификатором меньшим, чем угол смачивания тугоплавких частиц. Процесс спекания начинается после удаления пластификатора и протекает тем интенсивней, чем меньше расстояние между частицами. Его интенсивность также определяется наличием частиц нескольких сортов, содержащих какой-либо компонент, способный к диффузии в твердом состоянии. Наличие градиента концентрации этого компонента интенсифицирует процесс спекания. Например, интенсификация спекания частиц карбидов железа и железного порошка при диффузии углерода. В этом процессе изменение пористости и относительной объемной усадки в зависимости от температуры для фракций 30, 70, 120 мкм проходит в широких пределах (рис. 48). Исходя из приведенных данных, для получения каркаса, пригодного к проникновению расплава металла, спекания целесообразно проводить при температуре 1050—1100°C.
Заполнение металлом такого каркаса может быть проведено в двух вариантах. В первом — каркас устанавливается в литейную форму и она заполняется жидким металлом. Заполнение каркаса в условиях нестационарного режима определяется температурой его разогрева, а именно созданием режима нестынущей жидкости. Чем больше разница температур пористого тела и расплава, а также чем больше теплопроводность каркаса и расплава, тем на меньшую глубину проникнет расплав. Это создает условия для получения связи пористого каркаса с основной массой отливки при проникновении расплава на заданную глубину и позволяет сохранить основной его объем для заполнения другим металлом. Таким образом были получены отливки полиметаллических подшипников скольжения с монолитным конструкционным слоем из стали, прочно сцепленным со слоем псевдосплава, состоящего из взаимопроникающих каркасов, железоуглеродистых частиц, карбидов и бронзы, что позволило реализовать высокую прочность изделия, демпфирующие характеристики, способность к самосмазыванию слоя псевдосплава и повысило, долговечность изделия в 4 раза по сравнению с аналогичными подшипниками из бронзы Бр06Ф1.
Во втором варианте получения отливки с рабочим слоем из псевдосплава каркас заполняется в стационарном режиме. Например, пропитка пористого каркаса из железоуглеродистых сплавов медными. Затем готовая отливка из псевдосплава помещается в литейную форму, которая заполняется основным металлом. При этом в контактной зоне происходит подплавление псевдосплава и устанавливается прочная металлургическая связь с телом отливки. Таким способом могут быть получены отливки с тонкими (1,5—5 мм) слоями псевдосплава, а применение различных по форме и толщине исходных вставок из псевдосплавов позволяет получать рабочие полоски отливок сложной конфигурации и различных сечений, обладающих повышенным эксплуатационными свойствами.
Представляет интерес изготовление пористого каркаса из тугоплавких частиц сферической формы, полученных распылением на установках «Град». Подбор гранул различного размера с фактором формы 0,96—0,98 и высокой текучестью позволяет получить высокую степень упаковки тугоплавких частиц с заданной пористостью каркаса. Установлено, что спекание таких гранул, уплотненных вибрацией, начинается при 600—630 °C на воздухе, и после выдержки в течение 15—25 мин каркас приобретает достаточную прочность. С повышением температуры спекания до 1000 °C это время сокращается до 2—4 мин. Однако при заливке такого каркаса расплавом металла окисленная поверхность гранул препятствует его проникновению в поры, и отливка имеет до 16 % пор. Для предохранения окисления гранул в ходе спекания применяется их предварительная обработка во флюсе, который имеет температуру плавления несколько выше температуры начала спекания тугоплавких гранул. Применение такого флюса позволяет предохранить от окисления гранулы, после его расплавления частицы в зоне контакта спекаются беспрепятственно, а жидкий флюс заполняет поры. После спекания такая заготовка обладает повышенной прочностью, так как каркас из гранул проникает в каркас из закристаллизовавшегося флюса. После установки заготовки в литейную форму и заполнения ее жидким металлом флюс расплавляется и вытесняется, что способствует заполнению открывшихся пор металлическим расплавом. Подбором состава флюса, температурой и скоростью заливаемого металла регулируется процесс формирования отливки из псевдосплава. При этом сохраняются известные условия разрушения каркасной структуры и замены ее матричной.
В настоящее время известен широкий спектр составов псевдосплавов с различными эксплуатационными свойствами. Это позволяет в настоящем разделе рассмотреть только основные системы, дать их наиболее важные характеристики и указать области применения.
Псевдосплавы системы железо — медь охватывают как двухкомпонентные композиционные материалы, так и многокомпонентные сплавы на основе железа и меди. Прочность таких материалов слабо связана с дефектностью структуры, но дефектность структуры существенно влияет на пластичность и вязкость материала. Появление микропор в теле псевдосплавов (в основном, изготовленных из чистых компонентов) приводит к снижению величин ударной вязкости и усталостной прочности. Более высокие значения прочности в данных псевдосплавах достигаются легированием железа углеродом и марганцем. Псевдосплавы системы железо — медь имеют высокую коррозионную стойкость по сравнению с коррозионной стойкостью литой стали во влажной атмосфере и растворах солей.
Псевдосплавы этой системы, равно как и многие другие псевдосплавы, обладают отличными демпфирующими характеристиками, что делает эти композиционные материалы пригодными для изготовления компрессорных лопаток, зубчатых колес, деталей роторов турбин, резцовых коронок корпусов долот, резцов, фрез, седел клапанов, поршневых колец.
Применение псевдосплавов железо—медь для изготовления фильер, используемых при производстве синтетических нитей при температуре 380—430 °С, позволило в 1,5 раза увеличить межремонтный цикл оборудования. Псевдосплавы системы железо—свинец, по данным работы, являются эффективным материалом для изготовления электрических контактов с высокой дугостойкостью. Эти материалы также обладают высокими антифрикционными характеристиками, что позволяет применять их для изготовления контактных токоприемников электротранспорта.
Для работы в узлах трения при различных нагрузках и скоростях истирания предназначаются псевдосплавы систем железо — серебро (его сплавы со свинцом, медью, цинком). Такие материалы при скорости скольжения 1 м/с, нагрузках 48-52 МПа при сухом трении в вакууме по стали P18 имеют коэффициент трения 0,15—0,22. При работе в воздушной атмосфере со смазкой несущая способность таких материалов повышается до 50—70 МПа при коэффициенте трения 0,04—0,08.
При испытании псевдосплавов железо — никель, полученных диспергированием железоуглеродистых гранул, установлена несущая способность образцов 54—60 МПа при скорости скольжения 10—15 м/с на воздухе, при коэффициенте трения 0,2—0,3 в паре с макрогетерогенным композитом железо — медь.
Псевдосплавы системы вольфрам — медь и вольфрам— серебро нашли применение в электротехнике в качестве контактного материала для высоковольтных выключателей, электродов сварочных машин, вставок плазмотронов, деталей ракетных двигателей.
Заменителями псевдосплавов вольфрама являются псевдосплавы молибден — медь, молибден — серебро. Из молибденовых псевдосплавов изготовляются контакты бытовых приборов, реле, дуговых наконечников, вибропреобразователей.
Поиск новых антифрикционных материалов привел к разработке псевдосплавов с низкими антифрикционными свойствами. К ним относятся псевдосплавы титан—магний, титан — висмут, а также псевдосплавы на основе меди.
Для формирования титано-магниевых псевдосплавов характерно наличие четких межфазных границ при равномерном распределении магния в титановом каркасе. На рис. 49, по данным работы, показано влияние объемного содержания магния на механические свойства этих псевдосплавов. По коррозионной стойкости титано-магниевые псевдосплавы относятся к весьма стойким. По антифрикционным характеристикам эти псевдосплавы существенно зависят от содержания легкоплавкой составляющей. Коэффициент трения снижается от 0,3 до 0,22 с увеличением содержания магния. Диапазон нагрузок, в которых работоспособны подшипники системы титан — магний, составляет 0,1—6 МПа при скоростях скольжения до 12 м/с для вакуума, воды, кислых сред.
На рис. 50 приведены антифрикционные характеристики монолитной бронзы Бр010Ф1 и различных псевдосплавов на медной основе при сухом трении в вакууме по азотированному титану, иллюстрирующие их улучшение при пропитке медного каркаса различными легкоплавкими металлами. Однако при переходе от вакуума к воздушной среде антифрикционные свойства этих псевдосплавов снижаются, что объясняется окислением легкоплавких составляющих и образованием в зоне трения абразивных оксидов, увеличивающих работу трения и, как следствие, износ трущихся тел.
