Композиционные материалы и порошковая металлургия: классификация, свойства и применение

Композиционные материалы представляют собой искусственно созданные гетерофазные системы, состоящие из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных выраженной границей раздела. Основополагающей характеристикой таких материалов является наличие заранее запроектированных свойств, которые не достигаются при использовании каждого компонента в отдельности. В современном материаловедении композиты классифицируются по геометрическим признакам составляющих их элементов, природе компонентов и характеру распределения наполнителя в матрице.

Компонентный состав и структура композиционных материалов. Матрица представляет собой непрерывный компонент, занимающий весь объем композиционного материала и обеспечивающий его монолитность. Именно матрица придает изделию требуемую форму, определяет технологические параметры производства и в значительной степени влияет на эксплуатационные характеристики композита, включая плотность, удельную прочность и рабочую температуру. В качестве матричных материалов применяются металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика, углеродные соединения. Матрица выполняет защитную функцию по отношению к армирующим элементам, предохраняя их от механических повреждений и воздействия агрессивных сред.

Арматура (или наполнитель) является прерывистым компонентом, равномерно распределенным в объеме матрицы. Армирующие элементы характеризуются высокой прочностью, твердостью и модулем упругости, существенно превосходя по этим показателям матричный материал. Геометрия наполнителя играет определяющую роль в формировании свойств композита: нуль-мерные частицы имеют соизмеримые размеры во всех трех измерениях, одномерные элементы (волокна, нитевидные кристаллы) обладают одним значительно преобладающим размером, а двухмерные наполнители представлены пластинами или листами с двумя доминирующими размерами.

Классификация композитов по природе компонентов и схеме армирования. По схеме расположения наполнителя выделяют три основные группы композитов. Первая группа включает материалы с одноосным армированием, где волокна, нити или нитевидные кристаллы ориентированы параллельно друг другу. Вторая группа представлена композициями с двухосным расположением, при котором армирующие элементы (тканые сетки, маты из кристаллов, фольга) находятся в параллельных плоскостях. Третью группу составляют материалы с трехосным армированием, характеризующиеся отсутствием преимущественного направления в расположении наполнителя и равномерным распределением его во всем объеме.

По природе компонентов композиционные материалы подразделяются на четыре категории. Первая категория включает композиты, содержащие компоненты из металлов или сплавов. Вторая категория объединяет материалы с компонентами из неорганических соединений – оксидов, карбидов, нитридов. Третья категория представлена композициями, содержащими неметаллические элементы – углерод, бор. Четвертая категория включает материалы на основе органических соединений – эпоксидных, полиэфирных, фенольных смол.

Композиционные материалы с нуль-мерным наполнителем. В композитах с нуль-мерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица, упрочняемая равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы характеризуются изотропностью свойств, то есть независимостью характеристик от направления приложения нагрузки. В данных композициях матрица воспринимает основную нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации, создавая препятствия для движения дислокаций. Эффективное упрочнение достигается при содержании наполнителя в количестве 5-10 процентов от общего объема.

В качестве армирующих компонентов применяются частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов и карбидов. Получение дисперсионно упрочненных композитов осуществляется методами порошковой металлургии либо путем введения армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава. Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами оксида алюминия (Al₂O₃), известные под обозначением САП (спеченная алюминиевая пудра).

Преимущества материалов типа САП проявляются при температурах выше 300°C, когда традиционные алюминиевые сплавы начинают разупрочняться. Дисперсионно упрочненные композиции сохраняют эффект упрочнения вплоть до температуры 0,8 от температуры плавления матрицы. Сплавы САП удовлетворительно деформируются, хорошо обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из них производят полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб и фольги, а также изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов, турбин и поршневые штоки.

Волокнистые композиционные материалы с одномерным наполнителем. В композиционных материалах с одномерными наполнителями в качестве упрочнителей выступают элементы волокнистой структуры – нитевидные кристаллы, непрерывные или дискретные волокна, металлическая проволока. Поперечное сечение таких элементов может составлять от долей до сотен микрометров. Ключевым требованием является равномерное распределение прочных волокон в пластичной матрице, которая скрепляет их в единый монолит. Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, начали создаваться в семидесятых годах двадцатого века преимущественно для авиационных и космических конструкций.

Основным способом получения нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара, известное как ПК-процесс. Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений применяется рост по механизму пар – жидкость – кристалл, при котором направленный рост осуществляется из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу. Альтернативным методом является вытягивание кристаллов через фильеры из расплава. Прочностные характеристики кристаллов существенно зависят от площади поперечного сечения и качества поверхности.

Волокнистые композиты рассматриваются как перспективные высокожаропрочные материалы. Для повышения коэффициента полезного действия тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (оксида алюминия Al₂O₃). Предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680°C превышает 700 МПа, что позволяет значительно повысить рабочую температуру на входе в турбину. Армирование сопловых блоков ракетных двигателей, изготовленных из порошков вольфрама и молибдена, кристаллами сапфира в виде войлока или отдельных волокон позволяет удвоить прочность материала при температуре 1650°C.

Для армирования композитов применяют металлическую проволоку из различных материалов: стали различного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния – выбор определяется условиями эксплуатации. Стальная проволока может перерабатываться в тканые сетки, обеспечивающие ориентацию арматуры в двух направлениях. При создании композитов на основе легких металлов активно используются волокна бора и карбида кремния. Особую ценность представляют углеродные волокна, применяемые для армирования металлических, керамических и полимерных матриц благодаря уникальному сочетанию высокой прочности, жесткости и низкой плотности.

Эвтектические композиционные материалы. Эвтектические композиционные материалы представляют собой сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющая фаза формируется в процессе направленной кристаллизации в виде ориентированных кристаллов. Принципиальным отличием от традиционных композитов является получение эвтектических материалов за одну технологическую операцию, без раздельного введения компонентов. Направленная ориентированная структура может формироваться непосредственно в готовых изделиях, а образующиеся кристаллы могут иметь волокнистую или пластинчатую морфологию.

Методами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, что обеспечивает их применение в широком интервале температур. Эвтектические композиты отличаются высокой термической стабильностью, поскольку упрочняющая фаза находится в термодинамическом равновесии с матрицей, что исключает диффузионный размыв границ раздела при высокотемпературной эксплуатации.

Полимерные композиционные материалы. Особенностью полимерных композиционных материалов является использование в качестве матрицы различных полимеров, выполняющих функцию связующего для армирующих компонентов. Арматура может быть представлена волокнами, тканями, пленками или стеклотекстолитом. Формирование изделий осуществляется методами прессования, литья под давлением, экструзии или напыления. Широкое распространение получили гибридные композиции, включающие как металлические, так и полимерные составляющие, что позволяет взаимно дополнять их свойства.

Примером могут служить подшипники для сухого трения, изготовленные из комбинации фторопласта и бронзы. Такая композиция обеспечивает эффект самосмазываемости благодаря фторопласту и исключает ползучесть благодаря металлическому компоненту. Созданы также материалы на основе полиэтилена и полистирола с наполнителями в виде асбестовых и других волокон, характеризующиеся повышенными прочностными показателями и жесткостью при сохранении легкости переработки.

Порошковая металлургия: основы технологии и преимущества. Порошковая металлургия представляет собой область техники, охватывающую процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений, а также изготовления изделий из этих порошков без полного расплавления основного компонента. Характерной особенностью технологии является использование исходного сырья в виде порошков, из которых методами прессования формуются заготовки заданной формы и размеров с последующим спеканием при температуре ниже точки плавления основной фазы.

К основным достоинствам порошковой металлургии относится возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда применение традиционных литейных технологий невозможно. Технология обеспечивает значительную экономию материала благодаря получению изделий высокой точности, которые в минимальной степени нуждаются в последующей механической обработке – отходы составляют не более 1-3 процентов. Метод позволяет получать материалы максимальной чистоты и характеризуется относительной простотой технологического цикла. Промышленность выпускает методом порошковой металлургии твердые сплавы, антифрикционные и фрикционные материалы, фильтры, электропроводники и конструкционные детали, работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.

Пористые порошковые материалы. Отличительной особенностью данной группы материалов является наличие равномерной объемной пористости, обеспечивающей требуемые эксплуатационные свойства. Антифрикционные материалы с пористостью 15-30 процентов широко применяются для изготовления подшипников скольжения. Они представляют собой пористую основу, пропитанную маслом, которое в процессе работы поступает из пор на поверхность трения, создавая эффект самосмазывания. Это исключает необходимость внешней подачи смазки, что особенно важно для пищевой и фармацевтической промышленности.

Такие подшипники практически не изнашивают поверхность вала и создают шум в 3-4 раза меньший по сравнению с шарикоподшипниками. Рабочие характеристики: скорости трения до 6 метров в секунду при нагрузках до 600 МПа, при меньших нагрузках скорость скольжения может достигать 20-30 метров в секунду. Коэффициент трения составляет 0,04-0,06. Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением 1-3 процентов графита.

Разработаны также подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений (боридов, карбидов), содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора. Такие подшипники работоспособны в условиях вакуума и при температурах до 500°C. Металлопластмассовые антифрикционные материалы получают пропиткой спеченных бронзографитов, титана или нержавеющих сталей фторопластом, что обеспечивает коррозионную стойкость и повышенную износостойкость при сроке службы вдвое большем, чем у традиционных материалов.

Фрикционные материалы с пористостью 10-13 процентов предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозных устройствах. Условия эксплуатации характеризуются мгновенным нагревом поверхности трения до 1200°C при температуре в объеме материала 500-600°C. Спеченные многокомпонентные материалы работают при скоростях трения до 50 метров в секунду и нагрузках 350-400 МПа. Коэффициент трения при работе в масле составляет 0,08-0,15, при сухом трении – до 0,7.

По функциональному назначению компоненты фрикционных материалов разделяются на три группы. Основу составляют медь и ее сплавы для рабочих температур 500-600°C либо железо, никель и их сплавы для сухого трения при температурах 1000-1200°C. Твердые смазки (свинец, олово, висмут, графит, сульфиды бария и железа) предотвращают микросхватывание при торможении. Материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения, включают асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома. Типичный состав фрикционного сплава: медь (60-70%), олово (7%), свинец (5%), цинк (5-10%), железо (5-10%), кремнезем или карбид кремния (2-3%), графит (1-2%).

Фильтрующие материалы с пористостью 25-50 процентов из спеченных металлических порошков превосходят по эксплуатационным характеристикам другие фильтрующие среды, особенно в задачах тонкой очистки. Они работоспособны в интервале температур от -273°C до 900°C, обладают коррозионной стойкостью и жаропрочностью. Спекание позволяет получать материалы с относительно прямыми порами одинакового размера. Фильтры изготавливают из порошков бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни, а для металлургической промышленности – из никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений.

Специальные пористые материалы и пеноматериалы. «Потеющие сплавы» представляют собой материалы, способные пропускать через свою пористую структуру жидкость или газ к рабочей поверхности детали. При испарении жидкости происходит интенсивное охлаждение поверхности – этот эффект используется в лопатках газовых турбин. Сплавы создаются на основе порошка нихрома с диаметром пор 10-12 микрометров при пористости 30 процентов. Обратная задача решается при создании противообледенительных систем самолетов: пористый медно-никелевый слой на крыльях подает на поверхность антифриз.

Пеноматериалы характеризуются сверхвысокой пористостью, достигающей 95-98 процентов. Например, плотность вольфрама составляет 19,3 г/см³, в то время как пеновольфрама – всего 3 г/см³. Такие материалы применяются в качестве легких заполнителей и теплоизоляции в авиационной технике, где критически важным является снижение массы конструкций при сохранении прочностных характеристик.

Конструкционные порошковые материалы. Спеченные стали широко используются для изготовления кулачков, корпусов подшипников, роликов, звездочек распределительных валов, деталей вычислительной техники. Слабонагруженные детали производят из порошка железа с графитом. Для средненагруженных изделий применяют двукратное прессование и спекание либо пропитку спеченной заготовки медью или латунью. Детали сложной конфигурации, например сдвоенные шестерни, получают из отдельных элементов, соединяемых с натягом и спекаемых как единое целое.

Шестерни в зависимости от условий работы изготавливают из железографита либо железографита с медью и легирующими элементами. Снижение себестоимости при переходе от механической обработки к спеканию составляет 30-80 процентов. Пропитка маслом обеспечивает самосмазываемость, снижает износ и шум при работе. Спеченные поршневые кольца производят из смеси железного порошка с графитом, медью и сульфидом цинка, выполняющим функцию твердой смазки. Двухслойные кольца с повышенным содержанием хрома и графита во внешнем слое увеличивают ресурс двигателя и снижают расход масла.

Высоколегированные порошковые стали, содержащие до 20 процентов хрома и 15 процентов никеля, предназначены для изделий, эксплуатирующихся в агрессивных средах. Спеченный титан и его сплавы выпускаются в виде листов, труб, прутков; титановый каркас может пропитываться магнием для улучшения обрабатываемости давлением. Материалы на основе меди, включая бронзографитовые шестерни, широко используются в машиностроении. Спеченные латуни превосходят литые по однородности состава и чистоте.

Керамикометаллические материалы и твердые сплавы. Керметы представляют собой композиционные материалы, содержащие более 50 процентов керамической фазы. В качестве керамической составляющей выступают тугоплавкие бориды, карбиды, оксиды и нитриды, металлической фазы – кобальт, никель, тугоплавкие металлы и стали. Керметы характеризуются высокими жаростойкостью, износостойкостью, твердостью и прочностью. Основное применение – детали конструкций, работающие в агрессивных средах при высоких температурах: лопатки турбин, чехлы термопар. Частным случаем керметов являются твердые сплавы, широко используемые в режущем инструменте.

Электротехнические порошковые материалы. Электроконтактные материалы подразделяются на материалы для разрывных и скользящих контактов. Разрывные контакты должны обладать высокой электро- и теплопроводностью, эрозионной стойкостью к воздействию электрической дуги и не свариваться в процессе работы. Поскольку чистые металлы не удовлетворяют всем требованиям одновременно, контакты изготавливают прессованием с последующим спеканием либо пропиткой пористого тугоплавкого каркаса (вольфрам) легкоплавким металлом (медь, серебро).

Тяжелонагруженные разрывные контакты для высоковольтной аппаратуры выполняют из смесей вольфрам-серебро-никель или железо-медь. В низковольтной технике используют материалы на основе серебра с никелем, оксидом кадмия, а также медно-графитовые композиции. Скользящие контакты (токосъемники) работают в парах трения и должны обладать высокими антифрикционными свойствами, при этом контакт должен быть мягче контртела, чтобы не изнашивать коллектор или привод. В состав смесей вводят твердые смазки – графит, дисульфид молибдена, гексагональный нитрид бора.

Магнитные порошковые материалы. Магнитомягкие материалы характеризуются высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, что обеспечивает быстрое намагничивание и размагничивание при снятии поля. Основой служат чистое железо и его сплавы с никелем и кобальтом. Для повышения электросопротивления вводят кремний и алюминий. Магнитодиэлектрики представляют собой частицы магнитомягкого материала, изолированные слоем диэлектрика (жидкое стекло, синтетические смолы), что обеспечивает высокое электросопротивление и минимальные потери на вихревые токи.

Магнитотвердые материалы (постоянные магниты) обладают малой магнитной проницаемостью и большой коэрцитивной силой. Магниты массой до 100 грамм изготавливают из порошковых смесей типа альни (железо-алюминий-никель) и альнико (железо-алюминий-никель-кобальт). После спекания обязательна термическая обработка в магнитном поле. Наиболее высокими магнитными характеристиками обладают магниты из сплавов редкоземельных металлов (церий, самарий, празеодим) с кобальтом, применяемые в прецизионных приборах и современных устройствах.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.