Для повышения физико-механических свойств, спеченных заготовок применяют повторное прессование и спекание, пропитку смазочными материалами, термическую или химико-термическую обработку.
Повторное прессование и спекание позволяет получать детали с более высокой плотностью. Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке при повышенных температурах. Обработка давлением позволяет снизить пористость материалов и повысить их пластичность.
Порошковые металлические материалы – это изготовленные при помощи метода приготовления порошковой шихты, формирования и спекания спеченные материалы. К данным материалам можно отнести твердые сплавы, дисперсноупрочненные композиты, анти– и фрикционные материалы, порошковые стали, спеченные цветные металлы, пористые металлические материалы.
Для того чтобы получить спеченные детали из порошковой стали, используются смеси порошков железа и легирующих порошков, а также порошки углеродистых и легированных сталей. Способы получения порошковых сталей: холодное прессование и спекание; двойное прессование и спекание; горячее прессование; горячая штамповка. Термическая обработка порошковых сталей осуществляется в специальных защитных средах. С целью предотвращения процесса окисления для охлаждения сталей используется масло или вода. Порошковые стали имеют один характерный структурный элемент – поры. Чем больше пористость материала, тем ниже плотность, прочность и ударная вязкость стали. Но многие характеристики материалов зависят от пористости не монотонно. Так, трещиностойкость и ударная вязкость порошкового железа изменяется немонотонно в зависимости от пористости.
Широкое распространение в современном машиностроении получили порошковые спеченные антифрикционные материалы, приготовляемые с использованием медной и стальных матриц. Для приготовления более прочных и качественных материалов используются специальные добавки: фтористый кальций, графит, турбост-ратный нитрид бора. В результате после процесса спекания образуется пористая структура. В поровых каналах данной структуры могут сохраняться частицы масла и другие жидкие смазки. Материалы с пористой структурой являются наиболее подходящими для замены бронзовых и баббитовых металлических антифрикционных сплавов, которые достаточно дорогостоящие в применении.
В порошковой металлургии производится минералокерамика, которая получается при использовании железа, кобальта и других тугоплавких металлов. Изделия из бериллия также изготавливаются методами порошковой металлургии. Процесс изготовления: формование и спекание, горячая пластическая деформация.
51. Неорганические стекла. Техническая керамика
Неорганическое стекло – химически сложные аморфные изотропные материалы, обладающие свойствами хрупкого твердого тела.
Стекла состоят:
1. Стеклообразователи – основа:
а) Si02 – силикатное стекло, если Si02 > 99 %, то это кварцевое стекло;
б) AI2O3 + Si02 – алюмосиликатное стекло;
в) B203 + Si02 – боросиликатное стекло;
г) AI203 + B203 + Si02 – алюмоборосиликатное стекло;
2. Модификаторы, вводятся для придания стеклу определенных свойств. Ввод оксидов щелочноземельных металлов (I, II группа: Na, K) уменьшает температуру размягчения. Оксиды хрома, железа, ванадия придают стеклу определенные цвета. Оксиды свинца увеличивают коэффициент преломления. В зависимости от количества модификаторов стекла бывают: щелочные с содержанием модификаторов до 20–30 %, бесщелочные – до 5 % модификаторов, кварцевое стекло – модификаторов нет;
3. Компенсаторы, подавляют негативное воздействие модификаторов. Стекла в автомобилях, в стеклопластиках, оптика, теплопроводимость низкая, не растворимы в кислотах и щелочах.
Свойства стекол: стекла отличаются высокой твердостью и пределом прочности. Теоретически предел прочности достигает 10–12 ГПа. Модуль упругости E = 70 ГПа. Твердость по Виккерсу HV ~ 750 кгс/мм2. Практически предел прочности – 50-100 МПа. Низкий аВ объясняется факторами: высокий коэффициент линейного расширения. С остыванием стекла на его поверхности образуются растягивающие напряжения, что приводит к появлению трещин. Стекло – хороший теплоизолятор, что также приводит к образованию трещин. Стекло не сопротивляется динамическим нагрузкам.
Способы упрочнения стекол:
1) травление для удаления дефектного поверхностного слоя. Предел прочности увеличивается до 3000 МПа. Малоэффективный способ, т. к. в дальнейшем стекло взаимодействует с абразивными частицами или твердыми материалами;
2) создание на поверхности сжимающих напряжений. Для этого проводят закалку, осуществляют нагрев до определенной температуры, затем охлаждают в заданном режиме (температура нагревания, охлаждение и время выдержки). Предел прочности увеличивается до 1000–1500 МПа;
3) нанесение на поверхность стекол полимерных материалов. Полимерное связующее склеивает микротрещины на поверхности стекла.
Кварцевое стекло обладает высокой газопроницаемостью (гелий, водород, неон) по сравнению с другими силикатными стеклами, в составе которых кроме диоксида кремния присутствуют оксиды щелочных и щелочноземельных металлов.
Два параметра, объединяющих структуру двойных фосфатных стекол со структурой двойных силикатных стекол: структурной основной единицей являются тетраэдрические элементокислородные группировки; при добавлении модифицирующих оксидов увеличивается число не мостиковых атомов кислорода.
Затвердение и плавление стекла происходит постепенно в некотором температурном интервале. Поэтому не существует определенная температура затвердевания или плавления. В процессе охлаждения расплав переходит из жидкого в пластическое состояние, а после этого – в твердое (процесс стеклования).
Органические стекла представляют собой органические полимеры-полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом, находящиеся в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметил-метакрилата. По своей технологии, механизму твердения и строению органические стекла отличаются от неорганических.
Элементарные стекла способны образовывать небольшое число элементов – сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод.
Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента BeF2. Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол включают в себя фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария. Фторбериллатные стекла широко применяются на практике из-за высокой устойчивости к действию жестких излучений, включая рентгеновские лучи, и таких агрессивных сред, как фтор и фтористый водород.
Промышленное значение приобретают способы получения стекол путем вакуумного испарения, конденсации из паровой фазы, плазменного напыления. В этих случаях стекло удается получить из газовой фазы, минуя расплавленное состояние.
Керамика – неорганический материал, получаемый отформованнием масс в процессе высокотемпературного обжига. Оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе. Более прочными являются мелкокристаллические структуры. С повышением температуры прочность керамики понижается. Керамика из чистых оксидов не подвержена процессу окисления.
Бескислородная керамика. Материалы являются очень хрупкими. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900-1000 °C, у нитридов оно ниже. Силициды выдерживают температуру 1300–1700 °C. При таких температурах на поверхности образуется пленка кремнезема.
52. Полимеры, пластмассы
Полимеры – это вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных повторяющихся элементарных звеньев, которые представляют одинаковую группу атомов. Молекулярная масса молекул составляет от 500 до 1000000.
В молекулах полимеров различают главную цепь, которая построена из большого числа атомов. Боковые цепи имеют меньшую протяженность.
Полимеры, главная цепь которых содержит одинаковые атомы, называют гомоцепными, а если атомы углерода – карбоцепными. Полимеры, в главной цепи которых содержатся различные атомы, называют гетероцепными.
Макромолекулы полимеров по форме делят на линейные, разветвленные, плоские, ленточные, пространственные или сетчатые.
Линейные макромолекулы полимера – длинные зигзагообразные и скрученные в спираль цепочки, которым присуща гибкость, ограничивающаяся жесткими участками – сегментами, состоящими из нескольких звеньев. Такие макромолекулы обладают высокой прочностью вдоль главной цепи, слабо связаны между собой и обеспечивают высокую эластичность материала. Нагрев вызывает размягчение, а последующее охлаждение – затвердевание полимера (полиамид, полиэтилен).