5.10. Сплави космічної технології

Плавлення металу в умовах Землі приводить до впливу земного тяжіння та атмосфери. Так, під впливом земного тя- жіння не можна досягнути рівномірного розташування по висоті виробу компонентів різної густини. Розплавлений ме- тал взаємодіє з тиглем, з пічними газами, повітрям атмосфе- ри. При формоутворенні залишаються деформовані ділянки, як на поверхні, так і в середині виробу тощо.

В умовах космосу, де діє невагомість та відсутнє повітря, є можливість усунути багато факторів, які діють на Землі. Плавлення металу може здійснюватись без тигля, у глибоко- му вакуумі, а форма виробу утворюватись за допомогою елек- тричних та магнітних полів.

Завдяки цим умовам з’явилась можливість отримати но- вий сплав — сплав металу з газами. У невагомості газ добре розчиняється у розплавленому металі. Після кристалізації отримується «металічна губка» з рівномірно розташованими замкнутими газовими бульбашками. Такий сплав може пла- вати на воді. Це обумовлює перспективу його використання у літакобудуванні, суднобудуванні тощо.

Заслуговує на увагу виготовлення композиційних матер- іалів в космосі, матеріалів з протикорозійним покриттям, ма- теріалів високої чистоти, напівпровідникових матеріалів тощо.

3 появою космічної технології виготовлення виробів, з’я- вилась можливість створення незвичайних деталей. Наприк- лад, відомо, що порожнисті кулі міцніші суцільних і в 5 — 8 разів довговічніші їх. Але виготовлення їх в умовах землі дуже затруднене і дороге. В космосі ж це робиться просто. В сере- дину рідкої кулеподібної каплі шприцом вводиться газ, і після кристалізації ідеальна порожниста куля готова. Так можна отримати порожнисті ролики та інші деталі, які будуть міцни- ми та легкими.

92

5.11. Порошкові матеріали

Виробництво деталей з порошків відноситься до галузі, яка називається порошковою металургією, або металокерам- ікою. Порошковою металургією можна виготовити матеріа- ли та деталі з них з властивостями, які не притаманні матер- іалам, отриманим методом розплаву. Так, можна отримати сплави з металів, які не розчиняються один в другому, сплави металів з неметалами, пористі сплави, тугоплавкі матеріали, надзвичайно тверді сплави та ін.

Технологія виготовлення деталей та виробів з порошків включає виготовлення порошків, утворення шихти, формо- утворення виробів, пресування і спікання.

Порошки з металів отримують механічними або фізико-

хімічними способами.

Механічні способи полягають в розмеленні металів у

спеціальних млинах або розпиленні розплавленого металу

струмемнем газу. Для розмелювання твердих крихких матер-

іалів використовують кульові, вихрові та вібраційні млини.

Кульовий млин складається зі стального барабану, в який

завантажують матеріал для подрібнення, і розмелюючі кулі.

При обертанні барабану кулі подрібнюють матеріал на час-

тини неправильної форми розмірами 100 — 1000 мкм. Роз-

мелювання у вихрових млинах більш інтенсивне, ніж у куль-

ових. У камері вихрового млина є два лопатеві гвинти, які

обертаються в різні сторони та утворюють потоки повітря,

які перетинаються між собою. В камеру завантажують шма-

точки дроту, стружку, шматочки металобрухту тощо. Потоки

повітря захоплюють їх і за рахунок співударяння розмелю-

ють до розмірів 50 — 200 мкм. Отримані частинки мають тарілчасту форму з рваними краями.

Для отримання тонких порошків з крихких карбідів ме-

талів і окислів застосовують вібраційні млини. Вони найбільш продуктивні. Їх робота заснована на високочастотній дії на

матеріал стальних куль та циліндрів, які здійснюють кругові коливання високої частоти.

Методом розпилення розплавленого матеріалу виготов-

ляють порошки переважно з олова, свинцю, алюмінію, міді,

а інколи і сталі. Отримані частинки мають кулеподібну фор-

му і розміри 50 —350 мкм.

93

Основними фізико-хімічними методами є хімічне віднов- лення металів з окислів, електроліз розплавлених солей, кар- бонільний метод та метод гідрогенізації. При фізико-хімічних методах отримання порошків, на відміну від механічних, відбувається зміна хімічного складу та властивостей матері- алу, який подрібнюється. Але отримані порошки більш тон- кодисперсні та чисті, ніж при механічних способах.

Шихту для виготовлення виробу готують за допомогою змішуючих пристосувань. Для кращого змішування в шихту додають спирт, бензин, гліцерин та дистильовану воду. Інко- ли в процесі змішування вводять технологічні добавки різно- го призначення: пластифікатори, легкоплавкі присадки, ле- тучі речовини, які дозволяють виготовити виріб із заданою пористістю.

Пресування порошків здійснюють в холодному або гаря-

чому стані прокаткою чи іншими способами.

При холодному пресуванні в матрицю прес-форми заси- пають шихту і робочим пуансоном стискають суміш. Вийма- ють виріб з прес-форми виштовхуючим пуансоном. При пре- суванні частинки порошку перерозподіляються, утворюючи вільну упаковку. Спочатку вони деформуються пружно, а в кінці ущільнюються за рахунок пластичної деформації. Це дає можливість отримати міцне з’єднання між частинками порошків. Пресування може бути одностороннє, двостороннє, гідравлічними пресами, мундштучне пресування, прокаткою, вибухом тощо.

При гарячому пресуванні в прес-формі виріб не тільки формується, але і підлягає спіканню. Його можна здійснюва- ти у вакуумі, захисній атмосфері в широкому інтервалі тем-

ператур (1200 — 1800 ^oC ) та при меншому тиску, ніж при

холодному пресуванні. Стискують порошок переважно після

його нагрівання.

При необхідності після виготовлення вироби з порошко- вих матеріалів доводять до необхідних розмірів, форми, чис- тоти поверхні шляхом калібрування, обробкою різанням, тер- мічною та хіміко-термічною обробкою, повторним пресуван- ням тощо.

Способом порошкової металургії виготовляють тверді сплави для виготовлення ріжучого інструменту, матеріали

94

високої твердості, жароміцні та жаростійкі матеріали (кер- мети), пористі матеріали, електротехнічні матеріали, фрик- ційні сплави тощо.

Основу твердих сплавів складають карбіди тугоплавких металів, а зв’язуючим елементом — метал залізної групи. Однокарбідні сплави виготовляються з карбіду вольфраму, а зв’язуючим металом є кобальт. Вони позначаються буквами та цифрою — ВК6. Цифра показує вміст кобальту. Двокарбідні сплави крім карбіду вольфраму мають карбід титану. Позна- чаються — ТІ5К6. У цьому сплаві 15 % карбіду титану, 6 % кобальту і 79 % — карбіду вольфраму. Трикарбіднісплави крім карбідів вольфраму та титану мають карбід танталу, а зв’язу- ючим елементом є кобальт. Маркуються наприклад, так — ТТ7КІ2. У цьому сплаві сумарна кількість карбідів титану і танталу 7 %, кобальту 12 %, а карбіду вольфраму 81 %.

_{Ці сплави мають високу твердість (86 — 92 НRА) і чер-}

воностійкість (800 — 1000 ^o_C ). Стійкість різців, які виготов-

ляють з твердого сплаву, в 2 — 5 разів вища, ніж у швидкор-

іжучих сталей. Швидкість різання досягає 1000 — 2500 метрів за хвилину.

Проте, ці матеріали є крихкими і відносно дорогими, ос-

кільки до їх складу входить вольфрам.

Дороговизна і дефіцитність вольфраму привели до ство- рення сплавів на базі мінералів (карбід бору). Наприклад, створені композиції на основі карбіду бору мають твердість та зносостійкість, яка перевищує в декілька разів твердість сплаву ВК6. На практиці широке застосування знайшов сплав ельбор (40 % бору, 50 % азоту). Твердість ельбору (85000 —

90000 мПа) близька до твердості алмазу, а червоностійкість досягає 1500 ^oC , тоді як у алмазу 800 ^oC . Однак, він крих-

кий що обмежує застосування. Ельбор застосовується для ви- готовлення напайок на різці, для чистової обробки металів, шліфувальних матеріалів тощо.

Із мінералокерамічних сплавів найбільший інтерес вик- ликають мікроліт і термокорунд. Мікроліт (ЦМ-332) має ко- рундову, основу з добавкою окису магнію. Зерна корунда

Аl₂О₃ розміром менше 1 мкм з’єднуються синтетичним склом. Мікроліт широко використовується у волочильному вироб- ництві для виготовлення філь’єр.

95

З метою зменшення крихкості та збільшення зносостій- кості у вироби з мінералокераміки добавляють вольфрам, молібден, титан, нікель (до 10 %).

Жароміцні та жаростійкі металокерамічні матеріали виготовляють на основі металоподібних з’єднань перехідних металів (карбіди, бориди, сіліціди, нітриди).

Для роботи при температурах до 1000 ^oC застосовують

кермети на базі карбіду титану, для більш високих темпера- тур — композиції на базі карбіду бору та кремнію. Добре за- рекомендували себе кермети на основі боридів перехідних металів — бороліти. З них виготовляють деталі ракетних дви- гунів і захисних зносостійких покриттів.

Металокераміку, яка має пористість в межах 15 — 50 %, відносять до пористої. З неї виготовляють підшипники ков- зання, фільтри, «потіючі» матеріали. У підшипникових мате- ріалах пори забезпечують доступ мастила до поверхонь тер- тя, у фільтруючих — не пропускають забруднення, які знахо- дяться в рідинах, а в «потіючих» дають можливість рідинам поступово випаровуватися, що забезпечує самоохолодження виробів.

Кермети знайшли широке застосування в електротехніці. З них виготовляють електричні щітки для електромашин, кон- такти, осердя індуктивних котушок, постійні магніти, магні- топриводи тощо. Електроконтактні металокерамічні матері- али виготовляють із суміші порошків тугоплавких металів з міддю, сріблом. Тугоплавкі метали забезпечують механічні властивості та теплостійкість, а легкоплавкі — електроп- ровідність. Металокерамічні контакти застосовують у магні- тних пускачах, теплових реле, регуляторах напруг, апаратах управління тощо.

Для виготовлення фрикційних матеріалів використову- ють суміші міді, олова, свинцю та граніту. Їх використовують для виготовлення гальм транспортних засобів, муфт зчеплен- ня тощо.

96