книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов

структурой и прочностью (рис. 3.22), не уступающей кованым материалам, однако не всегда оправдывают свою достаточно высокую стоимость и используются в основном для ответственных узлов.

Рис. 3.22. Детали, изготовленные горячим прессованием

Горячая ковка эффективна для производства дорогих материалов, таких как твердые сплавы. Недостатком является низкая производительность и высокая стоимость специальных теплостойких матриц и защитных газовых сред.

Изделия другой группы (композиционные) в стоимостном отношении более дороги за счет более сложных технологий, но их эксплуатационные свойства повышаются кратно по сравнению с традиционными. Например, композиционный материал «сталь–бронза», созданный в Научном центре ПМ, г. Пермь (НЦ ПМ), обладает коэффициентом трения как у бронзы и прочностью стали (рис. 3.23), а стальные пары трения, упрочненные с поверхности твердым сплавом обладают износостойкостью твердого сплава и пластичностью чуть ниже, чем у стали (рис. 3.24).

121

Рис. 3.23. Композиционный	Рис. 3.24. Пары трения, упрочненные
материал «сталь–бронза»	по поверхности твердым сплавом
(НЦ ПМ)

Износостойкие и режущие изделия, содержащие сверхтвердые фазы в больших количествах, могут быть получены только методом ПМ (рис. 3.25, 3.26). Консолидация фаз в таких композиционных материалах часто обеспечивается при спекании с инфильтрацией металлическими сплавами. Преимущество ПМ при создании неразъемных конструкций из материалов с различными механическими и химическими свойствами – возможность сохранения формы и размеров изделия, поскольку основной компонент всегда остается в твердой фазе.

Рис. 3.25. Алмазный инструмент	Рис. 3.26. Изделия из карбидо-
(НЦ ПМ)	сталей (НЦ ПМ)

122

Конкурирующими направлениями при создании соединений являются пайка, рельефная сварка, лазерная сварка и т.д. Однако все эти методы влекут за собой высокотемпературную обработку, что может привести к уменьшению прочности и изменениям формы и размеров изделий, образованию нежелательных химических соединений. Клеевые же соединения имеют низкую прочность и не обеспечивают требуемую коррозионную стойкость.

Основными преимуществами получения соединений с инфильтрацией являются надежность и простые технологические приемы. Применение промежуточного слоя обеспечивает увеличение контактной поверхности и активацию процессов спекания. Технология дает возможность получать качественное соединение независимо от формы поверхности. Единственной альтернативой указанному способу по экономическим, технологическим и эксплуатационным характеристикам является пайка, однако использование промежуточных слоев позволяет получать гораздо более прочные соединения.

По соотношению цена/качество композиционные порошковые материалы обычно превосходят традиционные (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Сравнительные показатели литой износостойкой стали Х12Ф, композиционного порошкового материала (карбидостали), твердого сплава ВК-8

123

Рассмотрев существующее разнообразие видов технологических обработок металлов и керамики, можно заключить, что в большинстве случаев выгодно применять технологию ПМ взамен традиционных, а для обеспечения необходимых свойств и точности размеров не обязательно использовать специальные методы ПМ – вполне достаточно традиционного соосного прессования порошков. Этим методом сейчас производится 85–90 % деталей из железных порошков (основного исходного материала порошковой металлургии). Вторым по объемам производства является инжекционное формование (5 %). Третье место в производстве материалов на основе железа удерживает горячая ковка. Перспективными порошковыми материалами, по мнению Европейской, Японской, Американской ассоциаций порошковой металлургии, считаются суперсплавы, металломатричные композиты, нанопорошки и наноматериалы, плакированные порошки, пластичные и легкие интерметаллиды, для производства которых в ближайшие годы активизируются такие методы, как изостатическое формование, инжекционное формование, золь-гель процессы, механическое легирование, самораспространяющийся высокотемпературный синтез.

3.3. Производство изделий из керамических порошков

«Керамос» (греч.) – обожженная глина, «керамике» – гончарное искусство. Гончарное искусство имело несколько этапов развития:

•каменный век – инструменты и посуда из камня и глины,

•средние века – скульптура,

•бронзовый и железный века – футеровка печей,

•IV–III вв. до н.э. – глиняные изделия,

•времена Древнего Рима – кирпичи, черепица, водопровод,

•XVI в. – ввоз китайского фарфора в Европу (рис. 3.28).

В настоящее время керамика – поликристаллические вещества, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. В XX в. благодаря керамике появились изоляторы, конденсаторы, подложки микросхем, стекла (рис. 3.29), стоматологические изделия (рис. 3.30).

124

Рис. 3.28. Фарфоровые изделия из Китая

Рис. 3.29. Изоляторы

125

Рис. 3.30. Керамические изделия стоматологического назначения

Перспективность керамики:

1.Многообразие свойств (многофункциональность) по сравне-

нию с другими типами материалов (металлами и полимерами). Среди видов керамики всегда можно найти такие, которые с успехом заменяют металлы и полимеры, тогда как обратное возможно далеко не во всех случаях.

2.Доступность сырья, в том числе для получения бескислородной керамики типа карбидов и нитридов кремния, циркония или алюминия, заменяющих дефицитные металлы.

3.Технология получения конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных металлических материалов.

4.Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду в такой мере, как металлургия.

5.Получение керамики обычно более безопасно, чем производство альтернативных металлических материалов.

6.Керамические материалы по сравнению с металлами облада-

ют более высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к ра-

диационным воздействиям, что обусловливает долговечность керамических конструкций в агрессивных средах.

126

7. Керамические материалы обладают большей биологической совместимостью, чем металлы и полимеры, что позволяет использовать их в медицине как для имплантации искусственных органов, так и в качестве конструкционных материалов в биотехнологии и генной инженерии.

8. Перспектива дальнейшей микроминиатюризации приборов с использованием керамических элементов. Любое, даже самое малое керамическое изделие состоит из огромного числа кристаллитов, размер, форма и относительное расположение которых определяют их свойства.

Перспективы и приоритеты в керамической и стекольной науке

ипромышленности (на 10 лет):

•работы в области ультрадисперсного состояния, супрамолекулярной химии, коллоидных систем;

•исследования, расширяющие пределы свойств материалов, позволяющие эксплуатировать их в еще более экстремальных условиях;

•создание новых конструкционных и функциональных материалов с воспроизводимыми свойствами и надежным функционированием;

•новые биоматериалы – имплантаты, биосенсоры, материалы, обеспечивающие доставку лекарственного вещества к участку действия (пористые среды) или химических веществ к растениям и т.п.;

•«интеллектуальные» материалы, имеющие свойство не только воспринимать внешние воздействия, но и изменять свои характеристики (и даже форму) необходимым образом.

В области технологии материалов будут развиты процессы, дающие наибольшую экономическую эффективность, включая малотоннажную химию и технологии микро- и нанопорошков.

Классификация технических видов керамики.

По составу керамические материалы делят:

•на кислородную керамику: оксиды алюминия Аl2О3, циркония ZrO2, иттрия Y2O3, магния MgO, кремния SiO2, титана TiO2 и др.;

•бескислородную керамику: карбиды кремния SiC, титана TiC, нитриды кремния Si3N4, алюминия AlN, бора BN, титана TiN и др.;

127

• смешанную: сиалоны, представляющие собой сложные фазы Si6–xAlxOxN8–x, которые можно рассматривать как алюмосиликаты, в которых кислород частично замещен азотом, оксинитрид кремния Si2ON2, оксинитрид алюминия AlON.

По структуре керамику можно разделить:

•на кристаллическую, которая характеризуется упаковкой образующих ее атомов в один из видов кристаллической решетки (шпинели, перовскиты, гранаты);

•аморфную (стекла), которая характеризуется ближним порядком;

•композиты, которые состоят из отдельных (разнородных) фаз, отличающихся составом, структурой и свойствами.

Классификация по области применения приведена в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Классификация керамических материалов по области применения

Вид керамики	Область применения материалов
Электротехническая	Электроизоляторы, корпусы и подложки интеграль-
	ных схем (Аl2О3, SiO2)
	Высокоемкостные конденсаторы, запоминающие
	устройства (BaSnO3, BaYO2–La2O3–3TiO2)
	Пьезоэлементы, фильтры, транзисторы, ультразву-
	ковые устройства (CaTiO3, BaTiO3)
	Электронные микроскопы, горячие катоды (BaO,
	CaO, Аl2О3)
	Варисторы (SiC, ZnO), анализаторы влажности, тер-
	мисторы, тепловые элементы (LaCrO3, ZrO2,
	SiC/ZnS,SnO2)
	Твердые электролиты, натрийсерные аккумуляторы,
	анализаторы среды в печах (AgI, Ag4RbI5, Ag2S, LiI)
Оптическая	Оболочки галогенных и натриевых ламп, окна ядер-
	ных реакторов и др. (Al2О3, Y2О3, MgO)
	Компоненты цветных телевизионных трубок (шее-
	лит, циркон, апатит, aлмаз, флюорит)
128

	Окончание табл. 3.2
Вид керамики	Область применения материалов
	Фотоэлектрические преобразователи (Si, Cu(In,Ga)Se2
	и GaAs, AlGaAs-GaAs)
Магнитная	Магниты для бытовой техники, сердечники транс-
	форматоров и катушек и др. (Fe2О3, NiO, ZnO)
Проводящая	Электроды, нагреватели для электрических печей
	(SiC)
Сверхпроводящая	Сверхпроводящие элементы (Bi2Sr2Gan–1, CunO2n+4)
Конструкционная	Металлорежущие станки и инструменты (Al2О3,
	ZrO2)
	Волоки, фильеры, нитеводители (карбиды, твердые
	сплавы)
	Абразивные материалы и инструменты (SiC, Si3N4
	B4N)
	Детали подшипников скольжения, высокотемпера-
	турная смазка (SiC, Si3N4, Ti3SiC2)
	Детали двигателей, в том числе для летательных ап-
	паратов (SiC, Si3N4, Ti3SiC2)
	Материалы для брони (ZrO2)
Химическая	Детали химических аппаратов и ядерно-энерге-
	тических установок (SiO2, Si3N4, SiC, Al2O3, В4С)
	Катализаторы и носители катализаторов
Биологическая	Устройства для биохимических процессов, носите-
	ли для связывания энзимов (Al2О3)
	Искусственные суставы, зубные протезы
	Al2О3, ZrO2, Na2O, CaO, SiO2, P2O5, Ca10(PO4)6(OH)2

Перспективными являются материалы на основе карбосилицида титана Ti3SiC2. Они имеют преимущества перед другими видами керамики:

•износостойкость в 2,5 раза выше, чем у SiC;

•низкий коэффициент трения (например, по стали с абразивом 0,07) благодаря слоистой, как у графита, структуре (рис. 3.31);

129

•стойкость к окислению, термо- и коррозионная стойкость, электропроводность;

•отличная теплопроводность, слабо снижающаяся с ростом температуры;

•стойкость к термоудару, хорошая обрабатываемость резанием. Эти материалы примененяют в качестве конструкционного жа-

ропрочного материала, теплообменников.

Рис. 3.31. Структура карбосилицида титана

Технология изготовления керамики:

1)синтез порошков,

2)приготовление формовочных масс,

3)формование,

4)обжиг,

5)финишная обработка.

Для достижения повышенного сопротивления хрупкому разрушению керамических материалов необходимо мелкое зерно в структуре материала (малые размеры собственных дефектов и торможение трещины).

Методы получения порошков для технической керамики:

1. Керамический метод – повторение цикла «обжиг–помол» смеси оксидов.

130