Для изготовления постоянных магнитов многих электро- и радиоприборов применяются так называемые магнитно-твердые сплавы, обладающие большими значениями коэрцитивной силы и сравнительно значительной остаточной магнитной индукцией.
Если сравнительно недавно порошковая металлургия была одним из методов получения магнитно-твердых материалов, обеспечивающим высокую технологичность, то в настоящее время возникли новые классы этих материалов, которые могут быть получены только из порошков. К таким материалам относятся магниты на основе сплавов кобальта с редкоземельными металлами, магниты на основе магнитно-твердых ферритов и на основе высокодисперсных порошков железа и его сплава с кобальтом, магниты на основе сплавов марганца с висмутом и алюминием. При этом широкое распространение получили сплавы на основе железа типа Fe-Ni-Al-Со с добавками различных элементов.
Порошковые конструкционные материалы
Наиболее распространёнными видами порошковых изделий являются конструкционные детали, применяемые в машинах, механизмах и приборах. В зависимости от условий работы порошковые конструкционные детали подразделяют на ненагруженные, мало-, средне- и сильнонагруженные. Типовыми деталями из порошковых конструкционных материалов являются шестерни, кулачки, звёздочки, зубчатые колеса, накладки, шайбы, колпачки, заглушки, храповики, накладные и специальные гайки, крышки, фланцы, седла и корпуса клапанов, статоры, диски и роторы насосов, муфты, кольца, ограничители, а также детали мерительных инструментов и другие детали сложной конфигурации, применяемые в приборостроении и различных отраслях машиностроения. Детали могут выпускаться в виде готовых изделий или заготовок, которые требуют незначительной механической обработки. Решение об изготовлении деталей машин и приборов методами порошковой металлургии принимается исходя, в основном, из экономических соображений (главную роль здесь играет стоимость пресс-форм). Экономически целесообразно изготавливать конструкционные детали методами порошковой металлургии лишь при их массовом производстве, т. е. при производстве около 50 тыс. штук на 1 прессформу.
Ненагруженные и малонагруженные конструкционные детали изготавливают из углеродистой стали. Их получают из смеси порошков железа и графита.
При изготовлении шестерён традиционными методами литья и механической обработки в стружку уходит до 60 % высококачественного металла. Метод порошковой металлургии позволяет, в основном, устранить этот недостаток и имеет даже некоторые дополнительные преимущества, заключающиеся в изготовлении шестерён с определённой пористостью (5…15 %) и пропитывании их маслом, которое образует с имеющимся в спечённой шестерне свободным графитом, коллоиднографитовую смазку, удерживаемую в порах силами поверхностного натяжения. Благодаря наличию пропитанных маслом пор, уменьшается износ и снижается шум при работе шестерён.
К высокотемпературным материалам относятся материалы из тугоплавких порошков или соединений и порошковые материалы на основе этих соединений и порошков.
Тугоплавкими принято считать металлы, температура плавления которых выше, чем у железа. В качестве высокотемпературных материалов применяют материалы из порошков вольфрама, молибдена, тантала, ниобия, титана. Порошковый вольфрам, тантал, ниобий, молибден применяют в атомной энергетике, радиотехнике,
порошковый вольфрам и молибден -- в производстве нитей накаливания. Порошковый молибден используется для изготовления нагревательных элементов электрических печей. Порошковый титан и его сплавы, благодаря высокой удельной прочности и коррозионной стойкости, применяют при производстве деталей ракет, самолетов, для химического производства, а также в судостроении и медицине.
Порошковые инструментальные материалы
Инструментальные материалы -- материалы, предназначенные для изготовления инструментов или их рабочих частей. Необходимыми свойствами инструментальных материалов являются высокая износостойкость и твердость. При этом желательно, чтобы эти материалы обладали достаточной вязкостью, жаропрочностью, жаростойкостью, прочностью.
К традиционно используемым инструментальным материалам относятся инструментальные стали. При этом, в связи с ужесточением условий работы (особенно режущего инструмента) сам инструмент или его рабочие части (режущие кромки) изготавливают из сверхтвердых композиционных материалов на основе алмазов, керамик, твердых сплавов и др.. Из инструментальных материалов изготавливают режущий инструмент, инструмент для обработки давлением (пресс-формы, штампы и другие), некоторые измерительные инструменты (калибры, скобы и прочие) и др. Современные инструментальные материалы позволяют с высокой точностью обрабатывать детали и осуществлять их обработку при высоких скоростях резания, а изготовленный из этих материалов инструмент обладает высокой стойкостью при ее экстремальных режимах.
Твердые сплавы. Одним из важнейших и наиболее распространенных материалов, получаемых методом порошковой металлургии, является твердый сплав. Это -- гетерогенный керамико-металлический материал, характеризующийся соответствующим комплексом физикомеханических свойств (особенно износостойкостью и высокой упругостью материала) и нашедший широкое применение в промышленности в качестве режущего инструмента. При получении твердых сплавов реализуются такие преимущества порошковой металлургии, как возможность получать композиционные материалы из компонентов с различной температурой плавления, возможность достижения уникального комплекса физико-механических свойств материала, а также применение безотходной технологии производства и повышение коэффициента использования металла.
Твердые сплавы (ТС) -- это керамико-металлические материалы, состоящие из карбидов тугоплавких металлов и пластичного связующего (металла или сплава) при содержании тугоплавкой фазы ? 50 % (объема). Современные ТС получают из высших карбидов тугоплавких металлов и металлов железной группы (железа, никеля, кобальта) спеканием в присутствии жидкой фазы.
Различают карбидовольфрамовые (WC-Со), титановольфрамовые (WC-TiC-Со), титанотанталовольфрамовые (WC-TiC-ТаС-Со) и безвольфрамовые твердые сплавы.
В стандартах вольфрамовые (вольфрамокобальтовые) сплавы обозначаются буквами «ВК» с прибавлением цифры, обозначающей содержание кобальта (например, ВК6). Титановольфрамовые твердые сплавы обозначаются буквами «ТК». Марки сплавов в пределах группы также характеризуют содержание компонентов. Так, марка Т15К6 обозначает титановольфрамовый сплав типа WC-TiC-Со, содержащий 15 % TiC и 6 % Со (остальное WC).
В обозначение титанотанталовольфрамовых сплавов входят буквы «ТТК», а остальное обозначение аналогично обозначению титановольфрамовых сплавов (например, ТТ17К12). Перечень всех марок, выпускающихся в настоящее время, приведен в ГОСТ 3882-74.
К материалам, используемым для обработки резанием, предъявляют высокие требования. Комплекс основных характеристик, изучаемых у материалов данного класса, можно разделить на следующие группы (по степени важности):
· а) I группа -- твердость, временное сопротивление при изгибе, теплостойкость;
· б) II группа -- модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения;
· в) III группа -- окалиностойкость (напаиваемость), температура схватывания со сталью, плотность, теплопроводность.
Следует отметить, что твердые сплавы теплостойки до температуры +800 °С.
Специальные марки твердых сплавов. В настоящее время разработаны новые твердые сплавы, которые применяют не только для обработки резанием, но и в качестве материалов, обладающих хорошей износостойкостью и высокой коррозионной стойкостью. Эти сплавы можно разделить на три группы: 1) коррозионностойкие твердые сплавы; 2) окалиностойкие твердые сплавы; 3) термически обрабатываемые твердые сплавы.
Основой коррозионно-стойких твердых сплавов является карбид хрома. Сплавы с никелевой связкой отличаются высокой износостойкостью наряду с очень хорошей химической устойчивостью и окалиностойкостью. Эти сплавы рекомендуется применять для изготовления деталей, которые одновременно с износом подвергаются действию коррозии. При этом необходимо учитывать, что твердые сплавы на основе карбида хрома являются относительно хрупкими при ударных нагрузках.
В качестве окалиностойких материалов используют твердые сплавы па основе карбида титана, который является единственным карбидом, имеющим в сочетании со связующим металлом (никель, кобальт, хром) высокую стойкость против окисления, жаропрочность и термостойкость.
К термически обрабатываемым твердым сплавам относится большая группа материалов, называемых карбидосталями, ферро-TiC и т. д., представляющих собой легированные спеченные стали с добавками сложных карбидов (преимущественно TiC).
Своеобразие таких твердых сплавов, содержащих 30…70 % (по массе) TiC, состоит в возможности применения всех видов термообработки, воздействующей на свойства стальных связок, что приводит к изменению физических и механических свойств сплава в целом.
Минералокерамические твердые сплавы. Высокая твердость и износостойкость керамических материалов на основе окиси алюминия позволяет использовать Аl2O3 в сочетании с некоторыми другими оксидами, а также карбидами переходных металлов IV…VI групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева для изготовления режущих керамических материалов.
Минералокерамику применяют для получистовой и чистовой непрерывной обточки и расточки деталей из серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, закаленных и улучшенных сталей, цветных металлов и сплавов некоторых марок, а также неметаллических материалов (графит и другие) при высоких скоростях резания (до 600…800 м/мин) без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), для волочения при производстве проволоки цветных металлов и для изготовления износостойких деталей машин, подвергающихся интенсивному безударному абразивному износу (сопла, насадки). Обеспечивая высокую производительность при обработке различных материалов резанием, минералокерамика (в силу специфичности ее свойств) не может исключить необходимость применения твердых спеченных сплавов. Минералокерамика лишь расширяет диапазон используемых режущих материалов в той области, где может служить промежуточным звеном между твердыми сплавами и алмазосодержащими, а также другими сверхтвердыми композиционными материалами. Режущая керамика -- ценное дополнение к твердым спеченным сплавам с хорошими перспективами увеличения ее использования.
Исходным материалом для производства режущей минералокерамики служит технический глинозем (-Al2O3) чистотой 98,5…99,5 %. Такой глинозем обжигают при температуре 1400…1600 °С, превращая его в б-модификацию (корунд). Обожженный глинозем размалывают до зернистости 1…3 мкм (например, в шаровой мельнице). Следует отметить, что измельчение зерен до их крупности менее 1 мкм нежелательно из-за увеличения хрупкости спеченного изделия.
Размолотый корунд подвергают обработке кислотами для отмывки натертого в процессе размола железа, промывают водой и высушивают.
Минералокерамический материал ЦМ-332 может быть со стеклофазой или без нее и представляет собой либо чистый оксид Аl2O3, либо содержит 97,0…99,5 % Аl2O3 (остальное Сr2O3 или Fe2O3, SiO2, MgO).
Оксидно-металлическую керамику применяют как теплостойкий и окалиностойкий материал. Для получения режущего инструментального материала к Аl2O3 добавляют 2…10 % Мо или Cr, благодаря чему вязкость кермета (по сравнению со спеченным чистым оксидом алюминия) улучшается, а хрупкость уменьшается.
Горячепрессованная режущая оксидно-карбидная керамика (Аl2O3 с 20…40 % Мо2С или сложного карбида Мо2С-WC) обладает высокой прочностью и твердостью. Изделия из такого материала (марок В3, ВОК-60 и ВОК-63) имеют соответственно плотность 4,20…4,60 г/см3; ув = 450…700 МПа; твердость HRA 92…94. Режущий инструмент с механическим креплением неперетачиваемых пластин из такой минералокерамики обладает повышенными эксплуатационными свойствами. Они позволяют увеличить производительность, повысить качество обработки изделий и снизить себестоимость операции в результате увеличения скорости резания в 2…3 раза с одновременным повышением стойкости в 5 раз (в среднем) по сравнению со сплавами ВК3М, Т30К4 и другими износостойкими твердыми сплавами при чистовой обработке деталей.
Высокие твердость и износостойкость твердых сплавов обусловили их применение не только в качестве режущих материалов. Твердые сплавы широко применяют в приборостроении, машиностроении, горном деле и многих других областях человеческой деятельности.
Обширная область использования твердых сплавов -- обработка металлов давлением (волочение, штамповка, прессование, калибровка). Твердые сплавы широко применяют в виде вставок к волокам.
Следует отметить, что одним из основных потребителей фасонных твердосплавных штампов является часовая промышленность.
В машиностроении и приборостроении детали, которые раньше изготавливали из стали, в нагружаемых местах обязательно армируют твердыми сплавами (обычно типа ВК). Армирование проводят с помощью пайки мягким или твердым припоем. Все современные высокопроизводительные токарные станки оборудуют токарными центрами, армированными твердыми сплавами, ими армируют также зажимные кулачки и люнеты. У бесцентровых шлифовальных станков армируют быстро изнашивающиеся стальные направляющие полосы. В станкостроении многочисленные детали, ранее изготовлявшиеся из стали (упоры, упорные болты, направляющие втулки, криволинейные направляющие, сверлильные кондукторы, защелки механизма подачи, щупы, прижимные ролики и т. д.), в настоящее время армируют твердыми сплавами.