Основные причины:
- технологическая отсталость отечественного производства, причем, как производства исходного сырья (смолы и армирующие материалы) так и конечных продуктов - композитных изделий;
- отсутствие крупных потребителей композитных изделий в тех отраслях промышленности, где композиты способны заменить традиционные;
- отсутствие действующей и работоспособной системы технического регулирования, отсутствие современных стандартов, регламентирующих производство и методы испытаний композитов.
Решение данных проблем, создаст необходимые условия по существенно более широкому применению реактопластов, армированных волокнами в различных отраслях промышленности РФ.
Современный уровень развития техники вызывает необходимость создания новых материалов, обладающих особыми, не присущими природным материалам свойствами. К таким новым материалам относятся стеклопластики.
Стеклопластики являются важнейшим представителем группы полимерных материалов широкого спектра использования, перспективных с точки зрения изготовления, технологичности, долговечности и ремонтопригодности. Высокие физико-механические показатели, а также стойкость к воздействию агрессивных сред определили широкое применение этих материалов во многих областях промышленности и сферах жизнедеятельности человека.
Стекловолоконный наполнитель обеспечивает прочность и жёсткость стеклопластика. Связующее придаёт материалу монолитность, способствует эффективному использованию механических свойств стеклянного волокна и равномерному распределению усилий между волокнами, защищает волокно от химических, атмосферных и других внешних воздействий, а также само воспринимает часть усилий, развивающихся в материале при работе под нагрузкой. Кроме того, связующее придаёт материалу способность формовать изделия различных форм и размеров.
Области применения стеклопластиков постоянно расширяются, поэтому труд назвать отрасль промышленности, где бы они не применялись: от радиоэлектроники авиа- и ракетостроения, от деталей автомобилей, катеров, яхт, до деталей космических кораблей. В передовых странах стеклопластик используется как конструкционный материал при сооружении вентилируемых фасадов, оконных систем, зданий, мостов и несущих конструкций.
В мире строительства во все времена остро стояла проблема прочности и долговечность строительных конструкций. Не является исключением и область мостостроения. Срок службы пролётных конструкций из железобетона или стали предположительно составляет 80-100 лет, однако, фактически не превышает 40-50 лет. Причиной такому короткому сроку службы пролетных строений являются следующие факторы:
- использование в зимний период реагентов;
- перепад температур;
- воздействие агрессивных сред;
- усталостные разрушения (возникновение и рост трещин).
Решить проблему долговечности пролётных строений возможно благодаря использованию стеклопластиковых материалов. Такие конструкции обладают целым рядом преимуществ перед железобетонными и стальными:
- скорость и простота монтажа;
- лёгкость (уменьшение нагрузки от собственного веса пролётного строения на опоры);
- долговечность (Предполагаемый срок службы сто и более лет);
- высокая точность размеров и форм (позволяет избежать загрязнения стройплощадки строительным мусором);
- минимизация расходов на эксплуатацию (стеклопластиковые конструкции не подвержены коррозии, не требуют окраски и дополнительного обслуживания);
- возможность ведения монтажных работ при любых погодных условиях.
Таким образом, конструкции из стеклопластиков являются новой крайне перспективной альтернативой железобетонным аналогам. В Европе этот материал давно оценили по достоинству и активно используют в строительстве, тогда как в России рынок только начинает формирование.
Порошковым твердым сплавом называется сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карбидов, например WC, связанных твердым раствором WC в кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61 предусматривает две группы [8] металлокерамических (порошковых) твердых сплавов — вольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама и кобальта, и титановольфрамовые, состоящие из карбида титана, карбида вольфрама и кобальта.
Металлокерамические или порошковые твердые сплавы применяются при изготовлении пластинок для оснастки инструмента при обработке металлов резанием, волок при волочении проволоки, бурового инструмента и других целей, в том числе для износоустойчивых детален(клапанов насосов, работающих в коррозионной среде, наконечников пескоструйных аппаратов, разных направляющих) и измерительного инструмент.
Преимущества порошковых материалов:
1. Возможность получения материалов с резко отличающимися свойствами их составляющих: композиций из металлических и неметаллических композитов, из компонентов, не смешивающихся в расплавленном виде (Fe-Pb, W-Cu и другие).
2. Получение материалов с особыми физическими характеристиками и структурой (пористые материалы).
3. Порошковые изделия получают в виде готовых изделий, не требующих дальнейшей механической обработки.
4. В ряде случаев спечённые материалы имеют более высокие свойства, чем литые (например, быстро режущиеся стали, жаропрочные сплавы, Be-изделия и другие).
5. Возможность использования отходов производства.
Недостатки:
1. Изготовление деталей массового использования методом порошковой металлургии целесообразно лишь при больших масштабах производства (дорогое оборудование для получения и консолидации порошков).
2. Метод порошковой металлургии рекомендуется для изготовления изделий простой формы и не содержащих отверстий под углом к оси заготовок, внутренних полостей, выступов и т.д.
Металлокерамика, или порошковая металлургия – отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Сущность порошковой металлургии заключается в том, что из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают термической обработке – спеканию.
Порошковой металлургией можно получать детали из особо тугоплавких металлов, из нерастворимых друг в друге металлов (вольфрам и медь, железо и свинец и т. д.), пористые материалы и детали из них, детали, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов.
Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5–500 мкм) различных металлов и их окислов. Порошки получают механическим и физико-химическим путем.
Для механического измельчения твердых и хрупких материалов применяют шаровые, вибрационные мельницы и бегуны. Порошки из пластичных и легкоплавких металлов и сплавов получают различными способами, основанными на раздуве жидкого материала струей воды или газа. Механическим путем, как правило, получают порошки из отходов основного производства.
К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление окислов металлов, электролиз и др.
Окислы металлов можно восстанавливать газообразными или твердыми восстановителями. Наибольшее практическое применение нашли газообразные углеродистые и углеводородистые соединения (природный газ, доменный, углекислый газ) и водород. Электролизом водных растворов солей получают тонкие и чистые порошки различных металлов и сплавов. Порошки из редких металлов (тантала, циркония, титана и др.) получают электролизом расплавленных солей. Режимы и технология изготовления порошков физико-химическим путем приведены в справочной литературе.
Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость и спекаемость.
Текучесть — способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Количественной оценкой текучести является скорость вытекания порошка через отверстие диаметром 1,5–4,0 мм в секунду.
Прессуемость характеризуется способностью порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повышается с введением в его состав поверхностно-активных веществ.
Под спекаемостъю понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.
Основные термины и определения порошковой металлургии
Термины и определения порошковой металлургии регламентированы ГОСТ 17359–82. В настоящем разделе приводятся только основные термины, необходимые для обсуждения материалов и их характеристик, приведенных ниже.
1. Металлический порошок (МП) — совокупность частиц металла, сплава и металлоподобного соединения размерами до миллиметра, находящихся во взаимном контакте и не связанных между собой.
2. Прессуемость МП — способность МП образовывать под воздействием давления тело, имеющее заданные размеры, форму, плотность.
3. Формуемость МП — способность МП сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале значений пористости.
4. Формование металлического порошка — технологическая операция, в результате которой металлический порошок образует порошковую формовку. Формовка может осуществляться следующими методами:
изостатическим — в эластичной или деформируемой оболочке в результате всестороннего сжатия в условиях нормальных или повышенных температур;
импульсным — при котором уплотнение производится ударными волнами в интервале времени, не превышающем 1 с;
мундштучным — продавливанием через отверстие, соответствующее по форме и размерам поперечному сечению порошковой формовки;
шликерным — заполнением суспензией МП — шликером — пористой формы, обеспечивающей удаление жидкости из шликера;
прессованием МП в пресс-форме, полость которой соответствует форме и размерам соответствующим, с учетом припусков, форме и размерам будущего изделия;
прокаткой МП в прокатном стане или его штамповкой;
экструзией МП.
5. Порошковая формовка — тело, полученное из МП и имеющее заданную форму, размеры и плотность.
6. Прессовка — порошковая формовка, полученная прессованием металлического порошка.
7. Спекание порошковой формовки или прессовки — нагрев и выдержка порошковой формовки (прессовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойств. Спекание может проводиться как с появлением при спекании жидкой фазы (жидкофазное спекание), так и без нее (твердофазное спекание).
8. Порошковый материал — материал, изготовленный из МП или его смеси с неметаллическим порошком.
9. Порошковый твердый сплав — порошковый материал на основе металлоподобных твердых соединений с металлической связкой, обладающих твердостью свыше 80 HRA.
10. Порошковый тяжелый сплав — порошковый материал, имеющий плотность выше 16,5 т/м3.
11. Карбидосталь — порошковый материал, подвергшийся в отожженном состоянии обработке и состоящий из стали и карбидов с массовой долей от 20 до 70 %.
12. Кермет — порошковый материал, состоящий из тугоплавких оксидных соединений и тугоплавких металлов.
13. Фрикционный порошковый материал — порошковый материал для работы в тормозных и передаточных узлах машин и приборов.
14. Антифрикционный порошковый материал — порошковый материал для производства изделий, от которых требуются низкие потери на трение.
15. Конструкционный порошковый материал — порошковый материал для несущих деталей машин, приборов и механизмов.
16. Композиционный порошковый материал — порошковый материал, представляющий механическую смесь металлов или металлов и неметаллов, исключающих взаимную диффузию при спекании.
17. Пористый порошковый материал — порошковый материал» имеющий пористость, обеспечивающую его проницаемость при эксплуатации.
18. Порошковое изделие — изделие из металлического порошка.
19. Открытая пористость порошковой формовки — отношение объема пор, сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.
20. Закрытая пористость порошковой формовки — отношение объема пор, не сообщающихся с внешней средой, к объему порошковой формовки.
Для определения степени пористости порошкового изделия, доли закрытой и открытой пористости необходимо провести ряд обязательных процедур. На первой стадии требуется определить плотность порошкового изделия.
Для тел простой формы плотность определяют измерением объема и взвешиванием. Определение объема изделий сложной формы осуществляют методом гидростатического взвешивания. Исследуемое изделие взвешивается в этом случае дважды — на воздухе и погруженное в жидкость.
Если масса тела на воздухе равна m1, в жидкости — m2, то разность (m1 – m2) равняется массе вытесненной жидкости mж. Зная эти величины и плотность жидкости dж можно вычислить объем порошкового изделия: V= (m1– m2)/dж и его плотность: dт = m1/V = m1 dж/(m1– m2).
Определив плотность порошкового изделия, можно вычислить его общую (суммарную) пористость.
П = (1–dт/dж) 100 %,
где dт — плотность пористого тела: dж — плотность этого же тела в беспористом состоянии.
Для определения доли открытой и закрытой пористости в порошковом изделии используется метод, основанный на удалении газов в вакууме из порошковых изделий с последующей их пропиткой жидкостью известной плотности (обезгаженным маслом, ксилилом, бензоловым спиртом и т. п.). Расчет производится по формулам:
П = [1–(m1/(m2–m3) dк] 100%,
П = [(m2–m1) dж]/[(m2–m3)dпж],
Пзак = П – Потк
где П, Потк, Пзак — соответственно общая, открытая и закрытая пористость; m1, m2, m3 — масса непропитанного и пропитанного образца на воздухе и масса пропитанного образца в жидкости; dк, dпж — плотность беспористого материала и пропитывающей жидкости.
Порошковой металлургией получают различные конструкционные материалы для изготовления заготовок и готовых деталей. Большое применение находят материалы со специальными свойствами.
Из антифрикционных металлокерамических материалов изготовляют подшипники скольжения для различных отраслей промышленности. В антифрикционных материалах с пористостью 10–35% металлическая основа является твердой составляющей, а поры, заполняемые маслом, графитом или пластмассой, выполняют роль мягкой составляющей. Пропитанные маслом пористые подшипники способны работать без дополнительной смазки в течение нескольких месяцев, а подшипники со специальными «карманами» для запаса масла – в течение 2–3 лет. Во время работы подшипника масло нагревается, вытесняется из пор, образуя смазочную пленку па трущихся поверхностях. Такие подшипники широко применяют в машинах для пищевой промышленности, где попадание смазки в продукцию недопустимо.
Для пористых антифрикционных материалов используют железо-графитовые, железо-медно-графитовые, бронзо-графитовые, алюминиево-медно-графитовые и другие композиции [9]. Процентный состав этих композиций зависит от эксплуатационных требований, предъявляемых к конструкциям деталей.
Фрикционные материалы представляют собой сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и различных окислов. Для уменьшения износа в композиции вводят графит или свинец. Фрикционные материалы обычно применяют в виде биметаллических элементов, состоящих из фрикционного слоя, спеченного под давлением с основой (лентой или диском).
Коэффициент трения по чугуну без смазки для фрикционных материалов на железной основе 0,4–0,6. Они способны выдерживать температуру в зоне трения до 500–600° С. Применяют фрикционные материалы в тормозных узлах и узлах сцепления (в самолетостроении, автомобилестроении и т. д.).
Из высокопористых материалов изготовляют фильтры и другие детали. В зависимости от назначения фильтры выполняют из порошков коррозионно-стойкой стали, алюминия, титана, бронзы и других материалов с пористостью до 50%. Металлические высокопористые материалы получают спеканием порошков без предварительного прессования или прокаткой их между вращающимися валками при производстве пористых лент. В порошки добавляй вещества, выделяющие газы при спекании.
Металлокерамические твердые сплавы характеризуются высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Поэтому, из них изготовляют режущий и буровой инструменты, а также наносят на поверхность быстроизнашивающихся деталей и т.д.
Основой изготовления твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего материала применяют кобальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают в зависимости от их назначения
Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами. В качестве связующего для алмазных порошков применяют металлические порошки (медные, никелевые и др.) или сплавы. Наибольшей твердостью характеризуются материалы из карбидов бора (эльбор).
Из жаропрочных и жаростойких материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Эти материалы должны иметь высокую жаропрочность, стойкость против ползучести и окисления. Металлические сплавы на основе никеля, титана, тантала, вольфрама и других элементов отвечают этим требованиям при работе до температур 850–900° С.
При более высоких температурах (до 3000° С) можно использовать тугоплавкие и твердые соединения типа окислов, карбидов, боридов и др. Однако эти материалы имеют высокую хрупкость и поэтому в чистом виде не могут быть использованы в качестве конструкционных материалов для изготовления различных деталей.
Применение порошковой металлургии позволяет повысить пластичность этих хрупких тугоплавких соединений. В качестве металлической связки выбирают металлы и сплавы, жаропрочность которых близка жаропрочности тугоплавких соединений. Они должны не образовывать химических соединений, быть мало растворимыми в тугоплавких соединениях, а также иметь близкие значения коэффициентов линейного расширения, теплопроводности и модуля упругости.