5.4. Пористые порошковые материалы
Пористые порошковые материалы получили широкое использование в различных областях промышленности, начиная от бытовой техники до атомной энергетики и космического оборудования. Свойствами, характерными лишь для пористых порошковых материалов, являются:
— фильтрующие;
— капиллярные.
Фильтрующие свойства представлены пористостью, проницаемостью, тонкостью фильтрации и грязеёмкостью.
Пористость материала слагается из наружной пористости (открытые поры) и внутренней (закрытые поры). В свою очередь, наружная пористость состоит из сквозных и несквозных (тупиковых) пор. Сквозная пористость определяет количество проходящей через фильтр жидкости или газа и, следовательно, скорость фильтрации. Качество фильтра и его проницаемость для фильтрующей среды определяются только наружной сквозной пористостью.
Проницаемость фильтра определяется расходом жидкости или газа через единицу площади фильтрующей поверхности при равномерном давлении. Проницаемость возрастает при увеличении пористости и числа сквозных пор по сравнению с числом несквозных.
Тонкость фильтрования характеризует качественный процесс очистки жидкости от загрязнений. В общем случае тонкость фильтрования определяется абсолютной и номинальной тонкостью фильтрования и коэффициентами отфильтровывания и полнотой фильтрования.
Абсолютная тонкость фильтрования определяется как максимальный размер частиц загрязнений, пропускаемых фильтром. Номинальная тонкость фильтрования представляет собой минимальный размер частиц, прошедших через пористый порошковый материал с заранее установленным коэффициентом отфильтровывания, равным обычно 0,97.
Коэффициент полноты отфильтрования характеризует уменьшение массы загрязнений в рабочей жидкости при однократном её пропускании через пористый порошковый материал.
Грязеёмкость фильтра представляет собой массу загрязнений, задержанных на единице площади фильтрующего материала во время повышения давления от начального до предельного.
Капиллярные свойства определяют процессы взаимодействия пористых порошковых материалов с жидкостью. Они характеризуются величиной капиллярного потенциала, представляющего собой произведение максимальной высоты подъёма жидкости в пористом теле на ускорение свободного падения, и краевым углом смачивания.
Для получения материалов с повышенной пористостью (40 - 75%) и удовлетворительными прочностными свойствами в порошки перед стадией деформирования заготовки вводят специальные добавки, которые предназначены для одновременного увеличения прочности и сохранения высокой пористости. Наполнитель не должен разлагаться при комнатной температуре, не вступать в химическое взаимодействие с металлическим порошком во время спекания. Он должен разлагаться при температуре, лежащей значительно ниже температуры спекания металлического порошка и не давать после разложения твердого или жидкого остатка. В процессе нагрева наполнитель улетучивается, оставляя после себя поры. В качестве наполнителей наибольшее распространение получили двууглекислый аммоний и мочевина. В настоящее время широко используют добавки, которые в процессе нагрева претерпевают изменения, приводящие к увеличению прочности изделий и одновременно к сохранению высокой пористости. Такие добавки при нагреве разлагаются или восстанавливаются атмосферой спекания и за счет взаимодействия продуктов разложения с основным металлом активируют спекание, дают жидкую фазу, увеличивающую межчастичные контакты. В качестве таких добавок используются галогениды, оксиды или соли металлов.
Разработан метод получения высокопористых ячеистых металлических материалов с пористостью 80 - 98% и проницаемой сетчато-ячеистой структурой. Метод основан на дублировании высокопористой структуры сетчато-ячеистого полимера (например, пенополиуретана) путём пропитки его суспензией металлического порошка, регулировании плотности и однородности пропитанной заготовки, термообработке для сушки и удаления органических компонентов и спекании.
Основные свойства высокопористых ячеистых металлических материалов определяются их пространственной структурой, которая задаётся структурой использованного в качестве моделирующей матрицы сетчато-ячеистого полимера.
Большинство физических и химических свойств спеченных пористых материалов зависит от пористости, размеров и формы пор (табл. 5.9).
Таблица 5.9
Некоторые свойства пористых порошковых материалов из порошка бронзы
| Размер частиц, мм | Пористость, % | Средний размер пор, мкм | Максимальны й размер пор, мкм | Тонкость фильтрации, мкм |
| 0,6-0,8 | 41,0 | 195 | 240 | 100- 110 |
| 0,5 - 0,6 | 40,5 | 161 | 200 | 75-85 |
| 0,4 - 0,5 | 39,0 | 117 | 185 | 50-65 |
| 0,2 - 0,25 | 35,5 | 43 | 75 | 20-25 |
| 0,080-0,125 | 30,5 | 16 | 31 | 7-9 |
Высокие эксплутационные свойства пористых материалов обусловили их широкое использование в различных областях техники. Наиболее широкое применение пористые порошковые материалы получили в качестве фильтров и так называемых транспирационных изделий.
Фильтры из пористых порошковых материалов используют для отделения газов и жидкости от посторонних примесей, для очистки газов при их производстве и практическом использовании, отходящих газов в химической, металлургической, атомной и цементной промышленностях. Коррозионностойкие фильтры используют для очистки воды, молока, растворов щелочей и кислот.
Транспирационные изделия используют для равномерного распределения газовых или жидкостных потоков по всей площади фильтрации как внутри пористого материала, так и при выходе из него. Их применяют для охлаждения, нагрева и смешивания жидкостей и газов. Для них характерна подача газа через пористую стенку, находящуюся в непосредственном соприкосновении с жидкостью.
Широкое распространение получили изделия из пористых порошковых материалов, называемые капиллярно-пористыми. В основу применения изделий этой группы положена способность пористых порошковых материалов осуществлять транспорт жидкости по поровым каналам под действием капиллярных сил. Применение капиллярно-пористых материалов позволило создать устройства с эффективной проницаемостью для одних жидкостей и непроницаемостью для других, возможностью осуществления в порах фазовых превращений, сопровождающихся поглощением или выделением тепла. Эти свойства обеспечили широкое использование капиллярно-пористых порошковых материалов в самых различных областях техники, в частности, в элементах конструкций теплообменных аппаратов.
5.5. Спеченные конструкционные материалы
Спеченные конструкционные детали являются наиболее распространенными видами спеченных изделий, применяемых в машинах и механизмах. Типовыми деталями из спеченных конструкционных материалов являются шестерни, звездочки, зубчатые колеса, кулачки, фланцы, седла и корпуса клапанов, детали мерительных инструментов и другие детали. Изделия могут быть получены в виде готовых деталей или заготовок, требующих незначительного объёма механической обработки.
В зависимости от основы материала спеченные конструкционные детали подразделяют на детали на основе железа и детали на основе цветных металлов и других сплавав.
На основе железа спечённые конструкционные материалы образуют стали:
- углеродистые;
- медистые;
- кремнистые;
- марганцовистые;
- молибденовые;
- хромистые;
- хромомолибденовые;
- никелевые;
- коррозионностойкие;
- мартенситно-стареющие.
Углеродистые стали получают из железного порошка с добавкой графита и используются для изготовления ненагруженных и малонагруженных деталей. Большое влияние на структуру и прочность углеродистой стали оказывает способ введения графита. Он может вводиться в виде карандашного графита или чугунного порошка. При введении чугунного порошка достигается однородность структуры и свойств.
Повышение свойств углеродистой стали достигают повторным прессованием и спеканием, термической обработкой или динамическим горячем прессованием. Свойства спечённых углеродистых сталей, полученных, при повторном прессовании и спекании приведены в табл.5.10.
Таблица 5.10
Основные свойства углеродистых сталей.
| Содержа- ние углерода,% | Плотность, % | Пористость, % | Твердость НВ, МПа | Предел прочности на растяжение, МПа | Относительное удлинение, % |
| 0,35-0,48 | 7,1-7,2 | 7,5-9,5 | 2100 | 380-400 | 1,4-1,5 |
Медистые стали являются легированными медью спеченными конструкционными материалами. Основные механические свойства медистых ста
лей приведены в табл. 5.11.
Таблица 5.11
Механические свойства медистых сталей
| Содержание легирующих элементов, % | Пористость, % | Твердость НВ, МПа | Относительное удлинение, % | Предел прочности на растяжение, МПа | |
| Cu | C | ||||
| 2,5 | 1,5 | 16-25 | 600- 1800 | 0,5-3,5 | 120-450 |
| 2,5 | 2,0 | 15-32 | 600- 1500 | 3,0 | 190-270 |
| 3,0 | 0,8 | 20 | 1400-1700 | 1,0 | 340-470 |
| 5,0-10,0 | 1,1 | 15 | 1350- 1650 | 0,9-1,0 | 400-390 |
Медь оказывает графитизирующее действие, уменьшает критическую скорость закалки, улучшает прессуемость. Влияние меди на механические свойства стали более эффективно проявляются при низком содержании углерода. Присадка меди к железоуглеродистому сплаву уменьшает обезуглероживание.