Керметы: структура, свойства и применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Реферат

на тему: Керметы- структура ,свойства, применение

Выполнила:

Муртазина Э.Ж.

Проверил:

Гурьянова В.Р.

Уфа - 2015

Оглавление

Ведение

1. Понятие «керметы»

1.1 Керметы, получаемые методом пропитки

1.2 Керметы на основе карбида вольфрама

1.3 Керметы на основе карбида титана

2. Свойства керметов

2.1 Использование керметов при обработке резанием

2.2 Высокоскоростная обработка

3. Применения керметов

Заключение

Список литературы

Ведение

Кермет - это новый гибридный материал, обладающий твердостью керамики и прочностью металла. Область применения керметов пока что еще не так широка, как область применения твердых сплавов.

После создания кермета перед разработчиками стояла задача улучшения свойств материала - увеличения прочности нового материала при сохранении высоких показателей износостойкости. В 1956 году был изобретен новый кермет с частицами карбида титана, включающий молибден и углерод, который показывал хорошие показатели при резании металлов на довольно высоких скоростях, однако, оказался при этом довольно хрупким. После сравнения характеристик материала с характеристиками прочих твердых сплавов, использующихся в тяжелых условиях, применение керметов не получило широкого распространения - в основном благодаря их хрупкости. В 60-х годах к составу добавили нитрид титана, вследствие чего структура материала стала более мелкой, также повысилась температурная стойкость.

Сегодня кермет - это современный гибридный материал, который обладает твердостью керамики вкупе с прочностью металла. Для обеспечения высокой твердости при создании материала используются частицы нитрида титана, карбида титана и карбонитрата титана. Ввиду высокой термической и химической стабильности данных элементов износостойкость керметов чрезвычайно высока. Кроме указанных частиц в состав креметов могут в разных пропорциях входить тантал, никель, кобальт, молибден, ванадий, вольфрам и другие металлы. Для связки частиц используются, как правило, кобальт, никель и молибден.

1. Понятие «керметы»

Кермет - керамико-металлические материалы, металлокерамика. Конструкционный материал, состоящий из соединения керамических и металлических материалов. Наиболее известная металлокерамика - цементированный карбид. Это соединение очень твердой керамики с пластическим металлом. Керамико-металлические материалы получают спеканием металлических и керамических порошков. Материалы сочетают ценные свойства керамических веществ и металлов. Отличаются высокой прочностью. Изделия из керметов - детали турбин и авиационных двигателей, режущий инструмент, тонкопленочные резисторы и т. д. Существенным преимуществом керметных пленок является возможность варирования их удельного сопротивления в широких пределах. Наибольшее распространение получила микрокомпозиция Cr -- SiO, тонкие пленки которой изготавливают методом термического испарения и конденсации в вакууме с последующей термообработкой для стабилизации свойств.

Основная задача для разработчиков керметов - увеличение их прочности при сохранении высокой износостойкости инструментального материала.

В 1956 году производители инструмента сделали ставку на новый кермет с частицами TiC и никелевой связкой, включающей в себя также молибден и углерод. Этот инструментальный материал показывал хорошие результаты при работе с большими скоростями резания, но выкрашивался при обработке с ударом. Потребители сравнивали кермет с твердым сплавом, который мог работать в гораздо более тяжелых условиях (большие съемы, экзотические обрабатываемые материалы, невысокая жесткость станков). В тяжелых условиях керметы выкрашивались, поэтому тогда их применение не получило широкого распространения.

В 60-е годы керметы получили достаточное распространение в Японии, где гамма обрабатываемых материалов не была так широка, заготовки были приближены по форме и размерам к конечным деталям и станки были достаточно жесткими.

Следующим улучшением для керметов стало добавление в их состав частиц TiN в 1973 году, что сделало структуру материала более мелкой, и высокотемпературная стойкость увеличилась.

1.1 Керметы, получаемые методом пропитки

Метод пропитки позволяет изготавливать композиции из различных веществ, сочетая в одном материале металл с керамикой, полимерами, графитом и другими материалами и варьируя в широких пределах эксплуатационные характеристики изделий.

Керметы (керамико-металлические материалы) - материалы, представляющие собой композиции одной или нескольких керамических фаз с металлами. Керамическую фазу в керметах обычно составляют порошки оксидов, карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений. Считается, что объемная доля керамики в керметах может изменяться от 0,15 до 0,85. Керметы классифицируют по природе керамической составляющей и по применению.

Микроструктура керметов может представлять собой керамическую матрицу, внутри которой расположены металлические включения; металлическую матрицу с изолированными между собой керамическими частицами; два равноправных каркаса из металла и керамики и статистическую смесь керамических и металлических частиц. Выбор той или иной структуры диктуется назначением материала и технологией его получения.

Керметы изготавливают методами порошковой металлургии - прессованием и твердофазным спеканием, жидкофазным спеканием, пропиткой, экструзией, горячим прессованием, прокаткой и др.

Изготовление керметов методом пропитки используют реже, чем жидкофазное спекание. Это связано с тем, что в большинстве случаев стремятся получить структуру кермета, при которой каждая частица карбида окружена слоем металла, чтобы обеспечить повышенные показатели ударной вязкости и трещиностойкости, а такую структуру легче получить жидкофазным спеканием, чем пропиткой. Тем не менее, в ряде случаев целесообразно использовать метод пропитки, который позволяет получать изделия сложной формы с практически нулевой пористостью, регулировать время контактирования тугоплавкого соединения с жидким металлом (сплавом) и пригоден для выпуска деталей больших серий.

Работоспособность кермета контролируется как свойствами его составляющих и их относительной концентрацией, так и прочностью их связи, а также структурой тугоплавкого каркаса, формирующегося на стадии предварительного спекания под пропитку. На этой стадии необходимо обеспечить требуемую пористость, определенный размер пор и зерен, а также прочность самого каркаса.

Одним из наиболее важных моментов в регулировании свойств керметов является управление межфазным взаимодействием. Оптимальным в смысле обеспечения прочности является термодинамически равновесная адгезия между фазами.

Теоретические оценки и накопленный экспериментальный опыт по межфазному взаимодействию позволяют установить правила выбора металлических матриц для керметов. В керметах, содержащих оксиды, металлическая составляющая должна иметь меньшее сродство к кислороду, чем металл оксида, или образовывать оксиды, изоморфные основной оксидной составляющей кермета (например, оксид алюминия - хром). В керметах на основе карбидов рекомендуется в качестве металлической фазы применять металлы, которые не образуют карбидов. Металлическая связка нитридных керметов не должна образовывать стойких нитридов, а силицидных - не должна взаимодействовать с кремнием, поскольку последний в силицидах имеет практически такую же активность, как в свободном состоянии.

Прочность связи на межфазной границе можно регулировать в широких пределах при получении керметов за счет введения в расплавленный металл адгезионно-активных добавок.

Керметы типа металл - тугоплавкое соединение используют в качестве фрикционных, антифрикционных, конструкционных, огнеупорных, износостойких, эрозионностойких и абразивных материалов. Рассмотрим некоторые керметы, получаемые пропиткой карбидных каркасов металлическими расплавами.

1.2 Керметы на основе карбида вольфрама

Наиболее распространенными керметами являются сплавы системы WC-Co. При нагреве прессовки из карбида вольфрама, на которую сверху положен чистый кобальт, происходит частичное спекание карбидных частиц. При температурах 1550 К образуется эвтектика и в местах контакта прессовки с кобальтом появляется жидкая фаза, пропитывающая карбидный каркас.

При более низких температурах растворение карбида в кобальте пренебрежимо мало. Десятиминутная выдержка при 1720 К приводит к полному расплавлению кобальта и пропитке каркаса, однако при этом верх изделия плотнее и богаче связующим металлом, чем его нижняя часть. Для выравнивания состава по всему объему требуется выдержка 2-4 ч при той же температуре. На поверхности каркаса в процессе пропитки образуются раковины глубиной 1-3 мм в результате растворения карбида вольфрама в кобальте. При охлаждении до комнатной температуры происходит выделение карбида вольфрама из раствора и рост его частиц. Структура твердого сплава состоит из частиц карбид. В процессе высокотемпературной выдержки происходит растворение первоначальных карбидных мостиков и усадка материала.

При пропитке пористого карбидного каркаса сплавом эвтектического состава (Co-27WC) раковины на поверхности образца не образуются, наблюдается только незначительная шероховатость поверхности. Если же для пропитки используют сплав с избытком, то на пропитываемом изделии остается легко удаляемый слой из карбида вольфрама и кобальта. Таким образом, предварительное насыщение металла элементами, из которых состоит тугоплавкое соединение, позволяет устранить появление раковин.

Пропиткой спрессованного карбида вольфрама медью, медно-никелевым сплавом Cu-10%Ni, марганцевым мельхиором МНМц60-20-20 и медносеребряным сплавом получали керметы, предназначенные для работы в торцевых уплотнениях насосов, перекачивающих кислоты и щелочи.

1.3 Керметы на основе карбида титана

Карбид титана обладает высокой окалиностойкостью, низкой плотностью, хорошо смачивается переходными металлами, менее дефицитен, чем карбид вольфрама, широко используемый при изготовлении традиционных твердых сплавов. Известны керметы на основе карбида титана, пропитанного углеродистыми, легированными, инструментальными и коррозионностойкими сталями, жаропрочными никелевыми сплавами, стеллитами.

Пропитывающие сплавы смачивают карбид титана, а многие компоненты, входящие в их состав, активно взаимодействуют с ним при повышенных температурах. Так, хром, являясь сильным карбидообразующим элементом, образует карбид хрома, из которого формируются мостики между зернами карбида титана, снижающие пластичность и вязкость кермета. Аналогичное влияние оказывает алюминий, который в процессе пропитки образует с никелем хрупкие алюминиды, располагающиеся в виде перемычек между зернами карбида и охрупчивающие кермет.

2. Свойства керметов

Керметы, композиционные материалы, содержащие металлы (или сплавы) и один или нескольких видов керамики. По сравнению с исходными компонентами обладают улучшенными свойствами. Композиции, в которых присутствие керамики улучшает свойства металла, называют дисперсно-упрочненными керметами или инфракерметами, композиции, в которых металл улучшает свойства керамики, -ультракерметами. В качестве керамической составляющей в керметах обычно используют оксиды Al, Be, Mg, Zr, Th, U, карбиды W, Ti, Та, Nb, Cr, бориды Zr, Ti, в качестве металлической - тугоплавкие металлы (W, Mo и др.), металлы группы Fe, легкоплавкие металлы (Си, Al, Mg). К керметам относят также твердые сплавы на основе Ni, Со и карбидов W, Ti, Та, Мо, характеризующиеся высокой твердостью, прочностью, жаростойкостью и жаропрочностью. При выборе исходных компонентов керметов руководствуются принципами их химические, физические и технологические согласования. Химическое согласование предполагает отсутствие химического взаимодействия между керамическими и металлическими составляющими, физическое -отсутствие взаимного растворения при нагревании и необходимое сочетание свойств компонентов (коэффициент теплового расширения, модуль упругости и др.), технологическое согласование-близость температур спекания керамических и металлических составляющих керметов, учет различия значений плотности компонентов, смачиваемость легкоплавким компонентом более тугоплавкого. Для керметов на основе оксидов чаще всего используют металлы, образующие оксиды, изоморфные основному оксидному компоненту керметов, и дающие взаимные твердые растворы. В керметах на основе карбидов используют металлы, не образующие карбидов или ограниченно растворяющие углерод; в керметах на основе нитридов - металлы, не образующие устойчивых нитридов или ограниченно растворяющие азот. Изделия из керметов получают главным образом спеканием, а также пропиткой керамической пористой заготовки расплавленным металлом, осаждением металлов из растворов на поверхности керамических частиц и др. Исходные порошки получают измельчением (иногда совместно) в шаровых, вибрационных и др. мельницах, используя в качестве среды органической жидкости. Для предупреждения расслоения порошков или суспензии вследствие различия плотностей металла и керамики в смесь вводят вязкие жидкости и различные добавки. После высушивания порошки формуют прессованием, шлинкерным литьем, выдавливанием, прокаткой и т.п. Спекание керметов в печах осуществляют в атмосфере инертного газа или в вакууме. На этой стадии стараются избегать окисления, азотирования или карбидизации металла и восстановления оксидов, а также диссоциации нитридов и карбидов. По свойствам и применению различают:

1) высокотемпературные керметы, используемые для изготовления деталей газовых турбин, арматуры электропечей, в ракетной и реактивной технике и т. д. К этой группе керметов относят, напр., материалы из Аl,О3-Сr, Al2O3-ThO2-Cr-Mo, Аl2О3-W-Cr, а также большую группу керметов на основе карбида Ti с Ni, Со, Сг, Mo, W, Al и их сплавами;

2) твердые износостойкие керметы, используемые для получения деталей, работающих на износ, а также в качестве режущих инструментов. К этой группе керметов относят материалы на основе карбидов и нитридов Ti, Те, Hf и др.; кермет металлический сплав резание

3) керметы, используемые в специальных областях техники:

-в атомных реакторах (тепловыделяющие элементы и др. детали из композиций UO2 Al, MgO-Ni, Аl2О3-Сr),

- в электротехнике и электронной технике (С-Сu для электрощеток, ThO2-Mo или ThO2-W для усиления эмиссионной способности катодов и др.),

-в тормозных устройствах (некоторые фрикционные материалы, содержащие металлические и неметаллические компоненты - Сu, Fe, Ni, Со, Аl2О3, SiO2 и др.).

Свойства керметов зависят от свойств наполнителя и матрицы, а также объемного соотношения и адгезии между ними. Неметаллические фазы в керметах придают им требуемые эксплуатационные характеристики, так как обладают ими в свободном состоянии. Содержание керамической фазы в керметах колеблется от 15 до 85% (по объему). Металлическая матрица в керметах объединяет твердые частицы в единый композиционный материал, обеспечивая изделиям необходимую прочность и пластичность. В качестве металлических компонентов используют -- Cr, Ni, Al, Fe, Со, Ti, Zr и сплавы на их основе.

По природе керамической составляющей керметы делят на:

-оксидные (Al2O3, Cr2O3, SiO2, ZrO2),

-карбидные (SiC, Cr3C2, TiC)

-нитридные (TiN),

-боридные(Cr2B2, TiB2, ZrB2),

-керметы на основе силицидов (MoSi) и других тугоплавких соединений и др.

По применению -- жаропрочные, износостойкие, высокоогнеупорные, коррозионно-стойкие и др.

Микроструктура керметов может представлять собой:

-керамическую матрицу, внутри которой расположены металлические включения;

-металлическую матрицу с изолированными между собой керамическими частицами;

-два равноправных каркаса из металла и керамики;

-статистическую смесь керамических и металлических частиц.

2.1 Использование керметов при обработке резанием

На российских металлообрабатывающих производствах появляется все больше и больше режущих пластин из кермета, которые во многих случаях обеспечивают лучшую производительность и стойкость по сравнению с твердосплавными пластинами с покрытием. Например, в одном из случаев нам удалось увеличить стойкость инструмента на 400% при обработке стали 40Х. Также постоянно расширяется область применения кермета. С одной стороны значительно улучшились свойства самих керметов. С другой стороны заготовки по своей конфигурации часто очень близки к форме детали, поэтому не требуется удаление больших припусков.

Кермет - это гибридный материал. Он обладает твердость как у керамики и прочностью как у металла. Для обеспечения твердости используются частицы карбида титана (TiC), нитрида титана (TiN) и карбонитрида титана (TiCN). Благодаря термической и химической стабильности этих частиц керметы обладают высокой износостойкостью. В состав керметов могут входить также вольфрам, тантал, никель, кобальт, алюминий, молибден, ванадий и другие металлы. В качестве связки для твердых частиц, как правило, используются никель, кобальт и молибден. Применение металлической связки обеспечивает керметы лучшей сопротивляемостью выкрашиванию по сравнению с керамикой, поэтому область применения шире.

Все-таки область применения керметов не так широка как область применения твердого сплава. В основном керметы используются для чистовой и легкой получистовой обработки стали и нержавеющей стали. Подача ограничена значением 0,3 мм/об.

2.2 Высокоскоростная обработка

Все эти преобразования сделали кермет идеальным инструментальным материалом для высокоскоростной обработки стали. При такой обработке температура в зоне резания может достигать 1000° С. Такая температура будет слишком большой для обыкновенной твердосплавной пластины, но для работы кермета является приемлемой. Основной причиной сохранения высокой твердости при высокой температуре является наличие в керметах частиц TiC, которые сравнимы по твердости с оксидами и нитридами, используемыми при производстве керамики.

Режущие пластины из кермета обладают большой устойчивостью к лункообразованию на передней поверхности, которое вызывается термохимической реакцией между стружкой и материалом пластины. Применяя пластины из кермета, можно также справиться с наростообразованием.

Пластины из твердого сплава имеют преимущество над пластинами из кермета в прочности. Но в последнее время были разработаны марки керметов, обладающие достаточно высокой прочностью, что позволяет использовать их и при фрезеровании.

Высокая скорость резания - не единственная причина для использования керметов. Пластины из кермета можно также использовать для получения зеркальной поверхности. При чистовой обработке режущая кромка долгое время остается очень острой благодаря способности керметов противостоять окислению, что благоприятно сказывается на качестве поверхности.

3. Применения керметов

Области применения керметов очень широки и разнообразны. В основном, их применяют для чистовой и получистовой обработки стали, а также нержавеющей стали - однако, для этих целей новый гибридный материал подходит наилучшим образом. Распространению керметов не способствует отсутствие информации касательно выбора инструментальных материалов. С ростом числа таких материалов стало довольно тяжело выбрать марку твердого сплава, кермета, керамики или иного инструментального материала, к тому же в продвижение сайтов с подобной информацией не вкладывается достаточное количество средств, и зачастую Интернет полнится довольно противоречивыми сведениями на этот счет. Поэтому при освоении новой технологии рекомендуется обратиться к специалисту в области металлорежущего оборудования и попросить о профессиональной консультации.

В электротехнике и радиотехнике для изготовления тонкопленочных резисторов используются керметные пленки. Существенным преимуществом керметных пленок является возможность варьирования их удельным сопротивлением в широких пределах. Тонкие пленки на основе микрокомпозиции Cr-SiO2 изготавливают методом термического испарения и конденсации в вакууме с последующей термообработкой для стабилизации свойств.

В толстопленочных микросхемах используют резисторы, полученные на основе композиции стекла с палладием и серебром. Для этой цели стекло размалывают в порошок, смешивают с порошком серебра и палладия, вспомогательной органической связкой и растворителем. Получаемую пасту наносят на керамическую подложку и спекают в обычной атмосфере. Удельное сопротивление пленок зависит от процентного содержания проводящих компонентов и режима спекания.

Керметы типа металл-тугоплавкое соединение используют в качестве фрикционных, антифрикционных, конструкционных, огнеупорных, износостойких, эрозионностойких и абразивных материалов. Наиболее распространенными керметами на основе карбида вольфрама являются сплавы системы WC-Co. Пропиткой спрессованного карбида вольфрама медью, медно-никелевым сплавом Cu-10%Ni, марганцевым мельхиором и медносеребряным сплавом получают керметы, предназначенные для работы в торцевых уплотнениях насосов, перекачивающих кислоты и щелочи. Широко используются керметы на основе карбида титана. Карбид титана обладает высокой окалиностойкостью, низкой плотностью, хорошо смачивается переходными металлами, менее дефицитен, чем карбид вольфрама, широко используемый при изготовлении традиционных твердых сплавов. Керметы на основе TiC, обладают высокой термо- и износостойкостью, малой склонностью к диффузии, позволяют повысить размерную точность и шероховатость обработанной поверхности

Эффективность высокоскоростной обработки - не единственная причина использования керметов, также их применяют для получения зеркальной поверхности. Режущая кромка при чистовой обработке может долго оставаться острой благодаря тому, что керметы великолепно противостоят окислению, это сказывается на поверхности в высшей степени благоприятно.

Керметы применяют для изготовления деталей турбин, авиационных двигателей, фрикционных элементов, инструментов и других деталей, испытывающих повышенные нагрузки при работе в агрессивных средах и при высоких температурах.

Заключение

Керметы в настоящее время полумают различными методами. В основном, эти методы достаточно сложны и требуют специального дорогостоящего оборудования. Судя по отдельным публикациям, перспективным и весьма экономичным способом получения керметов А^Оз-А1 может явиться реакционное спекание заготовок из алюминиевого порошка. Однако, в связи с отсутствием сведений, требующихся для практической реализации данного способа, актуальным является исследование и разработка технологического процесса получения кермета А1гОз-А1 реакционным спеканием.

Для оценки ресурса изделий, работающих в условиях термического нагружения, весьма актуальной является и разработка новой методики определения стойкости к термоудару, позволяющей с привлечением

критериев механики разрушения давать количественное выражение сопротивления структуры материала инициированию и развитию трещин вследствие термического удара.

Таким образом, керметы -это значит,что одна компонента является металлом, другая диэлектриком.

В процессе работы были рассмотрены какими ценными свойствами обладают керметы, а также области их применения.

Список литературы

1. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / В.Д. Зозуля, Е.Л. Шведков, Д.Я. Ровинский, Э.Д. Браун.- Киев: Наукова думка, 1990. -264 с. ISBN 5-12-001395-3.

2. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. -- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. -368 с. ISBN 978-5-9221-0824-9.

3. Борисов Ю.С., Кулик A.Я., Мнухин A.С. Газотермическое напыление композиционных порошков.-Л.: Машиностроение, 1985. - 197 с.

4. Казаков В.Г. Тонкие магнитные пленки// Соросовский образовательный журнал, 1997, №1, с. 107-114.

Размещено на Allbest.ru