Псевдосплави

Визначення і загальна характеристика

ПСЕВДОСПЛА́ВИ — штучні композиційні матеріали, виготовлені шляхом по­єд­на­н­ня компонентів, що не роз­чиняються один в одному ні в твердому, ні в рідкому станах та не утворюють взаємних сполук. Назва виникла при створен­ні методами порошкової металургії електричних контактів на основі по­єд­на­н­ня тугоплавких металів (вольфрам, молібден) із легкоплавкими металами (мідь, срібло та золото), а також срібла з вуглецем, нікелем, оксидом кадмію. Типовим прикладом такого матеріалу є бінарний П. ви­значеного компонентного складу на основі системи вольфрам—мідь (W—Cu). Кри­сталічна структура W об­умовлена кубічною обʼємноцентрованою, Cu — кубічною гранецентрованою решітками. Температура плавле­н­ня W становить 3422 °С (найвища серед металів), Cu — 1083 °С. Густина W при кімнатній температурі складає 19,25 г/см3, Cu — 8,96 г/см3. Атомний радіус W — 0,202 нм, Cu — 0,157 нм. Лінійний коефіцієнт теплового роз­шире­н­ня W — 4,5∙10-6 К-1, Cu — 16,6∙10-6 К-1. Модуль пружності на роз­тяг (Юнґа) W становить 411 ГПа, Cu — 128 ГПа. Питомий електроопір W складає 52,8∙10-9Ом∙м, Cu — 16,78∙10-9Ом∙м. Тепло­провід­ність W — 173 Вт/(м∙К), Cu — 401 Вт/(м∙К). Згідно з правилами Юма-Ро­зері сплав цих металів не можна отримати в конденсованому стані через різницю атомних обʼємів.

Нині виявлено велику кількість таких систем. На їх основі роз­роблено та освоєно виробництво електричних контактів, без яких неможливо забезпечити викори­ста­н­ня електро­енергії в сучасних галузях техніки, промисловості та побуті загалом. У цьому важливому класі матеріалів оптимально по­єд­нуються різноманітні, а інколи й не сумісні для звичайних металів властивості: за­значені вище тугоплавкість і висока твердість у по­єд­нан­ні з пластичністю, високою тепло­провід­ністю та електро­провід­ністю; стійка протикорозійність та низький пере­хідний опір поряд з від­сутністю схильності до виникне­н­ня «містків» у контактній парі, зварюва­н­ня та аномального масопереносу; значна здатність до гасі­н­ня електричної дуги по­єд­нана з можливістю контрольованого сприятливого «зріза­н­ня струму» в режимі роз­мика­н­ня контактів. Для рухомих контактів зі швидким зніма­н­ням струму створено П., що мають низький коефіцієнт тертя та високу зносо­стійкість у різних середовищах, у високому вакуумі в широкому інтервалі температур за умови проходже­н­ня певної сили струму. Для забезпече­н­ня жорстких умов викона­н­ня матеріалом його функцій до його складу додатково вводять необхідні компоненти. В окремих випадках створюють матеріал контакту, в якому по­єд­нується висока електро­провід­ність з магнітними властивостями. Разом зі складом та обʼємним вмістом компонентів на властивості впливає структура контактного матеріалу: роз­мір і форма зерен, їх гранулометричний склад та однорідний роз­поділ у матриці легкоплавкого металу, текс­тура та малі домішки, під впливом яких змінюються електрофізичні й капілярні властивості, а також характеристики міцності. Окрім металоматричних композитів із додава­н­ням частинок тугоплавкої фази в матрицю легкоплавкого металу також ефективно за­стосовують матеріали, в матрицю яких впорядковано внесено тугоплавкі вуглецеві волокна, орієнтовані в напрямку протіка­н­ня струму. У сучасних контактних матеріалах поряд з металами (W, Mo, Pd, Ni, Ta, Cr) як тугоплавку фазу використовують деякі неметали (C, B), оксиди (CdO, WO3, CuO, Fe2O3), карбіди (WC, Mo2C, Cr3C2), металоподібні сполуки пере­хідних металів із бором (бориди), азотом (нітриди) та кремнієм (силіциди) з врахува­н­ням їхньої здатності до гасі­н­ня електричної дуги та дис­персного зміцне­н­ня легкоплавкого компонента. Масовий вміст міді у W—Cu контактах коливається в межах 20—70 %, що від­повід­ає обʼємному вмісту 34,94—83,37 %. У W—Ag контактах масовий вміст срібла — у ширших межах, зокрема 25—99 %, від­повід­но до обʼємного вмісту 37,95—99,45 % як екс­тенсивної змін­ної структури та механічних властивостей матеріалів.

Технологія виготовле­н­ня контактів ґрунтується на викори­стан­ні методів порошкової металургії, що містять процеси отрима­н­ня порошків за­даного хімічного складу, будови, з певним гранулометричним складом і капілярними характеристиками, формува­н­ня із цих порошків заготівок від­повід­ного роз­міру та форми, пере­творе­н­ня заготівок у практично без­пористі (монолітні) вироби способом спіка­н­ня або просочува­н­ням пористих заготівок з тугоплавких компонентів роз­плавами легкоплавких металів у контрольованих газових середовищах (від­новлювальній, нейтральній) чи у вакуумі. В окремих випадках використовують методи спіка­н­ня під тиском: гаряче статичне та імпульсне пресува­н­ня (ударне спіка­н­ня), мікрохвильове та іскро-плазмове спіка­н­ня. Потрібну форму і роз­міри готового виробу отримують методами механічного обробле­н­ня пере­важно під тиском: штампува­н­ням, вальцюва­н­ням, протягува­н­ням та видавлюва­н­ням (екс­трузією). Досвід практичного викори­ста­н­ня спечених контактів показав, що їх довговічність залежить від монтажу в робочих при­строях. Для кращого від­воду тепла контакти товщиною до 5 мм мають бути пошарово щільно вмонтовані в мідні корпуси. П., подібні до контактних матеріалів з меншим вмістом легкоплавкого металу, є ефективними кон­струкційними матеріалами для викори­ста­н­ня в умовах короткочасної дії високих температур, на­приклад, в електроімпульсних та плазматрон­них при­строях. Їх використовують також як зносо­стійкі покри­т­тя, нанесені на поверх­ню кон­струкційних матеріалів методом плазмового напиле­н­ня. П., отриманий просочува­н­ням пористої нержавіючої сталі роз­плавом міді, також є високоміцним кон­струкційним матеріалом. Способом просочува­н­ня виготовляють матеріали з міцною металевою матрицею, просякнутою легкоплавким металом. Це, на­приклад, антифрикційні матеріали на основі пористих вуглецевих, нержавіючих та швидкорізальних сталей з обʼємним вмістом до 60 % срібного припою. Вони мають низькі коефіцієнти тертя в межах 0,14—0,27 (для швидкорізальної сталі — 0,14—0,18) в умовах тертя без мастила у вакуумі під тиском до 23 МПа (для швидкорізальної сталі — до 60 МПа) за швидкості 2 м/сек.

П. є кермети (кераміко-металеві матеріали) разом зі спеченими твердими сплавами для різальних інструментів та зносо­стійких деталей, виробництво яких стало можливим у звʼязку з викори­ста­н­ням способу цементува­н­ня високотвердих і крихких тугоплавких металоподібних карбідів пластичними металами типу заліза — кобальтом і нікелем, яким властива висока змочувальність карбідних частинок, що є необхідною умовою міцності адгезійного звʼязку на межі роз­поділу карбіду й металу. Початок промислового викори­ста­н­ня твердих сплавів на основі монокарбіду вольфраму WC з масовим вмістом 6—15 % кобальтової звʼязки як інструментальних матеріалів в оброблен­ні металів різа­н­ням пос­прияв значному під­вищен­ню продуктивності виготовле­н­ня деталей для машино- та приладобудува­н­ня. Для чистового обробле­н­ня різа­н­ням використовують тверді сплави на основі карбіду вольфраму—титану WTiC, а для важких умов різа­н­ня — на основі складного карбіду вольфраму, титану й танталу WC—TiC—TaC також із кобальтовою звʼязкою. Тверді сплави ефективно використовують в інструментах для бурі­н­ня гірських порід. Із них виготовляють і камери високого тиску для отрима­н­ня штучного алмазу з графіту та пере­творе­н­ня графітоподібного нітриду бору в надтвердий матеріал з кубічною кри­сталічною структурою, який роз­робники на­звали «боразон», а за властивостями він подібний до алмазу. В Україні його на­звали кубонітом за його кубічну кри­сталічну структуру. Поряд із твердими сплавами на основі WC у різних галузях промисловості за­стосовують роз­роблені без­вольфрамові тверді сплави на основі карбіду титану TiC та карбонітриду титану TiCN з нікель-молібденовою, нікель-хромовою та сталевою звʼязками, а також карбіду хрому Cr3C2 із нікелевою звʼязкою. Алмазні абразивні інструменти, зокрема шліфувальні круги, також є П. Під час їх роз­робле­н­ня реалізовано можливість звʼязува­н­ня алмазів як домішок у металеву матрицю спечених П.

Літ.: C. G. Goetzel. Treatise on Powder Metallurgy. Vol. 2. Applied and Physical Powder Metallurgy. New York; London, 1950; R. Kieffer, P. Schwarzkopf. Hartstoffe und Hartmetalle. Wien, 1953 (російською мовою — Твердые сплавы. Москва, 1957); Францевич И. Н., Теодорович О. К. Разработка метал­локерамических контактов // Электрические контакты. Москва; Ленин­град, 1958; D. M. Karpivos, A. A. Kravchenko, V. K. Kravchenko. A study of the mechanical properties of hot pressed pseudoalloys of tungsten-copper // Strength of Materials. 1970. Vol. 2, Іssue 12; Федорченко И. М., Францевич И. Н., Радомысельский И. Д. и др. Порошковая метал­лургия. Материалы, технология, свойства, области применения: Справоч. К., 1985; Ниженко В. И., Петрищев В. Я., Скороход В. В. Влияние количества жидкой фазы на уплотнение при спекании псевдо­сплавов вольфрам—медь и молибден—медь // Порошковая метал­лургия. 2008. № 3—4; Y. Wang, L. Zhuo, E. Yin. Progress, challenges and potentials/trends of tungsten—copper (W—Cu) composites/pseudo-alloys: Fabrication, regulation and application // Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 2021. Vol. 100.

М. С. Ковальченко

Завантажити статтю