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 об’ємноцентрованою, 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 об’ємів.

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 об’ємним 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 об’ємному вмісту 34,94–83,37 %. У W–Ag контактах масовий вміст срібла — у ширших межах, зокрема 25–99 %, відповідно до об’ємного 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 об’ємним 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 зв’язку 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 зв’язку на межі розподілу карбіду й металу. Початок промислового використання твердих сплавів на основі монокарбіду вольфраму WC з масовим вмістом 6–15 % кобальтової зв’язки 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 зв’язкою. 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 зв’язками, а також карбіду хрому Cr3C2 із нікелевою зв’язкою. Алмазні абразивні інструменти, зокрема шліфувальні круги, також є П. Під час їх розроблення реалізовано можливість зв’язування алмазів як домішок у металеву матрицю спечених П.

Завантажити статтю