Реферат: Твердые материалы и их соединения

Исключительная твердость твердых материалов - отражение сильных сил связи между узлами атомной решетки. Это - причина, почему эта группа материалов обычно имеет высокую температуру плавления, малые коэффициенты теплового расширения и высокий модуль упругости [1 к 3]. Благодаря этой комбинации свойств, твердые материалы главным образом используются как износостойкие материалы и высоко жаростойкие материалы. Зона применения располагается от связанных и несвязанных порошков (шлифовальный состав) через спекаемые твердые материалы к спекаемым соединениям со связкой. Функция связующей фазы, использованной в этой последней группе, должна главным образом улучшить спекание и механические свойства, и понижать хрупкость. Хрупкость - характеристика всех твердых материалов; она имеет значительное влияние ограничающее их зону применения. Рисунок 17-1 дает краткий обзор прочности и твердостных свойств коммерчески важных твердых материалов.

1 Краткий обзор и характеристики твердых материалов

Твердые материалы могут быть разделены в две группы:

- Соединения переходных металлов периодической таблицы групп с IV до VIII с элементами B, N, C, Si или возможно P и С, и их моноокиси названы " металлическими твердыми материалами ".

- Соединения элементов B, C, N, Si друг с другом и некоторые оксиды типа Al2O3, ZrO2 или ThO2 классифицируется под термином " неметаллические твердые материалы ". "Сверхтвердые" материалы алмаз и нитрид бора - также часть этой группы.

1.1 Металлические твердые материалы

Группа твердых металлических материалов имеет хорошую электро- и теплопроводность, также как положительный температурный коэффициент (который является характеристикой для металлов). Располагаемые фазы главным образом однородны за границей расположения. Поэтому, это имеет смысл рассматривать эту группу на основе интерметаллических фаз. Пока отношение атомного радиуса неметаллических и металлических компонентов - в пределах амплитуды 0.41 < rx/rMe< 0.59(как дано в соответствии с правилом Хагга), эта форма фтомная структура типа NaCl. В них, атомы металлоида занимают восьмигранные отверстия в гранецентрированной кубической решетке металлических атомов: дело обстоит так для большинства карбидов и нитридов металлов групп IVа и Va; зона гомогенности очень широка, например до TiC0,5 для карбида титана. В стехиометрически чистых соединениях, неметаллические атомые пустоты остаются свободными. Это - поразительное явление (верхний фазовый предел для карбида титана, например, является TiC0,98).

Карбид вольфрама - важный базис для твердых сплавов. Кристаллическая структура гексагональна; его модуль упругости очень высок (таблица 17-1). Его соотношение к кубическим твердым материалам иллюстрировано фактом, что WC был сформирован с кубической формы WC1-х при высоком давлении и высокой температуре (выше 25300 C [21]). Кубические карбиды могут принимать значительные количества WC, формируя кубический твердый раствор; TiC, например, может принимать то же самое количество WC в 14000 C (рис. 17-8).

Изоморфные кубические твердые материалы главным образом формируют полный диапозон твердых растворов друг с другом. Присутствие любых областей смешиваемости приводит к увеличению твердости. Зависимость между твердостью и концентрацией этих твердых растворов - кривая (рис. 17-2).

Компоненты от металлических твердых материалов могут быть произведены, спеканием или горячим прессованием. Из-за их свойственной хрупкости немногие из этих материалов используются без связующих фаз. Силицид молибдена используется как высокотемпературный проводник тепла, потому что он сопротивляется окислению до 17000 C (секция 6.1.2). Гексаборид лантана - полезный катодный материал, потому что в 2.5 eВ, он имеет низкую энергию выхода электрона (равный к значению у торированного вольфрама). Алюминиевые испарители, нагреваемые постоянным током, сделаны из борида титана или циркония. Спекаемые соединения, основанные на металлических твердых материалах коммерчески очень важны (секция 2).

1.2 Неметаллические твердые материалы

В неметаллических твердых материалах, существуют связи, которые ранжируют от чисто ковалентной связи (алмаз), через ковалентную связь с частью ионной связи, к исключительно ионной связи (Al2O3) (рис. 17-3). Металлическая связь, достопримечательно, отсутствует. Таким образом, эти материалы не показывают высокую проводимость металлов. Некоторые из этих твердых материалов (SiC) имеют полупроводниковые свойства (отрицательный коэффициент удельного удельного электрического сопротивления). Эти свойства могут быть воспроизведены в алмазах, добовлениями элементов групп III и V. Остаточный член от неметаллических твердых материалов – изолятор. Таблица 17-2 подводит итог свойств важных неметаллических твердых материалов. Должно быть отмечено, что твердость этих материалов в ообщем уменьшается более медленно с увеличением температуры, чем таковая металлических твердых материалов, особенно в случае кубических твердых материалов (рис. 17-4).

Кристаллические структуры неметаллических твердых материалов очень различны. Только твердые материалы, сделанные от элементов группы IVb имеют упорядоченную кристаллическую структуру. Для первого важного элемента этой группы, углерода, увеличение давления преобразовывает обычно устойчивое слоистое строение графита в алмазное строение с тетрагональным расположением атомов (координационое число K = 4). Дальнейшее увеличение давления ведет к увеличению этого числа; число металлических связей увеличивается. Для элементов последовательных периодов, переход к строениям с более высоким координационным числом происходит при более низких давлениях. Для SiC, например, тетрагональное, подобное алмазу расположение атомов (K = 4) устойчив даже в атмосферном давлении, и различная последовательность четырехгранников ведет к ряду кристаллографических форм (кубическая, гексагональная, ромбическая). Кремний и последовательные элементы (Ge, Sn) более не рассматривается как твердые материалы. Они кристаллизуются с более высокой координацией, и поэтому имеют увеличивающейся металлический характер, также как более низкую твердость.

Разработка прижимных технологий сверхвысокого давления и генерации диаграмм состояния давление-температура были оба важные предварительные условия для более широкого использования сверхтвердых спекаемых материалв. Нитрид бора (BN), который не встречаться в виде самородка, является исходом этих разработок; как межэлектронное соединение, он очень подобен углероду. От графитового строения, под давлением атомы формируют четырехгранники и затем гексагональную решетку (строение вюртцита). Далее увеличение давления ведет к простой кубической ячейке (типа цинк). Две сверхтвердые фазы (вюртцит и типа цинк) более подробно расмотренны в секции 2.6.4, как - " синтетические алмазы". По сравнению с алмазом, BN имеет большее сопротивление окислению и более высокую термодинамическую стабильности в отношении черных металлов; это означает что, он более соответствует для механической обработки этих материаллов, чем алмаз (секция 3). Коммерчески важные спекаемые материалы, сделанные из неметаллических твердых материалов (керамика) здесь не описываются, с тех пор уж есть всесторонне изданная информация в этой области.

2 Твердые сплавы

Твердые сплавы - соединения металлических твердых материалов связанных металлом [4 до 6]. Эта группа, часто рассматривается как отнесенная к спекаемым соединениям карбидов (и нитридов) и черные металлы. Иногда, используются другие классификации. Дело обстоит так особенно при различении их от кермета и соединений с сверхтвердыми материалами.

Основные типы твердых сплавов, которые являются до сих пор преобладающими – твердые сплавы WC-Cо, предпочтительно использованные для работы с материалами, которые формируют короткую станочная стружка (серый чугун), и твердые сплавы основанные на WC-TiC-Co и WC-TiC-TaC-Co для работы с материалами, которые дают длинную станочную стружку (стали). В нескольких случаях, характеристика твердых сплавов может быть улучшена значительно, покрытием (секция 2.5) [6] к [8]. Твердые сплавы с TiC, TiN или Ti (C, N) используются в случаях, где требуются высокие скорости резания [9] до [12]. Они обычно упоминаются как "керметы". Чтобы выполнять специальные требования, например высокая коррозиеустойчивость, также используются другие твердые материалы и связки (секция 2.6).

Коммерчески располагаемые твердые сплавы для режущих инструментов обычно классифицируется применениям соответствии со стандартом 513 DIN-ISO. Это категоризирует применение в три главных группы, которые потом подразделяются условиями механической обработки. Эта область от чистой механической обработки с высокой скоростью резания к механической обработке в низкой скорости резания и в неблагоприятных условиях, типа большой глубины пропила и ступенчатого резания.

2.1 Формирования строения твердых сплавов

Карбид вольфрама, WC, не может быть расплавлен, если он сначала не был разложен. (Так называемое литые твердые сплавы - эвтектика, которая была расплавлена при 27000 C; это - WC-W2C и используется как узел в сварочных сплавах для предохранения против износа.). По этой причине, твердый сплав произведен, спечением смеси WC и Co, обычно в области между 1350 и 15000 C. Даже в течение нагревания (от о 7000 C), до 80 % заданного уплотнения, достигнуто спекающейся твердой фазой [13]. В то же самое время, кобальт рассеивает WC так, чтобы он присутствовал в течение изотермического спекания в форме жидкой фазы, насыщаемой с WC (рис. 17-5); эта фаза позволяет полное уплотнение спекаемой части.

После спекания, остаточная пористость должна быть ниже 1 %, и строение должно иметь соответствующее отношение твердости к изгибающейся характеристике сопротивления разрыву твердого сплава (рис. 17-1). Чтобы достигать этого система твердый сплав - связка должна выполнить некоторые требования; в случае системы WC-Cо эти требования выполнены превосходно: расплавленная связка увлажняет твердую материальную фазу полностью и течет между собираемыми материальными точками фазы. В то время как твердая фаза действительно не демонстрирует растворимость для металла-связки, металл-связка имеет растворимость для твердого материала, который является зависящим от температуры (рис. 17-5). В течение спекания твердых материальных, фаза растворяется расплавленным металлом-связкой и повторно осаждается. Чтобы минимизировать межфазную энергию, которая проводит к правильно построенным WC-кристаллам (рис. 17-6). Расплавление меньших и рост больших кристаллов (созревание Оствальда) - причина роста зерна в течение спекания; примеси с инородными атомами даже в малых концентрациях (ppm) противодействуют росту зерен зерна [14].

В течение затвердевания жидкой фазы (в течение охлаждения от температуры спекания), большинство растворенного WC кристализуется назад на твердых частицах. Поскольку растворимость металла-связки уменьшается, далее WC осаждается, пока диффузия не будет остановлена. Долю твердого материала, которая до сих пор является растворенной, стабилизирует кубическая фаза кобальта при комнатной температуре (иначе преобразование в гексагональную фазу в 4170 C) и определять механические свойства связки. Благодаря различным коэффициентам расширения, фаза кобальта, помещенна в напряжение, в то время как WC фазы , подчиненны сжимающему усилию. Это задерживает разрыв хрупкой карбидной фазы в течение механической нагрузки.

Процесс, который был описан, принимает двухфазную область твердого материала и металла-связки (рис. 17-7). В системе W-C-Co, стехиометрическая зона для этой области ограничена 6.08 к 6.20 мас.- % C в WC (стехиометрический состав 6.13 мас.- % C в WC). Иначе, хрупкая троичная система счисления η фаза (W3Co3C) или свободный углерод осаждается, оба из которых уменьшают прочность на изгиб.

При спекании твердых сплавов системы TiC-WC-Co, TiC растворяет карбид вольфрама до уровня насыщения (рис. 17-8). По этой причине, три фазы появляются в строении коммерчески доступних твердых сплавов; они - кубическая смешанная карбидная фаза (W, Ti) C, гексагональный WC и кобальта, как связка. Этот последний насыщается с соотношениями твердых материалов (рис. 17-9). Если TaC также добавлен к сплаву, он входит в смешанное формирование карбидной фазы (W, Ti, Ta) C и в то же самое время сужение доли (W, Ti, Ta) C твердого раствора (рис. 17-8).

Твердые сплавы основанные на TiC -Ni с Mo2C прибавлениями имеют различное строение. В течение спекания, оболочки, сделанные кубических (Ti, Мо)C1-х твердых растворов формируется вокруг магистрального зерна TiC; в отличие от чистого TiC, они хорошо увлажняются свзкой никеля (рис. 17-9). Пока, бориды не использовались в твердых сплавах, для увеличения твердости, потому что хрупкие тройные фазы формируют в течение производства, через влияние связки. Этих фаз можно избегать, прибавляя титан к TiB2(Fe, Cr, Ni) твердым сплавам[15].

2 . 2 Механические свойства твердых сплавов

Модуль упругости твердых сплавов (WC-Cо) - индикация линейного поведения этих материалов. Это главным образом определено величинами и фаз твердого сплава и их объемными компонентами fWCи fCo; которое зависит только от ограниченной степени распространения фаз (структур). Прочность, поведение розлома, и твердость; с другой стороны, повлияют в значительной степени от геометрического размещения элементов структуры.

Стуруктура твердого сплава WC-Co может быть охарактиризована средним линейным размером зерна lWC и средней толщиной интерметаллических слоев кобальта pCo; это также называется длиной свободного пробега или средним растоянием (секция 7.3.4). Применимо следующие равенство:

(1)

Структурные величины и вязкость разрушения K1С твердых сплавов WC-Cо (в пределах от 7 до 20 MPa*m1/2) и энергия области разрыва G1С, связаны следующим выражением:

(2)

Эта величина была выведена эмпирически. Принимая во внимание [11], в заключении можно увидеть, что увеличения энергии области разрыва, поскольку соотношение объема связки и WC, размер зерна увеличивается. Это имеет смысл, потому что на энергию сдвига повлияют значительно работа пласичности, в связки. Твердость зависит от того же самого параметра P2Со/1WC и выходит обратная зависимость [16].

(3)

Это означает, это в любой данной составной твердости системы и вязкости разрушения может только быть оптимизировано за счет друг друга (рис. 17-10).

Изгибающееся сопротивление разрыву твердых сплавов связано с процессом зарождения трещин и распространения. В соответствии с [17], это следует выражение:

(4)

где материальный постоянный m. – параметр Вейбула (секция 7.3), ( lWC) - зернистость - зависимый предел прочности WC и g(fwc) описывает локальное увеличение в напряжений в зерне WC. Градус скелетного формирования (смежность) c, твердой материальной фазы (секция 7.3.4) может быть грубо получена, если ρCo < p*Co и fwc >fCo то

(5)

В идентичной зернистости WC, кроме в очень высоком содержании кобальта (горизонтальные линии константы WC зернистость lWC на рисунке 17-11), изгибающееся сопротивление разрыву увеличивается с увеличивающимся содержанием кобальта. J.Gurland показал, что некоторая зернистость lwc, существует для каждого содержания металла-связки, в котором изгибающееся сопротивление разрыву, достигает максимума. Критическая величина p* толщины слоя металла-связки - p*Co+ 0.4 μmдля кобальта (линии постоянного содержания кобальта fCo ниже 45 ° на рисунке 17-11). В "пластичной зоне" (pCo> p*Co), изгибающееся сопротивление разрыву увеличивается с увеличением дисперсии фазы WC. Это может быть благодаря обоим дисперсионному твердению металла-связки или к увеличению в силе WC зерна с уменьшающейся зернистостью lwc. (p2Co/lwc) уменьшается (см. уравнения (1) и (2)) и твердость увеличивается, однако, уменьшается вязкость разрушения твердого сплава. Если, наконец, нижний предел критической толщины слоя p*Co достигнут (потому что WC зернистость стала меньшей), тонкие слои металла-связки больше не могут стабилизировать трещину пластической деформацией (область хрупкого разрушения).

Соотношение границ зерна WC-WC на полной поверхности WC фаз называется смежность c. Это быстро стало главными слабыми точками на зарождении трещин;так как это увеличение, уменьшает сопротивления разрыву на изгиб. Это означает, это в области хрупкого разрушения, сопротивление разрыву на изгиб и вязкость разрушения изменяется подобные тем же образом. Только, когда эти предварительные условия выполнены, то изгибающееся сопротивление разрыву может быть названо "вязкостью", как и часто названо в изданной литературной и коммерческой практике.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--