Композиционные и порошковые материалы

метки: Материал, Получение, Порошковый, Материаловедение, Металлический, Классификация, Конструкционный, Прочность

1.1. Способы получения и технологические свойства порошков

Металлокерамика, или порошковая металлургия – отрасльтехнологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Сущность порошковой металлургии заключается в том, что из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают термической обработке – спеканию.

Порошковой металлургией можно получать детали из особо тугоплавких металлов, из нерастворимых друг в друге металлов (вольфрам и медь, железо и свинец и т. д.), пористые материалы и детали из них, детали, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов.

Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5–500 мкм) различных металлов и их окислов. Порошки получают механическим и физико-химическим путем.

Для механического измельчения твердых и хрупких материалов применяют шаровые, вибрационные мельницы и бегуны. Порошки из пластичных и легкоплавких металлов и сплавов получают различными способами, основанными на раздуве жидкого материала или газа. Механическим путем, как правило, получают порошки из отходов основного производства.

К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление окислов металлов, электролиз и др.

Окислы металлов можно восстанавливать газообразными или твердыми восстановителями. Наибольшее практическое применение нашли газообразные углеродистые и углеводородистые соединения (природный газ, доменный, углекислый газ) и водород. Электролизом водных растворов солей получают тонкие и чистые порошки различных металлов и сплавов. Порошки из редких металлов (тантала, циркония, титана и др.) получают электролизом расплавленных солей. Режимы и технология изготовления порошков физико-химическим путем приведены в справочной литературе.

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость и спекаемость.

Текучесть —, Прессуемость

спекаемостъю

1.2. Металлокерамические материалы

Порошковой металлургией получают различные материалы для изготовления заготовок и готовых дета­лей. Большое применение находят материалы со специальными свойствами.

Учебные материалы.. первая помощь в учебе (10)

... Электросталь, предназначенную для дальнейшего передела, выплавляют, главным образом в дуговых печах с основной футеровкой и в индукционных печах. 1. Производство ... порошок, а в случае больших повреждений – порошок с добавкой пека или смолы. Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей через. насадку при помощи сжатого воздуха заправочные материалы, или, разбрасывающей материалы ... металла; ...

антифрикционных металлокерамических

Для пористых антифрикционных материалов используют железо-графитовые, железо-медно-графитовые, бронзо-графитовые, алюминиево-медно-графитовые и другие композиции. Процент­ный состав этих композиций зависит от эксплуатационных требо­ваний, предъявляемых к конструкциям деталей.

Фрикционные

Коэффициент трения по чугуну без смазки для фрикционных материалов на железной основе 0,4–0,6. Они способны выдержи­вать температуру в зоне трения до 500–600° С. Применяют фрик­ционные материалы втормозных узлах и узлах сцепления (в самолетостроении, автомобилестроении и т. д.).

высокопористых

Металлокерамические

Основой изготовления твердых сплавов являются порошки карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC).

В качестве связующего материала применяют кобальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают в зависимости от их назначения

Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами. В качестве связующего для алмазных порошков применяют металлические порошки (медные, никелевые и др.) или сплавы. Наибольшей твердостью характеризуются материалы из карбидов бора (эльбор).

жаропрочных

При более высоких температурах (до 3000° С) можно использовать тугоплавкие и твердые соединения типа окислов, карбидов, боридов и др. Однако эти материалы имеют высокую хрупкость и поэтому в чистом виде не могут быть использованы в качестве материалов для изготовления различных де­талей.

Применение порошковой металлургии позволяет повысить пластичность этих хрупких тугоплавких соединений. В качестве металлической связки выбирают металлы и сплавы, жаропрочность которых близка жаропрочности тугоплавких соединений. Они должны не образовывать химических соединений, быть мало растворимыми в тугоплавких соединениях, а также иметь близкие значения коэффициентов линейного расширения, теплопровод­ности и модуля упругости.

Технология изготовления жаропрочных материалов характеризуется отдельными специфическими особенностями.

Порошковую металлургию широко применяют для получения материалов со специальными электромагнитными свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлектрики, ферриты и т.д.).

2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Порошковыми называют материалы, изготовляемые путем прес­сования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров спекания сформованных изделий в ва­кууме или защитной атмосфере при температуре 0,75–0,8Т _ПЛ . Различают пористые и компактные порошковые материалы.

Пористыми

Антифрикционные порошковые сплавы имеют низкий коэффи­циент трения, легко прирабатываются, выдерживают значитель­ные нагрузки и обладают хорошей износостойкостью.

Подшипники из порошковых сплавов могут работать без при­нудительного смазывания за счет «выпотевания» масла, находя­щегося в порах.

Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1–7% гра­фита (ЖГр1, ЖГрЗ, ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8–10% Sn и 2–4% графита (БрОГр10–2, БрОГр8–4 и др.).

металлической основы железографитовых материа­лов должна быть перлитной, с массовой долей связанного угле­рода ~1,0%. Такая структура допускает наиболее высокие скорости и нагрузки при наименьшем износе подшипников. До­бавка к железографитовым материалам серы (0,8–1,0%) или сульфидов (3,5–4,0%), образующих сульфидные пленки на тру­щихся поверхностях, улучшает прирабатываемость, уменьшает износ и прихватываемость сопряженных деталей.

Конструкционные материалы применяемые в автомобилестроении

... 15.2 31 7587 611 2.Область применения материала в автомобилестроении. В автомобилестроении сталь 45 обычно применяют для вал-шестерни, коленчатые и ... при растяжении равен 30 мпа. Область применения материала в автомобилестроении. Чугун СЧ30 3. Условия работы выбранной детали, ... сильно влияет усталостное изнашивание, которое возникает при трении, качении, и отчетливо проявляется на рабочих плоскостях. ...

Коэффициент трения железографита по стали при смазке 0,07–0,09. Подшипники из железографита применяют при до­пустимой нагрузке не более 1000–1500 МПа и максимальной тем­пературе 100–200°С. Коэффициент трения бронзографита по стали без смазывания 0,04–0,07 и со смазыванием 0,05–0,007. Допустимая нагрузка 400–500 МПа и рабочая температура не выше 200–250°С.

Механические свойства железографита: σ _B =180ч300 МПа и твердость 60–120 НВ, а бронзиграфита: σ_B =30ч50 МПа, твердость 25–50 HВ.

Спеченные материалы на основе железа и меди используют и для фрикционных изделий (дисков, сегментов) в тормозных узлах. Фрикционные изделия должны иметь высокий коэффициент трения, достаточную механическую прочность и хорошее сопро­тивление износу. Для повышения коэффициента трения в состав фрикционных материалов вводят карбиды кремния, бора, туго­плавкие оксиды и т.д. Компонентами твердого смазочного мате­риала служат графит, свинец, сульфиды и др.

Коэффициент трения по чугуну (трение без смазочного мате­риала) для материала на железной основе составляет 0,18–0,40, а на медной основе – 0,17–0,25.

Фрикционные сплавы на медной основе применяют для усло­вий жидкостного трения в паре с закаленными стальными деталями (сегменты, диски сцепления и т.д.) при давлении до 400 МПа и скорости скольжения до 40 м/с с максимальной температурой 300–350°С. Типичным фрикционным материалом на основе меди является сплав МК5, содержащий 4% Fe, 7% графита, 8% Рb, 9% Sn, 0–2% Ni.

Для работы в условиях трения без смазочного материала (деталей тормозов самолетов, тормозных накладок тракторов, автомобилей, дорожных машин, экскаваторов и т.д.) применяют материалы на железной основе. Наибольшее применение получил материал ФМК-11 (15% Cu, 9% графита, 3% асбеста, 3% SiO ₂ и 6% барита), фрикционные материалы изготовляют в виде тонких секторов (сегментов, полос) и крепят на стальной основе (для упрочнения).

Широко применяют порошковые материалы для фильтрующих изделий. Фильтры в виде втулок, труб, пластин из порошков Ni, Fe, Ti, Al, коррозионно-стойкой стали, бронзы и других материалов g пористостью 45–50% (размер пор 2–20 мкм) ис­пользуют для очистки жидкостей и газов от твердых примесей.

В электротехнике и радиотехнике применяют порошковые магниты на основе Fe–Ni–А1–сплава (типа алнико) и др. Свойства порошковых магнитов нередко выше свойств литых магнитов.

Большое применение в машинах для контактной сварки, при­борах связи получили контакты из порошковых материалов. Для этой цели применяют псевдосплавы тугоплавких металлов (W и Мо) с медью (МВ20, МВ40, MB60, MB80), серебром (СМ30, СМ60, СМ80, СВ30, СВ50, СВ85 и др.) или с оксидом кадмия (ОК8, ОК12, ОК15) и др. Контакты отличаются высокой проч­ностью, электропроводимостью и электроэрозионной стойкостью. Токосъемники (щетки) изготовляют из порошков меди (или се­ребра) с графитом (углем).

Все больше порошковая металлургия применяется для из­готовления специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсионно-упрочненных материалов на основе Ni, Ai, Ti и Cr. Методом порошковой металлургии получают различ­ные материалы на основе карбидов W, Мо и Zr.

Разработка технологии восстановления эксплуатационных свойств ...

... технологического процесса; незначительную чувствительность к ржавчине и другим загрязнителям основного металла. Целью дипломной работы задачи дипломной работы: Анализ современных технологий восстановления эксплуатационных свойств детали с применением автоматической наплавки ... применяют различные технологии наплавки. Настоящая дипломная работа посвящена технологии автоматической наплавки ...

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют тогда, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответ­ствующий сплав. Изготовляют CAC с особыми физическими свойствами. САС содержат большое количество легирующих эле­ментов (например, САС1: 25–30% Si, 5–7% Ni, остальное Аl).

Из САС1 делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20–200°С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

В оптико-механических и других приборах применяют высоко­прочные порошковые сплавы системы А1–Zn–Mg–Си (ПВ90, ПВ90Т1 и др.).

Эти сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и релакса­ционной стойкостью. Изделия из этих сплавов подвергают тер­мической обработке по режимам Т1 и Т2 (см. c. 396).

Применяют гранулированные специальные сплавы c высоким содержанием Fe, Ni, Co, Mn, Сr, Zr, Ti, V и других элементов, мало растворимых в твердом алюминии. Гранулы – литые ча­стицы диаметром от десятых долей до нескольких миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью 10 ⁴ –10⁶ °С/с, что позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминии. При технологических на­гревах (400–450°С) происходит распад твердого раствора c об­разованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные мате­риалы (1–3% пористости) из порошков углеродистой и легиро­ванной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана для изготовления всевозможных шестерен, кулачков, кранов, кор­пусов подшипников, деталей автоматических передач и других деталей машин.

Изготовляют большое количество порошковых (СП10-1 … СП10-4, СП30-1 … СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3-2 и др.), мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.), коррозионно-стойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и дру­гих сталей. В маркировке сталей добавочно введены буква «С», которая указывает класс материала – сталь, и буква «П» – порошковая. Цифра после дефиса показывает плотность стали в процентах. Стали подвергают термической обработке.

Свойства сталей, полученных из порошков после термической обработки, во многих случаях уступают свойствам сталей, полу­ченных обычными металлургическими методами. Механические свойства порошковой стали зависят от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3% заметно уменьшаются σ _В , σ_0,2 , KCU, а порог хладноломкости t ₅₀ повышается даже при уве­личении пористости более 2%. С повышением содержания кисло­рода более 0,01% снижается KCU и повышается t ₅₀ .

Поэтому рекомендовать порошковую технологию для высоко­нагруженных стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств, высокой стоимости исходного материала и энергоемкости процесса спекания порошковая сталь может быть использована только для изготовления мало нагружаемых изделий, главным образом сложной формы.

Технология изготовления деталей из неметаллических материалов и порошков

... для изготовления крупногабаритных деталей из стеклопластиков (корпусов лодок и судов, кузовов легковых и грузовых автомобилей и др.). Двумя последними получают трубы, сложные по форме, и оболочки, а также крупногабаритные детали, имеющие форму тел вращения. 5 Изготовление деталей из ...

Сплавы на основе цветных металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ–2, БрПО10–2, БрПО10Ц3–3, ЛП58Г2-2 и др.) нашли широкое применение в приборостроении электро­технической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» – алю­миний, «Б» – берилий, «Бр» – бронза, «Л» – латунь и т.д.), буква «П» – порошковый сплав и число после дефиса – плот­ность материала в процентах. Буквы («Д» – медь, «Ж» – же­лезо, «Г» – марганец и др.) и цифры в марке указывают состав сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и элек­тропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитны, хо­рошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металла и повысить производительность труда.

Экономическая эффективность достигается благодаря сокра­щению или полному исключению механической обработки. Вслед­ствие высокой стоимости пресс-форм изготовление деталей машин методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при из­готовлении деталей простой симметричной формы (цилиндриче­ские, конические, зубчатые), малых массы и размеров. формы детали не должны содержать отверстий под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. и форма детали должны позволять равномерно запол­нять полость пресс-формы порошками, их уплотнение, распреде­ление напряжений и температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

3.1. Приготовление смеси

Процесс приготовления смеси состоит из классификации порошков по размерам частиц, смешивания и предварительной обработки.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам просеиванием на ситах, а более мелкие порошки – воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (па­рафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества; легко­плавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие вещества для получения детален с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок иногда предварительно грану­лируют. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, бара­банных мельницах и других смешивающих

Предварительную механическую или термическую обработку (например, отжиг) применяют для повышения технологических свойств порошков.

3.2. Способы формообразования заготовок и деталей

Рис.1 . Схемы холодного прессования:

а – одностороннее; б – двустороннее

Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и про­каткой.

Холодное прессование

Односторонним прессованием (рис.1, а) изготовляют заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением диаметра к толщине стенки меньше трех, вследствие чего обеспечивается равномерная плотность получаемых заготовок. Двусторонним прессованием (рис.1, б ) получают заготовки сложной формы, при этом требуемое давление для получения равномерной плотности уменьшается на 30–40%.

При извлечении детали из пресс-формы ее размеры увеличиваются. Величина упругого последействия в направлении прессования составляет 0,3–0,5% и 0,1–0,2 – в направлении, перпендикулярном прессованию. Указанное необходимо учитывать при расчете исполнительных размеров пресс-форм.

Давление прессования составляет 200–1000 МПа в зависимости от требуемой плотности, размеров, формы прессуемой детали, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет резко (в 50–100 раз) уменьшить потребное давление. Рабочие детали пресс-форм изготовляли из высоколегированных, сталей и твердых сплавов.

Горячее прессование

Рис.2 . Схема гидростатического

прессования

Гидростатическое прессование . Это прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что порошок 3, заключенный в эластическую резиновую или металлическую оболочку 2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1 (рис 2).

Давление жидкости достигает 3000 Mпа, что обеспечивает получение заготовок высокой прочти и плотности. При гидростатическом прессовании отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс-форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок зависят от герметизированной камеры.

Рис.3 . Схема прокатки

порошков

Выдавливание . Этим способом изготовляют прутки, трубы и профили различного сечения. Процесс получения заготовок

заключается в выдавливании порошка через комбинированное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор до 10–12% от массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброван­ного отверстия пресс-формы. Полые профили выполняют с при­менением рассекателя. Металлокерамические профили получают выдавливанием на гид­равлических и механических прессах.

Прокатка . Этот способ – один из наибо­лее производительных и перспективных спо­собов переработки металлокерамических ма­териалов. Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками (рис.3, а). При вращении валков 3 происхо­дит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Про­цесс прокатки может быть совмещен со спе­канием и окончательной обработкой полу­чаемых заготовок. В этом случае лента про­ходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечи­вающую заданную ее толщину.

Прокаткой получают ленты из различ­ных металлокерамических материалов (пори­стых, твердосплавных, фрикционных и др.).

За счет применения бункеров с перегородкой (рис.3, б) изго­товляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02–3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного про­филя, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 мм до несколь­ких миллиметров.

3.3. Спекание и окончательная обработка заготовок

Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В процессе спекания вследствие температурной подвижности атомов порош­ков одновременно протекают такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6–0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже темпе­ратуры плавления основного материала для порошков, в состав которых входит несколько компонентов. Процесс спекания реко­мендуется проводить за три этапа: I – нагрев до температуры 150–200° С (удаление влаги); II – нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III – окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки после достижения температуры спекания но всему сечению составляет 30–—90 мин. Увеличение времени и тем­пературы спекания до определенных значений приводит к увели­чению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению проч­ности за счет роста зерен кристаллизации.

Для спекания используют электрические печи сопротивления или печи с индукционным нагревом. Для предотвращения окис­ления спекают в нейтральных или защитных средах, а для по­вышения плотности и прочности получаемые заготовки повторно прессуют и спекают. Требуемой точности достигают с помощью отделочных операций: калибрования и обработки резанием.

Калибруют заготовки дополнительным прессованием в спе­циальных стальных пресс-формах или продавливанием прутко­вого материала через калиброванное отверстие. При этом по­вышается точность и уплотняется поверхностный слой заго­товки.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, на­резание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда прессова­нием нельзя получить детали заданных размеров и форм. Особен­ностью механической обработки является пористость металлокерамических заготовок. Не рекомендуется применять обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок перед обработ­кой также нежелательна, так как в процессе резания масло вы­текает из пор и, нагреваясь, дымит.

3.4. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из

металлических порошков

Технологический процесс изготовления деталей из металлических порошков характеризуется отдельными специфическими особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании этих деталей.

При проектировании деталей с высокими требованиями по точности исполнительных размеров необходимо предусматривать припуск на их дальнейшую механическую обработку. Наружные и внутренние резьбы следует изготовлять обработкой резанием. В деталей необходимо избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования (рис.4, а , 1 ).

Их следует заменять соответствующими элементами, расположенными в направлении прессования (рис.4, б ,5 ),или изготовлять обработкой резанием. Процесс прессования деталей сопровождается значительной усадкой. По­этому в их конструкциях нельзя допускать значитель­ной разностенности (рис.4, а ,2 ),которая вызы­вает коробление и образова­ние трещин.

При незначительной разностенности в процессе прес­сования получают более рав­номерную плотность по вы­соте детали (рис.4, б ,6 ). Длинные тонкостенные (рис.4, а ,3 )необходимо заменять на рав­нозначные по эксплуатацион­ным показателям с учетом получения равномерной плотности прессуемой детали (рис.4, б , 7 ).

Толщина стенок должна быть не менее 1 мм.

Рис.4 . Примеры конструктивного оформления металлокерамических деталей: а – нетехнологические конструкции; б – технологические конструкции

Для свободного удаления заготовки пресс-форма должна иметь незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения за­готовки (рис.4, б ,8 ),обратная конусность недопустима (рис.4, а ,4 ) Радиусы перехода сопрягающихся поверхно­стей должны быть не менее 0,2 мм.

4. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧСКОЙ

МАТРИЦЕЙ

Рис.5 . Схема структуры (а ) и армирования

непрерывными волокнами ( б )

композиционных материалов

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы

4.1. Волокнистые композиционные материалы

l/d ≈ 10ч10

Часто композиционный материал представляет собой слоистую которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости ( Е /γ ) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость при одновременном снижении ее металлоемкости.

Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Материал	σ В	σ -1	Е, ГПа	σ В /γ	Е/γ
	МПа
Бор–алюминий (ВКА–1А)	1300	600	220	500	84,6
Бор–магний (ВКМ–1)	1300	500	220	590	100
Алюминий–углерод (ВКУ–1)	900	300	220	450	100
Алюминий–сталь (КАС–1А)	1700	350	110	370	24,40
Никель–вольфрам (ВКН–1)	700	150	–	–	–

Прочность композиционных (волокнистых) материалов опреде­ляется свойствами волокон; матрица в основном должна пере­распределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть зна­чительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, воз­никающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σ _В = 2500ч 3500 МПа, Е = 38ч 420 ГПа) и углеродные (σ_В = 1400ч 3500 МПа, Е = 160ч 450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют σ_В = 2500ч 3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в ка­честве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибдено­вую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда тре­буются высокие теплопроводность и электропроводимость. Пер­спективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодуль­ных волокнистых композиционных материалов являются нитевид­ные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σ _В = 15000ч 28000 МПа и Е = 400ч 600 ГПа.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых компо­зиционных материалов.

Рис.6 . Зависимость модуля упругости Е (а ) и временного сопротивления σ_В (б ) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1 )

и поперек ( 2 ) оси армирования от объемного

содержания борного волокна

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σ_В , σ_-1 )и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материа­лах уменьшают скорость распространения трещин, зарождаю­щихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон и малая чувстви­тельность к концентраторам напряжения,

На рис.6 приведена зависимость σ_В и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σ_В , σ_-1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами ма­трица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15–20 %.

Рис.7 . Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а ) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б )

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материа­лов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напря­жения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаро­прочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис.7, а) с повы­шением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

4.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую проч­ность материала до 0,9–0,95 Т _пл . В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсноупрочненные ком­позиционные материалы могут быть получены на основе большин­ства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок).

САП состоит из алюми­ния и дисперсных чешуек А1 ₂ О₃ . Частицы А1₂ О₃ эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность

сплава. Содержание А1 ₂ О₃ в САП колеблется от 6–9 % (САП-1) и до 13–18 % (САП-3).

С увеличением содержания А1₂ О₃ σ_B по­вышается от 300 для САП-1до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и корро­зионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250–500°С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность σ₁₀₀ для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45–55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2–З об.%двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni+20% Cr, Ni+15% Mo, Ni+20% Cr и Мо. Широкое при­менение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный дву­окисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20% Сг, упрочненная окисью тория).

Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При темпера­туре 1200°С сплав ВДУ-1 имеет σ ₁₀₀ ≈75 МПа и σ₁₀₀₀ ≈65 МПа, сплав ВД-3 – 65 МПа. Дисперсно-упрочненные компози­ционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.7).

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космической технике для узлов силовых аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жидкости, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданском (пролеты мостов, элементы сборных высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерге­тических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из компо­зиционных материалов достаточно хорошо отработана.

5. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛИЧЕСКОЙ

МАТРИЦЕЙ

5.1. Общие сведения, состав и классификация

Рис.8 . Схемы армирования

композиционных материалов

Композиционные материалы с неметаллической матри­цей нашли широкое применение. В качестве неметаллических мат­риц используют полимерные, углеродные и керамические мате­риалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение полу­чили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Уголь­ные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из син­тетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связы­вает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.

Свойства композиционных материалов зависят от состава ком­понентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах соста­вляет 60–80 об.%, в неориентированных (с дискретными волок­нами и нитевидными кристаллами) – 20–30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы опре­деляют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивле­ние усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифи­цируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Рис.9 . Зависимость между напряжением и деформацией при растяжении эпоксидного углепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – под углом 45є; 3 – взаимно перпендикулярная; 4 – поперечная

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис.8).

Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут рас­полагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отр ыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех-направленных. Зависимость механических свойств композицион­ных материалов от схемы армирования приведена на рис.9.

5.2. Карбоволокниты

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой ком­позиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и уп­рочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С–С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в ней-

тральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна пре­дохраняют защитными покрытиями (пиролитическими).

В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются свя­зующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6–2,5 раза. Применяется вискеризация ните­видных кристаллов TiO ₂ , AlN и Si₃ N₄ , что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются армированные

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиро­лизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Рис.10 . Значения модулей упругости (1 ), сдвига (2 ) и коэффициентов Пуассона (3 ) под углом к главному направлению композиционного материала, образованного системой трех нитей

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный угле­родной лентой, и КМУ-ly на жгуте, вискеризованном нитевид­ными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200°С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксиани-линоформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбово­локниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300°С.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динами­ческим сопротивлением усталости (рис.10), сохраняют это свой­ство при нормальной и очень низкой температуре (высокая тепло­проводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения).

Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ _ИЗГ и Е почти не изменяются.

Рис.11 . Зависимость модуля упругости Е , предела прочности σ_В , ударной вязкости а и сопротивления усталости σ_-1 карбостекловолокнита от содержания углеродных волокон (общее содержание наполнителя в композиции 62 об.%)

Теплопроводность углепластиков в 1,5–2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие элек­трические свойства: ρ_V = 0,0024ч0,0034 Ом∙см (вдоль воло­кон); е=10 и tgδ=0,01 (при частоте тока 10¹⁰ Гц).

Карбостекловолокниты

5.3. Карбоволокниты с углеродной матрицей.

Коксованные мате­риалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, под­вергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800–1500°С образуются карбонизированные, при 2500–3000°С графитированные карбоволокниты. Для полу­чения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан).

При определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан раз­лагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет вы­сокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими меха­ническими и абляционными свойствами, стойкостью к термиче­скому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по зна­чениям прочности и ударной вязкости в 5–10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и ваку­уме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35–0,45), а износ мал (0,7–1 мкм на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомоби­лестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты при­меняют для изготовления деталей авиационной техники, аппара­туры для химической промышленности, в рентгеновском обору­довании и др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены в табл.2.

5.4. Бороволокниты

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя — борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и моду­лем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплекс­ные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения бороволокнитов исполь­зуют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при темпе­ратуре не свыше 100°С; КМБ-2к работоспособен при 300°С.

Влияние на механические свойства бороволокнита содержа­ния волокна приведено на рис.12, а влияние различных матриц – на рис.13.

Рис.12 . Зависимость механических свойств бороволокнита КМБ-1 от содержания борного волокна: Е – модуль упругости;

σ _ИЗГ – предел прочности при изгибе; G – модуль сдвига; τ_В – предел

прочности при сдвиге

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями уста­лости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Рис.13 . Зависимость разрушающего напряжения при изгибе бороволокнитов на различных связующих от температуры: 1 , 2 – эпоксидное; 3 – полиимидное; 4 – кремнийорганическое связующее

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью: λ=43 кДж/(м∙К); α=4∙10^-6 С^-1 (вдоль волокон); ρ_V = 1,94∙10⁷ Ом∙см; е=12,6ч20,5 (при частоте тока 10⁷ Гц); tgδ=0,02ч0,051 (при частоте тока 10⁷ Гц).

Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2–2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

Физико-механические свойства бороволокнитов приведены в табл.2.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрес­соров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

5.5. Органоволокниты

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной проч­ностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических воло­кон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

В органоволокнитах значения модуля упругости и температур­ных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и свя­зующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. материала бездефектна. Пористость не превышает 1–3% (в дру­гих материалах 10–20%).

Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, дей­ствии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высо­кая (400–700 кДж/м ² ).

Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влаж­ном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100–150°С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при 200–300°С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна).

Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и кон­струкционного материала в электрорадиоиромышленности, авиа­ционной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, ем­кости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/na-temu-poroshkovyie-materialyi/

1. Гуляев А.П. «Металловедение», М.: 1968.

2. Дальский А.М. «Технология конструкционных материалов», М.: 1985.

3. Куманин И.Б. «Литейное производство», М.: 1971.

4. Лахтин Ю.М. «Материаловедение», М.: 1990.

5. Семенов «Ковка и объемная штамповка», М.: 1972.

Материал

Плот­ность, т/м 3

Предел прочности, МПа

Модуль упругости, ГПа

Удельная жесткость Е/ρ, 10 3 км

Относительное удлинение при разрыве, %

Удельная проч-ность σ/ρ, км

Ударная вязкость, кДж/м 2

Сопр. усталости на базе 10 7 циклов, МПа

Длит. прочн. при изгибе за 1000 ч, МПА

при рас-тяжении

при сжатии

при изгибе

при сдвиге

при рас-тяжении

при изгибе

при сдвиге

Карбоволокниты: КМУ-1л КМУ-1у КМУ-1в КМУ-2в Бороволокниты: КМБ-1м КМБ-1к КМБ-2к КМБ-3к Карбоволокнит с углер. матрицей КУП-ВМ Органоволокниты: с эластичным волокном с жестким волокном

1,4 1,47 1,55 1,3 2,1 2,0 2,0 2,0 1,35 1,15–1,3 1,2–1,4

650 1020 1000 380 1300 900 1000 1300 200 100– 190 650–700

350 400 540 – 1160 920 1250 1500 260 75 180–200

800 1100 1200 – 1750 1250 1550 1450 640 100–180 400–450

25 30 45 – 60 48 60 75 42 – –

120 180 180 81 270 214 260 260 160 2,5–8,0 35

100 145 160 – 250 223 215 238 165 – –

2,80 3,50 5,35 – 9,8 7,0 6,8 7,2 – – –

8,6 12,2 11,5 6,2 – 10,7 13,0 12,5 – 0,22–0,6 2,7

0,5 0,6 0,6 0,4 0,3–0,5 0,3–0,4 0,3–0,4 0,3–0,4 – 10–20 2–5

46 70 65 30 – 43 50 65 – 8–15 50

50 44 84 – 90 78 110 110 12 500–600 –

300 500 350 – 400 350 400 420 240 – –

480 880 900 – 1370 1220 1200 1300 – – –