На головну

Армуючі матеріали і їх властивості

  1. I. Методичні рекомендації (матеріали) для викладача
  2. VI. матеріали
  3. VII. КОНТРОЛЬНО-ВИМІРЮВАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ
  4. XI. Пристосування ТА ІНШІ ЕЛЕМЕНТИ, властивості. Здібностей та обдарувань АРТИСТА
  5. АГРЕСИВНОСТІ ЯК властивості ОСОБИСТОСТІ
  6. АКРИЛОВІ ДВОКОМПОНЕНТНІ МАТЕРІАЛИ
  7. АКРИЛОВІ Однокомпонентних МАТЕРІАЛИ

Для зміцнення композиційних матеріалів використовують високоміцний дріт зі сталі, молібдену, вольфраму та інших металів та їх сплавів; волокна з бору, вуглецю, скла, а також монокристали з оксидів, нітридів алюмінію і кремнію та інших з'єднань.

У табл. 10.5 наведені властивості дротів, волокон і ниткоподібних кристалів для армування композиційних матеріалів.

Дроту - найбільш економічний і доступний армуючий матеріал. Сталеві і берилієві дроту використовують в композиційних матеріалах, експлуатованих при низьких і помірних температурах, а вольфрамові і молібденові - при помірних і високих.

В даний час для зміцнення композиційних матеріалів застосовують дротові волокна з сталей аустенітного, аустенитно-мартен-ситно і мартенситного класів.

Волочіння дротів із сталі аустенітного класу (XI8H9, XI8H10T і ін.) Проводять з обтисканнями понад 92%, що різко збільшує їх міцність і значно знижує пластичність. Такі підвищені обтиску в процесі виготовлення дротів з аустенітної структурою виконують при остаточному волочіння. При виробництві дротів з мартенситной структурою величина одиничних обтиснень зазвичай нижче і визначається температурою в зоні деформації. Задана температура і відповідна ступінь пластичної деформації забезпечують протікання і завершення у-»а-перетворений-ня в процесі волочіння на остаточний розмір. Для інтенсифікації процесу перетворення нестабільного аустеніту в мартенсит заготовки охолоджують до негативних температур.


Таблиця 10.S. Властивості волокон, дроту і ниткоподібних кристалів для армування композиційних матеріалів


О


о а


питома



матеріал


II


S I


Г

S


V

!


о

&


про g

А



Волокно: борне

вуглецеве

оксид

алюмінію Дріт:

берилієва

вольфрамовая

сталева Ниткоподібні кристали:

нітрид

алюмінію

карбід

кремнію

нітрид

кремнію


2040 3000 2054

1284 3400 1300

2400 2650 1900


2,63 1,7 3,96

1,8 19,3 7,8

3,3 3,21 3,18


380-420

196-296

290 400 200

380 580 495


2,5-3,5

1,96-2,96

2,1-2,6

1,0-1,3

4,2 3,6-4,0

15 37 15


95-133

117-176

52-65

55-65

21 45-51

455 1150


14,4-15,9

11,7-17,4

12,6

15,76 2,07 2,56

11,5

18 15,6


Міцність дроту з мартенситной структурою перевищує міцність дротів з аустенітної структурою на 40-50%.

З сталей 30X13, XI7H2, 13Х14НЗФА мартенситного класу отримують високоміцні дроту загартуванням з температур 950-1000 ° С в воду або масло і відпусткою. Так, дріт зі сталі 30X13 після гарту і відпустки при 200 ° С має міцність 2000 МПа.

Разупрочнение дротів із сталі аустенітного і мартенситного класів відбувається після витримки при 380-400 ° С.

Сталь аустенитно-мартенситного класу 20Х15Н5АМЗ зберігає властивості міцності до 480-500 ° С. Ця сталь зміцнюється в більшій мірі після холодного волочіння з сумарним обтисненням (80%) і проміжними відпалу при 450 ° С, ніж сталі аустенітного класу. Після такої обробки дріт зі сталі 20X15Н5АМЗ має міцність до 3200 МПа.


Міцність дротів залежить від діаметра і зростає з його зменшенням.

Дроту з вольфраму і молібдену. Високоміцні дроту з вольфраму і молібдену і їх сплавів виготовляють в основному методами порошкової металургії з наступним волочінням. Як присадок, що забезпечують необхідний рівень міцності властивостей, при виробництві вольфрамових прополок використовують оксиди Th02, Si02, La203 та ін. волочіння піддають штабіки діаметром 2,75 мм, отримані пресуванням в сталевих формах при тиску 4-6 тс / см2 на гідравлічних пресах і наступного спікання при температурах до 3000 ° С. Температура волочіння на початкових стадіях деформування становить 1000 ° С і поступово знижується до 400-600 ° С на заключних стадіях. В процесі виготовлення вольфрамовий дріт піддають кільком проміжним відпалом. Перший проводять при 800 ° С в газовій печі при діаметрі дроту 0,5 мм, з тим щоб надати поверхні деяку шорсткість і збільшити смачиваемость її мастилом. Наступні проміжні отжиги проводять при 600-750 ° С з одночасним волочінням дроту через фільєри з діаметром 0,3; 0,12 і 0,05 мм.

Властивості вольфрамових дротів діаметром 0,5 мм різних марок при температурах 1000 - 1200 ° С наведені в табл. 10.6.

Таблиця 10.6. Властивості вольфрамових дротів діаметром 0,5 мм

марок ВА (W з присадкамиSi02 і А1), ВТ-15 (W з присадками 2% Th02),

ВР-20 (сплав W з 20% Re)

 Марка дроту  Температура.  Міцність, МПа  Длітельнаяпрочность за100 ч, МПа  Пределползучесті для Е-10 ~5ч " ', МПа
 ВА  9001000 1100  1320 образотворчого мистецтва  630 480 350  760 630 470 380
 ВТ-15  900 1000 1100 1200  1200 1090 850  660 440 410  830 600 520
 ВР-20  900 1000 1100 1200  2670 2140 1990 1390  1170 1060 420  1950 1300 690

Дріт з вольфрамо-ренієві сплаву до 1100 ° С має вищу тривалу міцність. Однак при 1200 ° С тривала міцність


дроту ВТ-15, що містить добавку діоксиду торію, перевершує тривалу міцність дроту ВР-20. Діоксид торію стабілізує структуру вольфраму і підвищує температуру рекристалізації. Високі міцнісні властивості дротів з вольфраму, молібдену, танталу зберігаються до 1200-1500 ° С.

Молибденовую дріт отримують за такою ж технологією, як і вольфрамову. Молібден, що відрізняється від вольфраму підвищеною пластичністю, обробляють при більш низьких температурах (на 100-200 ° С), ніж вольфрам. Так, молібден без присадок може деформуватися з діаметра 0,3 до 0,02 мм без нагріву.

Вольфрамову і молибденовую дріт доцільно застосовувати для армування жароміцних композиційних матеріалів.

Берилієва дріт. Берилій володіє малою щільністю (1850 кг / м3) І в поєднанні з високою міцністю і модулем пружності Юнга забезпечує найбільш високі значення питомих показників - міцності і жорсткості.

Волочіння берилієвою дроту ведуть з підігрівом до 400-480 ° С. При цих температурах пластичність берилію висока і близька до пластичності маловуглецевих сталей. Волочіння берилію здійснюють в металевій оболонці з пластичного металу, наприклад нікелю. Після волочіння оболонку видаляють натравлюванням покриття і виконують згладжування поверхні дроту електрохімічної поліруванням. В якості оболонки може використовуватися і матеріал матриці композиції, що виключає операції електрохімічного травлення і полірування.

Так, берилієва дріт діаметром 1,8 мм має при розтягуванні ав = Тисячу сто двадцять дев'ять МПа, модуль пружності Е - 320-103 МПа, що відповідає питомою міцності (60 км) і жорсткості (17300 км).

У сільнодеформірованном стані берилієва дріт має

високу температуру рек-

 а "МПа

? 10 "3МПа

 4000-
 о.
 ¦ 100

рісталлізаціі (700 ° С). До недоліків, що перешкоджає використанню берилієвою дроту в композиційних матеріалах, відносять його низьку пластичність (8 = 1-2%) і високу токсичність.

 2400 /, ° С
 Мал. 10.8. Вплив температури графігізаціі на властивості вуглецевих волокон

Берилієвих дріт частіше застосовують для зміцнення матриць з малою щільністю - алюмінієвої, магнієвої або титанової.


Вуглецеві волокна. Вуглецеві волокна отримують з поліакрілнітрільное (ПАН) гідроцеллюлозного волокна або з волокон на основі нафтових смол або пеков. Технологічний процес отримання вуглецевих волокон заснований на термічному розкладанні органічних вихідних волокон в контрольованих атмосферах.

 Мал. 10.9. Схема будови вуглецевого волокна:а - загальний вигляд, б - Подовжній перетин фібрили, в - поперечне сеченіеМІКрофібрІЛЛИ, ! "І 1с -поперечне размеримікрофібрілл

Процес виробництва вуглецевого волокна з поліакрілнітрільное волокна зводиться до послідовного проведення операцій окислення, карбонізації і графитизации. Окислення ПАН-волокон здійснюють при 200-300 ° С, і на цій стадії переробки створюються умови для формування оптимальної структури вуглецю. Карбонізація проходить при температурах вище 900 ° С в атмосфері водню, і на цій стадії початкового волокну надається вогнестійкість. При температурі обробки вище 2500 ° С формується структура вуглецевого волокна.

Обробка проводиться в вакуумі або інертному середовищі - азоті, аргоні або гелії. Кінцева температура обробки істотно впливає на властивості вуглецевих волокон. Змінюючи температуру графитизации, можна управляти властивостями волокна (рис. 10.8).

Структура вуглецевого волокна (рис. 10.9) складається з системи стрічкоподібна шарів конденсованого вуглецю з гексагональної структурою, званих мікрофібрилами. Групи однаково орієнтованих микрофибрилл, розділених вузькими порами, утворюють фібрили. розміри по-

ст ", МПа

 ? 10 "3, МПаРнс. 10.10. Зв'язок між тимчасовим опором і модулем пружності вуглецевих волокон, одержаних з поліакрілнітріла (/), віскози (2)

поперечного перерізу фібрил коливаються в широких межах від сотень до тисяч ангстрем. Взаємне розташування фібрил, ступінь їх орієнтації залежать від вихідної сировини: ступеня витяжки волокон, складу макромолекул, технології отримання волокон. В результаті вуглецеві волокна, отримані з різних вихідних матеріалів, виявляють різний характер співвідношення між міцністю і жорсткістю (рис. 10.10) і раз-


ні властивості міцності. Міцність вуглецевих волокон також залежить від наявності дефектів - пустот, тріщин - і значно знижується зі збільшенням розмірів дефектів.

В даний час освоєно виробництво декількох типів вуглецевих волокон, що відрізняються рівнем механічних властивостей:

- Високоміцні волокна ст "= 2500-3200 МПа; Е = (180-220) -103 МПа;

- Високомодульні волокна а, = 1400-2200 МПа; Е = (350-550) 103 МПа. Промисловістю випускаються вуглецеві волокна у вигляді крученого

або некрученого джгута з діаметром волокон -7 мкм і числом волокон в джгуті від 1000 до 160 000. З вуглецевих волокон роблять стрічки різної ширини.

До недоліків вуглецевих волокон слід віднести їх схильність до окислення на повітрі, хімічну активність при взаємодії з металевими матрицями, слабку адгезію з полімерними матрицями. Забезпечити більшу сумісність волокон з металевими матрицями і захищеності їх від окислення домагаються нанесенням на вуглецеві волокна металевих і керамічних покриттів.

Борні волокна. Борні волокна отримують осадженням бору з газової фази (всь + Н2) При 1100-1200 ° С на попередньо нагріту і очищену вольфрамовий дріт діаметром 12 Мкм. В результаті осадження утворюється серцевина з боридов вольфраму (WB, W2B5, WB4) Діаметром 15-17 мкм, навколо якої розташовується шар полікристалічного бору. Діаметр отриманого таким чином волокна бору - в межах від 70 до 200 мкм.

Міцність серцевини значно нижче міцності волокна в цілому. У серцевині виникають напруги стиснення, в межах же зони бору, прилеглої до серцевини, - напруження розтягу. Наявність напруг, що розтягують є причиною радіальних тріщин в борних волокнах.

Міцність борних волокон визначається поверхневими і об'ємними дефектами, а також дефектами на поверхні розділу серцевина-оболонка. Найчастіше поверхневі дефекти виникають в борних волокнах з грубою поверхнею, що містить нарости, нерівності та тріщини. Поверхневі дефекти усувають травленням, що веде до збільшення міцності борного волокна.

Об'ємними дефектами є включення великих кристалів бору, що утворюються при підвищених температурах (1200-1300 ° С) в зоні осадження, і інших домішок. Повністю виключити появу поверхневих і об'ємних дефектів неможливо. Зменшити їх вплив можна, удосконалюючи технологічний процес отримання волокон бору.

Волокна бору мають цінне поєднанням властивостей: низькою щільністю (2600 Kr / MJ), Досить високою міцністю (ав = 3500 МПа при модулі Юнга 420 000 МПа) і температурі плавлення 2300 ° С. Борне волокно інтенсивно окислюється на повітрі при 400 ° С, а при температурах вище


а " МПа
  1 2
     
3  l I \ ^ i
 800 ', ° С
 Мал. 10.11. Зміна міцності волокон бору (/), борсіка (2), карбіду кремнію (3) на повітрі в залежності від температури

500 ° С інтенсивно взаємодіє з алюмінієвої матрицею. Підвищують жаростійкість і запобігають взаємодія борного волокна з алюмінієвої матрицею, завдаючи на їх поверхню покриття з карбіду кремнію товщиною 3-5 мкм. Волокна бору, покриті карбідом кремнію, отримали назву борсік. При підвищених температурах на повітрі міцність волокон борсіка і карбіду кремнію значно вище міцності волокон бору (рис. 10.11).

Борні волокна випускаються промисловістю у вигляді моноволокон на котушках, а також у вигляді напівфабрикатів - стрічок полотняного плетіння шириною від 5 до 50 см. Основу полотен утворюють борні волокна, а качок - поліамідні або інші волокна.

Волокна бору застосовують у виробництві композитів на основі полімерної і алюмінієвої матриць.

Волокна карбіду кремнію. Волокна цього типу отримують за технологією, яка мало відрізняється від технології отримання волокон бору. Основні фізико-механічні властивості карбідних волокон на вольфрамової підкладці наведені в табл. 10.6.

Карбідокремнієвих волокна, отримані на вуглецевої підкладці, дешевші і характеризуються підвищеною чутливістю до поверхневих дефектів і зниженими характеристиками міцності.

Волокна карбіду кремнію застосовують для армування металевих матриць композитів, призначених для експлуатації при високих температурах.

Скляні волокна отримують шляхом пропускання розплавленого скла при 1200-1400 ° С через фільєри діаметром 0,8-3 мм і подальшим швидким витягуванням до діаметра кілька мікрометрів. Безперервні волокна діаметром 3-100 мкм, з'єднуючись в пасма, намотуються на що обертаються з великою швидкістю барабани і мають довжину до 20 км. Штапельні волокна випускають діаметром 0,5-20 мкм завдовжки 0,01-5 м.

Волокна, з'єднані в пасма, надають один на одного сильний абразивну дію. Стирання волокон в пасма запобігають обробкою волокон технологічними Замасліватель (емульсія крохмалю або мінерального масла). Їх застосовують на стадії переробки волокна. Активні Замасліватель (плівкоутворювальні мастила, кремнійорганічні сполуки) крім запобігання стирання волокон в пасма підсилюють адге-


зию між матрицею і скловолокном в армованих пелюстках. Замаслилися-Ватель також перешкоджають виникненню дефектів на поверхні волокон і, таким чином, збільшують їх міцність.

Безперервні волокна випускаються з трикутної, квадратної, прямокутної, шестикутної і круглою формою поперечного перерізу, що дозволяє отримати більш щільну упаковку їх у композиції і, таким чином, забезпечити підвищення її міцності і жорсткості.

Основою скляних волокон є діоксид кремнію Si02. Залежно від природи стеклообразующего речовини скла діляться на силікатні (Si02), Алюмосилікатні (А1203-Si02), Алюмоборосілікат-ні (А1203203-Si02) та ін.

Скло лужні, що містять добавки До20 і Na20, мають знижену температуру плавлення, міцність і хімічну стійкість через розриву міцного зв'язку Si-О-Si.

Широко використовується для армування пластиків Е-скло містить 54,4% Si02, 14,4% А1203, 17,5% Сао, 4,5% MgO, 8% В203, 0,5% (Na20 + К20), 0,4% Fe203 і 0,3% Ti02. Скло розм'якшується при 846 ° С, його щільність 2540 кг / м, модуль Юнга -73,5-Ю3 МПа.

Високоміцне S-скло складу 65% Si02, 25% А1203, 10% MgO при кімнатній температурі має міцність 4,5-103 МПа, а модуль пружності - 87-103 Па. Міцність скляних волокон зменшується при збільшенні їх діаметра (рис 10.12). Більш тонкі волокна містять менше дефектів (пор, мікротріщин). Для армування пластиків дуже тонкі безперервні стек-ляние волокна не використовують у зв'язку з руйнуваннями (обривами) дуже багатьох з них. Оптимальні значення діаметрів волокон для армування пластиків 5-15 мкм.

 Скловолокна застосовують для армування композиційних матеріалів у вигляді джгутів, ниток, стрічок, тканин різного плетіння, матів.

 10 15 d, мкмРіс. 10.12. Залежність міцності волокон з лужного (7), бесщелочного (2) і алюмоборо-силікатного (3) стекол від його діаметра 270

Ниткоподібні кристали (вуса). Ниткоподібні кристали карбідів і нітридів кремнію, оксиду і нітриду алюмінію та інших тугоплавких сполук одержують осадженням з газової фази з використанням транспортних реакцій, реакцій піролізу, відновлення летких з'єднань по методу пар-рідина-тверда фаза (ПЖТ).

Зростання кристаліта карбіду кремнію (по схемі ПЖТ) відбувається аналогічно вирощування кристала кремнію (рис. 10.13).

На поверхні кремнієвої підкладки 3 знаходиться частка золота при температурі


 U /
/
 Мал. 10.13. Схема зростання кристала кремнію за механізмом пар-рідина-кристал: / - пар, 2 - Капелькарасплава Аі-Si, 3 - Кремнієва підкладка, 4 - Кристал кремнію

ре, близької до температури плавлення. У цих умовах золото розчиняє кремній і перетворюється в крапельку 2 розплаву золото-кремній. Пари кремнію, конденсуючись в крапельці розплаву, перенасичують її атомами кремнію. Це веде до виділення кремнію на межі поділу рідина-підкладка і зростання нитевидного кристала 4. Поперечні розміри кристала визначаються діаметром краплі розплаву, а швидкість росту вуса - швидкістю кристалізації надходить до поверхні краплі кремнію.

При отриманні ниткоподібних кристалів карбіду кремнію їх вирощування ведуть з хлорсіланов і вуглеводнів по реакціях

SiC + 4НС1

SiCl4 + СН4 =


CH3SiCl3


SiC


ЗНС1


Як рідкої фази використовують потрійні розплави залізо-вуглець кремній, а підкладкою служить графіт. Процес проходить при 1250-1350 СС.

Діаметр кристаліта кремнію в залежності від умов отримання змінюється від часток до десятків мікрон. Довжина кристаллитов досягає 60-80 мкм. В умовах виробництва для отримання ниткоподібних кристалів використовують періодичні, напівбезперервні і безперервні процеси. У перших двох процесах зростання кристалів відбувається на масивних стаціонарних підкладках. У безперервному процесі роль підкладки виконують зважені в обсязі газового потоку мікроскопічні центри кристалізації.

Безперервні процеси отримання ниткоподібних кристалів більш продуктивні, але в цьому випадку кристалітів мають довжину меншу, ніж довжина ниткоподібних кристалів, отриманих періодичними і напівбезперервна методами.

Промислові методи виробництва вусів інших з'єднань (нітридів кремнію, алюмінію, бору, оксидів алюмінію) мають багато спільного і аналогічні технології отримання карбідів кремнію.

Вуса, ниткоподібні кристали відрізняються досконалістю структури і мають властивості міцності, близькі до теоретичних. Властивості найбільш вивчених і практично використовуваних ниткоподібних кристалів для армування композиційних матеріалів наведені в табл. 10.7.


Таблиця 10.7. Властивості деяких ниткоподібних кристалів (вусів)


матеріал кристалів

SiC

В4С

А1203

Si3N4

сг

Fe

графіт


Я U

!

2665 2450 2040 1675 1665 1540 3640


Й

о

Е

о

й

3320 2490 3880 3320 7500 6370 1660


р

о


45 64 31 23 20 71


к

О.

С

13,3

19,9


«Про Ь

650 550 525 425 125 200 1075


? 1

Про г

S s

«Про 3 про

15200 20000 10700 12000

3200 3200 42500


Вуса графіту, володіючи високими показниками питомої міцності і жорсткості, нестійкі в металевих матрицях при високих температурах. Ниткоподібні кристали металів через високої щільності виявляють знижену питому жорсткість в порівнянні з відповідними характеристиками вусів тугоплавких сполук (SiC, В4З повагою та ін.). Вуса металів схильні до знеміцнення при переробці, несумісні з металевими матрицями і непридатні для армування металевих матриць. Ниткоподібні кристали SiC, А1203 мають кращу сумісністю з металами, стійкі до дії вологи, стирання при переробці. Виявляючи кращі високотемпературні властивості, вуса SiC, А1203 та інших тугоплавких сполук є хорошими упрочнителями композиційних матеріалів з металевою матрицею.

10.3.3. Отримання композиційних матеріалів на металевій основі, армованих волокнами

Вибір методу отримання композиції з різних сполучень матриці і армуючого волокна визначається наступними факторами:

- Розмірами, профілем і природою вихідних матеріалів матриці і уп-рочнітеля;

- Можливістю створення міцного зв'язку на межі поділу матриця - упрочнитель;


- Отриманням рівномірного розподілу волокон у матриці;

- Можливістю поєднання процесів отримання композиційного матеріалу і виготовлення з нього деталей;

- Економічністю процесу.

При виробництві композиційних матеріалів з металевою матрицею найбільшого поширення набули твердофазні, Рідкофазний, газопарофазние, хімічні та електрохімічні процеси.

Твердофазний метод поєднання компонентів композиції передбачає використання матеріалу матриці у вигляді листів, фольги, дроту або порошку. Композиційний матеріал отримують одним з наступних прийомів: дифузійної зварюванням під тиском; зварюванням вибухом; деформационной обробкою під тиском; пресуванням з наступним спіканням (порошковою металургією).

Рідкофазний процеси отримання композиційних матеріалів полягають в просочуванні зміцнюючих волокон або ниткоподібних кристалів, розташованих в певній послідовності або безладно, розплавом матеріалу матриці.

Методи отримання композиційного матеріалу розрізняються між собою умовами просочення волокон розплавом, що проходить:

- При нормальному тиску;

- В умовах вакууму (вакуумне всмоктування);

- під тиском;

- В поєднанні елементів вакуумної просочення і лиття під тиском.

До Рідкофазний процесу слід віднести метод отримання композиції спрямованою кристалізацією з розплавів евтектичного складу. Найважливішим моментом отримання якісного композиційного матеріалу просоченням є хороша змочуваність зміцнюючих волокон розплавом матриці. Можливості методу значно обмежуються високою реакційною здатністю матеріалів волокон в контакті з металевими розплавами.

Газопарофазнимі способами наносять на армуючі волокна бар'єрні або технологічні покриття, що забезпечують їх захист від руйнування при взаємодії його з матеріалом матриці. Їх фазовий склад (найчастіше нітриди, бориди, оксиди, карбіди) вибирають виходячи з фізико-хімічної і термомеханічної сумісності армуючих волокон і матеріалу матриці. Покриття отримують в результаті яких розкладання летючих карбонільних сполук металів, або випаровування металів і сплавів при термічному впливі електронним променем, іонними пучками. Низька продуктивність методів не дозволяє використовувати їх для прямого компактірованія композиційних матеріалів.

Для цих цілей використовують метод газотермічного плазмового напилення, що забезпечує отримання напівфабрикатів композиційних мате


ріалів. Плазмовим напиленням наносять покриття з матричного матеріалу на армуючі волокна без істотного підвищення їх температури. Міцність зчеплення покриття з основою визначається механічним зчепленням частинок напилюваного металу або сплаву з шорсткою поверхнею, силами адгезії і хімічним взаємодією. Міцність зв'язку плазмових покриттів значно нижче, ніж покриттів, одержуваних металізацією, випаровуванням або конденсацією у вакуумі.

Електролітичні методи дозволяють отримувати композиційні матеріали в результаті осадження матричного матеріалу на ниткоподібні кристали і волокна, які безперервно перебувають в контакті з катодом. Процес протікає при низькій температурі і за відсутності тиску, що практично повністю виключає руйнування волокон і шкідливий вплив температурного чинника. Покриття виходить щільним, безпористого в тому випадку, якщо воно рівномірно покриває поверхню волокон і простір між ними. Пористість спостерігається при використанні волокон бору, карбіду бору або металевих волокон діаметром більше 100 мкм.

Хімічні методи дозволяють осаджувати металеві покриття на що не проводять струм упрочнители у вигляді ниткоподібних кристалів (сапфір), а також на вуглецеві волокна (стрічки, пасма). Металева плівка точно відтворює профіль волокна, і її товщина легко контролюється параметрами технологічного процесу. Сутність хімічного методу осадження покриттів полягає у відновленні іонів металів на поверхні покривається речовини.

Методом хімічного осадження отримують покриття товщиною до 30 мкм і більше. Найбільш широко використовують осадження на упрочнители нікелю, в меншій мірі міді, хрому, кобальту.

Властивості композиції найбільш повно реалізуються у деталях і вузлах з безперервним розташуванням волокон. Доцільно виготовляти деталі з композиційного матеріалу безпосередньо в процесі виробництва композиції. Виготовляти деталі і елементи конструкцій з напівфабрикатів композиційних матеріалів у вигляді прутків, листів, труб, стрічок і т. П. Важко, і в цьому випадку не реалізуються до кінця переваги композиційних матеріалів в порівнянні зі звичайними.

10.3.4. Композиційні матеріали з алюмінієвої матрицею

Технічний алюміній і його сплави (АМц, АМгб, АД1, Д16, САП і ін.) Використовують в якості матриць композиційних матеріалів. Армування матриць виконують високоміцної сталевої дротом з сталей


(08X18Н9Т, 1Х15Н4АМЗ, ЕП322 і ін.), Берилієвою дротом і волокнами бору, карбіду кремнію, вуглецю.

Композиції, зміцнені сталевими дротами, отримують прокаткою між валками прокатного стану до компактного стану. Прокатці піддають сендвіч з алюмінієвої фольги і волокон. Режим прокатки визначається температурою, напрямком і ступенем деформації. Температура разупрочнения сталевих волокон визначає температуру прокатки композиції алюміній-сталь. Так, температура прокатки для композиції алюміній-сталь при використанні в якості упрочнителя дроту зі сталі 08X18Н9Т і 12Х18Н10Т. становить 380-400 ° С і 420-450 ° С при використанні волокон зі сталі 15Х15Н4АМЗ і ЕП322, що мають більш високу температуру разупрочнения (400 і 450 ° С відповідно). Напрямок деформації при прокатці вибирають під деяким кутом до напрямку армуючих волокон, з тим щоб уникнути обриву волокон при деформації в ході поздовжньої прокатки і викривлення волокон при поперечної прокатці.

Промисловістю освоєно випуск композиту КАС-1. Як упрочнителя застосовують дріт 1Х15Н4АМЗ діаметром 0,15 мм. Матрицею в цих композиціях служить сплав АВ або САП-1. Механічні властивості листів композиційних матеріалів з алюмінієвої матрицею, армованих сталевим дротом, наведені в табл. 10.8.

Таблиця 10.8. Механічні характеристики композицій з алюмінієвої матрицею, армованої сталевими дротами

 Матеріалматріци  наповнювач  Щільність, т / м3  Міцність, МПа  Модульупругості ? 10 ~3, МПа
 матеріал дроту, МПа  кількість,%
 АД1 АМгб АМгб Саш  Х18Н9ТХ18Н9ТЕП3221Х15Н4АМЗ  7-24 5-205-25 40  3,1-3,92,9-3,72,9-44,8  160-465390-630420-1000  100 70-90 80-101

В результаті армування алюмінієвою матриці міцність композиції збільшується в 10-12 разів при об'ємній частці упрочнителя до 25%. При збільшенні об'ємної частки армуючого волокна до 40% тимчасовий опір міцності композиції досягає 1700 МПа.


Алюмінієва матриця, армована сталевим дротом (25-40%), по міцності властивостями перевершує високоміцні алюмінієві сплави і наближається до рівня аналогічних властивостей титанових сплавів.

Міцність алюмінієво-сталевий композиції можна додатково підвищити холодною пластичною деформацією і загартуванням з подальшим старінням, якщо матрицею служить алюмінієвий сплав, зміцнює термічною обробкою.

При підвищених температурах міцність алюмінієво-сталевий композиції перевищує міцність теплостійких алюмінієвих сплавів. Для роботи при високих температурах раціонально як матрицю використовувати дисперсно-зміцнені матеріали типу САП.

Введення сталевого дроту в матрицю з САП збільшує міцнісні властивості композиції. Так, межа міцності композиції САП-1 з 15% дроту Х18Н9 (ст, = 1750 МПа) при температурі 250 ° С і 415-435 МПа в 2,3 рази більше, ніж межа міцності САП-1 при тих же температурах, а при 350 ° С - в 3,9 рази, при 500 ° С - 5,6 рази.

Композиція САП-1-сталевий дріт має задовільну термічну стабільність мікроструктури при високих температурах. На кордоні матриця - волокно при 450 ° С протягом 150 ч під навантаженням не відбувається утворення інтерметалевих з'єднань.

Композиція А1-волокно бору відрізняється високою міцністю і жорсткістю і здатна працювати при 400-500 ° С, оскільки бор мало разупроч-ється з підвищенням температури.

Основна проблема при армуванні алюмінію волокнами бору - запобігання взаємодії бору з алюмінієм. Тому промисловий композиційний матеріал (ВКА-1), що містить 50% волокон бору, був отриманий дифузійної зварюванням пакета, що складається з чергуються листів алюмінієвої фольги з закріпленими на них шарами борних волокон. Покриття борного волокна нітридом бору або карбідом кремнію (волокно борсік) знижує його взаємодія з алюмінієвої матрицею навіть в розплавленому стані. В цьому випадку відкривається можливість отримання композиційного матеріалу Рідкофазний методами.

Збільшення об'ємного вмісту бору збільшує міцність і жорсткість композиції А1-В (табл. 10.9).

Таблиця 10.9. Міцність і жорсткість композиції AI-В в залежності від вмісту волокон бору

 Зміст волокон бору,% (об.)
 Міцність, МПа  70-140  300-380  500-650  700-900  900-1140  1100-1400
 Модуль пружності ? 10 ~3, МПа  190-200  200-257

 а., МПа 1000
 ? 10 ~3, МПа
     ВКА-1  
     "\ Г ~" ~ -----  - -
     АК4-1  
 ¦ ------------------ -  Оч / ^ Ч,  / В95  
     l .1 ___________ ¦
 -250
 ¦ 200
 - 150
 - 100
 100 200 300 400 500 ', ° срісуйте. 10.14. Зміна межі міцності (--------) і модуля пружності (- - -) композиційного матеріалу ВКА-1, сплавів В95 і АК4-1 від температури

Міцність і модуль пружності матеріалу ВКА-1 до температури 500 ° С перевершують відповідні характеристики високоміцного сплаву В95 і сплаву АК4-1 (рис. 10.14). Найзначніше перевага композиційного матеріалу при 250-400 ° С. Модуль пружності матеріалу ВКА-1 з підвищенням температури змінюється незначно і становить при утриманні волокон бору 30 і 50% відповідно 136 000 і 228 000 МПа. щільність мате

.3

ріалу ВКА-1 - 2650 кг / м, а питома міцність 45 км.

Межа міцності алюмінію, армованого волокнами борсіка, при 500 ° С становить 600 МПа. Міцність такої композиції при об'ємному вмісті борсіка 65% становить 1600 МПа і зберігається після тривалої витримки (до 1000 год) матеріалу при 300 і навіть 500 ° С.

Композиційні матеріали на алюмінієвій основі, армовані вуглецевими волокнами, поступаються по питомій міцності (42 км) матеріалами, армованим борним волокном, хоча вони дешевше і легше останніх.

Виробництво композиційного матеріалу з вуглецевим волокном пов'язано з великими технологічними труднощами внаслідок взаємодії вуглецю з металевою матрицею (в тому числі і алюмінієвої) при нагріванні. В результаті відзначається зниження міцності матеріалу. Композиції А1 - вуглецеве волокно отримують швидким протягуванням пучка вуглецевих волокон через розплав алюмінію.

Спроби отримати композицію алюміній - вуглецеве волокно іншими методами (дифузійна зварювання, електроосадження матеріалу матриці) не дали позитивних результатів через руйнування волокон при зниженні тиску.

Характеристики міцності алюмінієво-вуглецевих композицій через великий розкид характеристик вуглецевих волокон, відмінності в технологічних режимах процесів виробництва напівфабрикатів і виробів з цього матеріалу проявляються в широкому діапазоні значень. При об'ємній частці упрочнителя 18-53% міцність композиції А1-вуглецеве волокно уздовж розташування волокон становить від 150-400 до 500-1000 МПа, а модуль Юнга - (116-168) -103 МПа.


Домогтися поліпшення властивостей композиційного матеріалу можна, удосконалюючи технологію його виготовлення.

Композиційні матеріали з титанової матрицею армують з метою збільшення модуля пружності і підвищення робочих температур. Виробництво композиційних матеріалів з титанової матрицею пов'язано з необхідністю нагріву до високих температур, що різко активізує здатність матриці до газопоглощенія і взаємодії з багатьма зміцнені-никами (бором, карбідом кремнію, оксидом алюмінію і ін.).



Попередня   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89   Наступна

Pound; _ | Технологія приготування гумових сумішей і формоутворення деталей з гуми | Приготування гумових сумішей і формоутворення деталей з гуми | Формоутворення деталей з гуми | Вплив умов експлуатації на властивості гум | Принципи створення і основні типи композиційних матеріалів | Композиційні матеріали з нуль-мірними наповнювачами | Композиційні матеріали з алюмінієвої матрицею | Композиційні матеріали з нікелевої матрицею | зміцнення волокнами |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати