Композиционные и порошковые материалы
МинистерствообразованияРоссийскойФедерации
Тюменскийгосударственныйнефтегазовыйуниверситет
КафедраТКМиМ
РЕФЕРАТ
натему:«Композиционныеи порошковыематериалы»
Выполнил:
НР00-1
Проверил:Теплоухов О.Ю.
Тюмень –2001
Содержание
Основыпорошковойметаллургии 3
1.1. Способыполучения итехнологическиесвойства порошков 3
1.2. Металлокерамическиематериалы 3Конструкционныепорошковыематериалы 5
Изготовлениеметаллокерамическихдеталей 7
3.1.Приготовлениесмеси 7
3.2. Способыформообразованиязаготовок идеталей 7
3.3.Спекание иокончательнаяобработказаготовок 9
3.4. Технологическиетребования,предъявляемыек конструкциямдеталей изметаллическихпорошков 9Композиционныематериалы сметаллическойматрицей 10
4.1. Волокнистыекомпозиционныематериалы 10
4.2. Дисперсно-упрочненныекомпозиционныематериалы 12Композиционныематериалы снеметаллическойматрицей 13
5.1.Общие сведения,состав иклассификация 13
5.2. Карбоволокниты 14
5.3. Карбоволокнитыс углероднойматрицей 15
5.4. Бороволокниты 15
5.5. Органоволокниты 17
Литература 18
1. ОСНОВЫПОРОШКОВОЙМЕТАЛЛУРГИИ
1.1. Способыполучения итехнологическиесвойства порошков
Металлокерамика,или порошковаяметаллургия– отрасльтехнологии,занимающаясяпроизводствомметаллическихпорошков идеталей из них.Сущность порошковойметаллургиизаключаетсяв том, что изметаллическогопорошка илисмеси порошковпрессуют заготовки,которые затемподвергаюттермическойобработке –спеканию.
Порошковойметаллургиейможно получатьдетали из особотугоплавкихметаллов, изнерастворимыхдруг в другеметаллов (вольфрами медь, железои свинец и т.д.), пористыематериалы идетали из них,детали, состоящиеиз двух (биметаллы)или несколькихслоев различныхметаллов исплавов.
Металлическиепорошки состоятиз очень мелкихчастиц (0,5–500 мкм)различныхметаллов и ихокислов. Порошкиполучают механическими физико-химическимпутем.
Для механическогоизмельчениятвердых и хрупкихматериаловприменяютшаровые, вибрационныемельницы ибегуны. Порошкииз пластичныхи легкоплавкихметаллов исплавов получаютразличнымиспособами,основанными на раздуве жидкого материаластруей водыили газа. Механическимпутем, как правило, получают порошки из отходов основного производства.
К физико-химическимспособам полученияпорошков относятвосстановлениеокислов металлов,электролизи др.
Окислыметаллов можновосстанавливатьгазообразнымиили твердыми восстановителями. Наибольшее практическое применениенашли газообразныеуглеродистыеи углеводородистыесоединения(природный газ,доменный, углекислыйгаз) и водород.Электролизомводных растворовсолей получаюттонкие и чистыепорошки различных металлов и сплавов. Порошки из редких металлов(тантала, циркония,титана и др.)получают электролизомрасплавленныхсолей. Режимыи технологияизготовленияпорошков физико-химическим путем приведены в справочнойлитературе.
Основнымитехнологическимисвойствамипорошков являютсятекучесть,прессуемостьи спекаемость.
Текучесть— способность порошка заполнять форму. Текучестьухудшаетсяс уменьшениемразмеров частицпорошка и повышениемвлажности.Количественнойоценкой текучестиявляетсяскорость вытеканияпорошка черезотверстиедиаметром1,5–4,0 мм в секунду.
Прессуемостьхарактеризуетсяспособностьюпорошка уплотнятьсяпод действиемвнешней нагрузкии прочностьюсцеплениячастиц послепрессования.Прессуемостьпорошка зависитот пластичностиматериалачастиц, их размерови формы и повышаетсяс введениемв его составповерхностно-активныхвеществ.
Под спекаемостъюпонимаютпрочностьсцеплениячастиц в результатетермическойобработкипрессованныхзаготовок.
1.2. Металлокерамическиематериалы
Порошковойметаллургиейполучают различныеконструкционныематериалы дляизготовлениязаготовок иготовых деталей.Большое применениенаходят материалысо специальнымисвойствами.
Из антифрикционныхметаллокерамическихматериаловизготовляютподшипникискольжениядля различныхотраслейпромышленности.В антифрикционныхматериалахс пористостью10–35% металлическаяоснова являетсятвердой составляющей,а поры, заполняемыемаслом, графитомили пластмассой,выполняютроль мягкойсоставляющей.Пропитанныемаслом пористыеподшипникиспособны работатьбез дополнительнойсмазки в течениенесколькихмесяцев, а подшипникисо специальными«карманами»для запасамасла – в течение2–3 лет. Во времяработы подшипникамасло нагревается,вытесняетсяиз пор, образуясмазочнуюпленку па трущихсяповерхностях.Такие подшипникишироко применяютв машинах дляпищевой промышленности,где попаданиесмазки в продукциюнедопустимо.
Для пористыхантифрикционныхматериаловиспользуютжелезо-графитовые,железо-медно-графитовые,бронзо-графитовые,алюминиево-медно-графитовыеи другие композиции.Процентныйсостав этихкомпозицийзависит отэксплуатационныхтребований,предъявляемыхк конструкциямдеталей.
Фрикционныематериалыпредставляютсобой сложныекомпозициина медной илижелезной основе.Коэффициенттрения можноповысить добавкойасбеста, карбидовтугоплавкихметаллов иразличныхокислов. Дляуменьшенияизноса в композициивводят графитили свинец.Фрикционныематериалыобычно применяютв виде биметаллическихэлементов,состоящих изфрикционногослоя, спеченногопод давлениемс основой (лентойили диском).
Коэффициенттрения по чугунубез смазки дляфрикционныхматериаловна железнойоснове 0,4–0,6. Ониспособны выдерживатьтемпературув зоне трениядо 500–600° С. Применяютфрикционныематериалы втормозныхузлах и узлахсцепления (всамолетостроении,автомобилестроениии т. д.).
Из высокопористыхматериаловизготовляютфильтры и другиедетали. В зависимостиот назначенияфильтры выполняютиз порошков коррозионно-стойкойстали, алюминия,титана, бронзыи других материаловс пористостьюдо 50%. Металлическиевысокопористыематериалыполучают спеканиемпорошков безпредварительногопрессованияили прокаткойих между вращающимисявалками припроизводствепористых лент. В порошки добавляйвещества, выделяющиегазы при спекании.
Металлокерамическиетвердыесплавы характеризуютсявысокой твердостью,теплостойкостьюи износостойкостью.Поэтому, из нихизготовляютрежущий и буровойинструменты,а также наносятна поверхностьбыстроизнашивающихсядеталей и т.д.
Основой изготовлениятвердых сплавов являются порошкикарбидов тугоплавкихметаллов (WC,TiC,TaC).В качествесвязующегоматериалаприменяюткобальт. Процентноесоотношениеуказанныхматериаловвыбирают взависимостиот их назначения
Порошковойметаллургиейизготовляюталмазно-металлическиематериалы,характеризующиесявысокими режущимисвойствами.В качествесвязующегодля алмазныхпорошков применяютметаллическиепорошки (медные,никелевые идр.) или сплавы.Наибольшейтвердостьюхарактеризуютсяматериалы изкарбидов бора(эльбор).
Из жаропрочныхи жаростойкихматериаловизготовляютдетали, работающиепри высокихтемпературах.Эти материалыдолжны иметьвысокую жаропрочность,стойкостьпротив ползучестии окисления.Металлическиесплавы на основеникеля, титана,тантала, вольфрамаи других элементовотвечают этимтребованиямпри работе дотемператур850–900° С.
При болеевысоких температурах(до 3000° С) можноиспользоватьтугоплавкиеи твердые соединениятипа окислов,карбидов, боридови др. Однакоэти материалыимеют высокуюхрупкость ипоэтому в чистомвиде не могутбыть использованыв качествеконструкционных материалов для изготовления различных деталей.
Применение порошковой металлургии позволяетповысить пластичностьэтих хрупкихтугоплавкихсоединений.В качествеметаллическойсвязки выбирают металлы и сплавы, жаропрочность которых близка жаропрочноститугоплавкихсоединений.Они должны необразовыватьхимическихсоединений,быть малорастворимымив тугоплавкихсоединениях,а также иметьблизкие значениякоэффициентовлинейногорасширения,теплопроводностии модуля упругости.
Технологияизготовленияжаропрочныхконструкционныхматериалов характеризуется отдельными специфическими особенностями.
Порошковуюметаллургиюшироко применяютдля полученияматериаловсо специальнымиэлектромагнитнымисвойствами(постоянныемагниты,магнитодиэлектрики,ферриты и т.д.).
2. КОНСТРУКЦИОННЫЕПОРОШКОВЫЕМАТЕРИАЛЫ
Порошковыминазывают материалы,изготовляемыепутем прессованияметаллическихпорошков визделия необходимойформы и размерови последующегоспекания сформованныхизделий в вакуумеили защитнойатмосфере притемпературе0,75–0,8ТПЛ.Различаютпористыеи компактныепорошковыематериалы.
Пористыминазываютматериалы, вкоторых послеокончательнойобработкисохраняется10–30% остаточнойпористости.Эти сплавыиспользуютглавным образомдля изготовленияантифрикционныхдеталей (подшипников,втулок) и фильтров.
Антифрикционныепорошковыесплавы имеютнизкий коэффициенттрения, легкоприрабатываются,выдерживаютзначительныенагрузки иобладают хорошейизносостойкостью.
Подшипникииз порошковыхсплавов могутработать безпринудительногосмазыванияза счет «выпотевания»масла, находящегосяв порах.
Подшипникиизготовляютиз сплавовжелеза и 1–7%графита (ЖГр1,ЖГрЗ, ЖГр7) ибронзографита,содержащего8–10% Snи 2–4% графита(БрОГр10–2, БрОГр8–4и др.).
Структураметаллическойосновы железографитовыхматериаловдолжна бытьперлитной, смассовой долейсвязанногоуглерода ~1,0%.Такая структурадопускаетнаиболее высокиескорости инагрузки принаименьшемизносе подшипников.Добавка кжелезографитовымматериаламсеры (0,8–1,0%) илисульфидов(3,5–4,0%), образующихсульфидныепленки на трущихсяповерхностях,улучшаетприрабатываемость,уменьшает износи прихватываемостьсопряженныхдеталей.
Коэффициенттрения железографитапо стали присмазке 0,07–0,09.Подшипникииз железографитаприменяют придопустимойнагрузке неболее 1000–1500 МПаи максимальнойтемпературе100–200°С. Коэффициенттрения бронзографитапо стали безсмазывания0,04–0,07 и со смазыванием0,05–0,007. Допустимаянагрузка 400–500МПа и рабочаятемпературане выше 200–250°С.
Механическиесвойстважелезографита:σB=180ч300МПа и твердость60–120 НВ, а бронзиграфита:σB=30ч50МПа, твердость25–50 HВ.
Спеченныематериалы наоснове железаи меди используюти для фрикционныхизделий (дисков,сегментов) втормозныхузлах. Фрикционныеизделия должныиметь высокийкоэффициенттрения, достаточнуюмеханическуюпрочность ихорошее сопротивлениеизносу. Дляповышениякоэффициентатрения в составфрикционныхматериаловвводят карбидыкремния, бора,тугоплавкиеоксиды и т.д.Компонентамитвердого смазочногоматериаласлужат графит,свинец, сульфидыи др.
Коэффициенттрения по чугуну(трение безсмазочногоматериала)для материалана железнойоснове составляет0,18–0,40, а на меднойоснове – 0,17–0,25.
Фрикционныесплавы на меднойоснове применяютдля условийжидкостноготрения в парес закаленнымистальнымидеталями (сегменты,диски сцепленияи т.д.) при давлениидо 400 МПа и скоростискольжениядо 40 м/с смаксимальнойтемпературой300–350°С. Типичнымфрикционнымматериаломна основе медиявляется сплавМК5, содержащий4% Fe,7% графита, 8% Рb,9% Sn,0–2% Ni.
Для работыв условияхтрения безсмазочногоматериала(деталей тормозовсамолетов,тормозныхнакладок тракторов,автомобилей,дорожных машин,экскаваторови т.д.) применяютматериалы нажелезной основе.Наибольшееприменениеполучил материалФМК-11 (15% Cu,9% графита, 3% асбеста,3% SiO2и 6% барита),фрикционныематериалыизготовляютв виде тонкихсекторов (сегментов,полос) и крепятна стальнойоснове (дляупрочнения).
Широкоприменяютпорошковыематериалы дляфильтрующихизделий. Фильтрыв виде втулок,труб, пластиниз порошковNi,Fe,Ti,Al,коррозионно-стойкойстали, бронзыи других материаловgпористостью45–50% (размер пор2–20 мкм) используютдля очисткижидкостей игазов от твердыхпримесей.
В электротехникеи радиотехникеприменяютпорошковыемагниты наоснове Fe–Ni–А1–сплава(типа алнико)и др. Свойствапорошковыхмагнитов нередковыше свойствлитых магнитов.
Большоеприменениев машинах дляконтактнойсварки, приборахсвязи получиликонтакты изпорошковыхматериалов.Для этой целиприменяютпсевдосплавытугоплавкихметаллов (Wи Мо) с медью(МВ20, МВ40, MB60,MB80),серебром (СМ30,СМ60, СМ80, СВ30, СВ50,СВ85 и др.) или соксидом кадмия(ОК8, ОК12, ОК15) и др.Контакты отличаютсявысокой прочностью,электропроводимостьюи электроэрозионнойстойкостью.Токосъемники(щетки) изготовляютиз порошковмеди (или серебра)с графитом(углем).
Все большепорошковаяметаллургияприменяетсядля изготовленияспециальныхсплавов: жаропрочныхна никелевойоснове, дисперсионно-упрочненныхматериаловна основе Ni,Ai,Tiи Cr.Методом порошковойметаллургииполучают различныематериалы наоснове карбидовW,Мо и Zr.
Спеченныеалюминиевыесплавы (САС)применяюттогда, когдапутем литьяи обработкидавлениемтрудно получитьсоответствующийсплав. ИзготовляютCACс особымифизическимисвойствами.САС содержатбольшое количестволегирующихэлементов(например, САС1:25–30% Si,5–7% Ni,остальное Аl).Из САС1 делаютдетали приборов,работающихв паре со стальюпри температуре20–200°С, которыетребуют сочетаниянизкого коэффициенталинейногорасширенияи малой теплопроводности.
В оптико-механическихи других приборахприменяютвысокопрочныепорошковыесплавы системыА1–Zn–Mg–Си(ПВ90, ПВ90Т1 и др.).Эти сплавыобладают высокимимеханическимисвойствами,хорошей обрабатываемостьюрезанием ирелаксационнойстойкостью.Изделия из этихсплавов подвергаюттермическойобработке порежимам Т1 и Т2(см. c.396).
Применяютгранулированныеспециальныесплавы cвысокимсодержаниемFe,Ni,Co,Mn,Сr,Zr,Ti,Vи других элементов,мало растворимыхв твердом алюминии.Гранулы – литыечастицы диаметромот десятыхдолей до несколькихмиллиметров.При литьецентробежнымспособом каплижидкого металлаохлаждаютсяв воде со скоростью104–106°С/с,что позволяетполучить сильнопересыщенныетвердые растворыпереходныхэлементов валюминии. Припоследующихтехнологическихнагревах(400–450°С) происходитраспад твердогораствора cобразованиемдисперсныхфаз, упрочняющихсплав.
Все болееширокое применениеполучают компактныематериалы(1–3% пористости)из порошковуглеродистойи легированнойстали, бронз,латуней, сплавовалюминия ититана дляизготовлениявсевозможныхшестерен, кулачков,кранов, корпусовподшипников,деталей автоматическихпередач и другихдеталей машин.
Изготовляютбольшое количествопорошковыхконструкционных(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.) идругих сталей.В маркировкесталей добавочновведены буква«С», котораяуказывает классматериала –сталь, и буква«П» – порошковая.Цифра последефиса показываетплотность сталив процентах.Стали подвергаюттермическойобработке.
Свойствасталей, полученныхиз порошковпосле термическойобработки, вомногих случаяхуступают свойствамсталей, полученныхобычнымиметаллургическимиметодами.Механическиесвойствапорошковойстали зависятот плотностии содержаниякислорода. Припористостиболее 3% заметноуменьшаютсяσВ,σ0,2,KCU,а порог хладноломкостиt50повышаетсядаже при увеличениипористостиболее 2%. С повышениемсодержаниякислородаболее 0,01% снижаетсяKCUи повышаетсяt50.
Поэтомурекомендоватьпорошковуютехнологиюдля высоконагруженныхстальных деталейнельзя. Вследствиеболее низкихмеханическихсвойств, высокойстоимостиисходногоматериала иэнергоемкостипроцесса спеканияпорошковаяконструкционнаясталь можетбыть использованатолько дляизготовлениямало нагружаемыхизделий, главнымобразом сложнойформы.
Сплавына основе цветныхметаллов (АЛП-2,АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4,БрПБ–2, БрПО10–2,БрПО10Ц3–3, ЛП58Г2-2и др.) нашли широкоеприменениев приборостроенииэлектротехническойпромышленностии электроннойтехнике. В маркесплавов первыебуквы, указываюткласс материала(«Ал» – алюминий,«Б» – берилий,«Бр» – бронза,«Л» – латуньи т.д.), буква «П»– порошковыйсплав и числопосле дефиса– плотностьматериала впроцентах.Буквы («Д» –медь, «Ж» – железо,«Г» – марганеци др.) и цифрыв марке указываютсостав сплава.Так же как обычныесплавы, порошковыесплавы на основецветных металловобладают высокойтеплопроводностьюи электропроводимостью,коррозионнойстойкостью,немагнитны,хорошо обрабатываютсярезанием идавлением.
Порошковаяметаллургияпозволяетувеличитькоэффициентиспользованияметалла и повыситьпроизводительностьтруда.
Экономическаяэффективностьдостигаетсяблагодарясокращениюили полномуисключениюмеханическойобработки.Вследствиевысокой стоимостипресс-формизготовлениедеталей машинметодами порошковойметаллургииэффективнотолько в массовомпроизводстве.
Применениепорошковыхматериаловрекомендуетсяпри изготовлениидеталей простойсимметричнойформы (цилиндрические,конические,зубчатые), малыхмассы и размеров.Конструктивныеформы деталине должны содержатьотверстий подуглом к осизаготовки,выемок, внутреннихполостей ивыступов.Конструкцияи форма деталидолжны позволятьравномернозаполнятьполость пресс-формыпорошками, ихуплотнение,распределениенапряженийи температурыпри прессованиии удаленииизделия изпресс-формы.
3.ИЗГОТОВЛЕНИЕМЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХДЕТАЛЕЙ
3.1. Приготовлениесмеси
Процессприготовлениясмеси состоитиз классификациипорошков поразмерам частиц,смешиванияи предварительнойобработки.
Порошкис размерамичастиц 50 мкм ибольше разделяютпо группампросеиваниемна ситах, а болеемелкие порошки– воздушнойсепарацией.В металлическиепорошки вводяттехнологическиеприсадки различногоназначения:пластификаторы(парафин, стеарин,олеиновуюкислоту и др.),облегчающиепроцесс прессованияи получениязаготовкивысокого качества;легкоплавкиеприсадки, улучшающиепроцесс спекания,и различныелетучие веществадля получениядетален с заданнойпористостью.Для повышениятекучестипорошок иногдапредварительногранулируют.Подготовленныепорошки смешиваютв шаровых,барабанныхмельницах идругих смешивающихустройствах.
Предварительнуюмеханическуюили термическуюобработку(например, отжиг)применяют дляповышениятехнологическихсвойств порошков.
3.2. Способыформообразованиязаготовок идеталей
Рис.1.Схемы холодногопрессования:
а– одностороннее;б –двустороннее
Холодноепрессование.В пресс-форму2 засыпаютопределенноеколичествоподготовленногопорошка 3и прессуютпуансоном1 (рис.1,а). Впроцессе прессованияувеличиваетсяконтакт междучастицами,уменьшаетсяпористость,деформируютсяили разрушаютсяотдельныечастицы. Прочностьполучаемойзаготовкиобеспечиваетсясилами механическогосцеплениячастиц порошка,электростатическимисилами притяженияи трения. Сувеличениемдавления прессованияпрочностьвозрастает.Давлениераспределяетсянеравномернопо высоте прессуемойзаготовки из-завлияния силтрения порошкао стенки пресс-формы.Это являетсяпричиной получениязаготовок сразличнойпрочностьюи пористостьюпо высоте. Взависимостиот габаритныхразмеров исложностипрессуемыхзаготовокприменяют одно-и двустороннеепрессование.
Одностороннимпрессованием(рис.1, а)изготовляютзаготовкипростой формыс отношениемвысоты к диаметруменьше единицыи заготовкитипа втулокс отношениемдиаметра к толщине стенкименьше трех,вследствиечего обеспечивается равномернаяплотностьполучаемых заготовок. Двусторонним прессованием(рис.1, б)получают заготовкисложной формы,при этом требуемоедавление дляполученияравномернойплотностиуменьшаетсяна 30–40%.
При извлечениидетали из пресс-формыее размерыувеличиваются.Величина упругогопоследействияв направлениипрессованиясоставляет0,3–0,5% и 0,1–0,2 – в направлении,перпендикулярномпрессованию.Указанноенеобходимоучитывать прирасчете исполнительныхразмеров пресс-форм.
Давлениепрессованиясоставляет200–1000 МПа в зависимостиот требуемойплотности,размеров, формыпрессуемойдетали, видапрессуемогопорошка и другихфакторов.Использованиевибрационногопрессованияпозволяет резко(в 50–100 раз) уменьшитьпотребноедавление. Рабочиедетали пресс-формизготовлялииз высоколегированных,инструментальныхсталей и твердыхсплавов.
Горячеепрессование.При таком прессованиитехнологическисовмещаютсяпроцессыформообразованияи спеканиязаготовки сцелью полученияготовой детали.Горячим прессованиемполучают деталииз твердыхсплавов и специальныхжаропрочныхматериалов.Изготовляемыедетали характеризуютсявысокой прочностью,плотностьюи однородностьюматериала. Пригорячем прессованииприменяютграфитовыепресс-формы.Высокая температурапорошка позволяетзначительноуменьшитьнеобходимоедавление. Горячеепрессованиеимеет и существенныенедостатки:низкую производительность,малую стойкостьпресс-форм (4–7прессовок),необходимостьпроведенияпроцессов всреде защитныхгазов, которыеограничиваютприменениеданного способа.
Рис.2.Схема гидростатического
прессования
Рис.3.Схема прокатки
порошков
заключаетсяв выдавливаниипорошка черезкомбинированноеотверстиепресс-формы.В порошок добавляютпластификатордо 10–12% от массыпорошка, улучшающийпроцесс соединениячастиц и уменьшающийтрение порошкао стенки пресс-формы.Профиль изготовляемойдетали зависитот формы калиброванногоотверстияпресс-формы.Полые профиливыполняют сприменениемрассекателя.Металлокерамическиепрофили получаютвыдавливаниемна гидравлическихи механическихпрессах.
Прокатка.Этот способ– один из наиболеепроизводительныхи перспективныхспособовпереработкиметаллокерамическихматериалов.Порошок непрерывнопоступает избункера 1в зазормежду валками(рис.3, а).При вращениивалков 3происходитобжатие и вытяжкапорошка 2в лентуили полосу 4определеннойтолщины. Процесспрокатки можетбыть совмещенсо спеканиеми окончательнойобработкойполучаемыхзаготовок. Вэтом случаелента проходитчерез проходнуюпечь для спекания,а затем поступаетна прокатку,обеспечивающуюзаданную еетолщину.
Прокаткой получают ленты из различныхметаллокерамическихматериалов(пористых,твердосплавных,фрикционныхи др.). За счетприменениябункеров сперегородкой(рис.3, б)изготовляютленты из различныхматериалов(двухслойные).
Прокаткойиз металлическихпорошков изготовляютленты толщиной0,02–3,0 мм и ширинойдо 300 мм. Применениевалков определеннойформы позволяетполучить пруткиразличногопрофиля, в томчисле и проволокудиаметром от0,25 мм до несколькихмиллиметров.
3.3. Спеканиеи окончательнаяобработказаготовок
Спеканиепроводят дляповышенияпрочностипредварительнополученныхзаготовокпрессованиемили прокаткой.В процессеспекания вследствиетемпературнойподвижностиатомов порошководновременнопротекают такиепроцессы, какдиффузия,восстановлениеповерхностныхокислов, рекристаллизацияи др. Температураспекания обычносоставляет0,6–0,9 температурыплавленияпорошка однокомпонентнойсистемы илиниже температурыплавленияосновногоматериала дляпорошков, всостав которыхвходит несколькокомпонентов.Процесс спеканиярекомендуетсяпроводить затри этапа: I– нагрев дотемпературы150–200° С (удалениевлаги); II– нагрев до 0,5температурыспекания (снятиеупругих напряженийи активноесцеплениечастиц); III– окончательныйнагрев до температурыспекания. Времявыдержки последостижениятемпературыспекания новсему сечениюсоставляет30–—90 мин. Увеличениевремени итемпературыспекания доопределенныхзначений приводитк увеличениюпрочности иплотности врезультатеактивизациипроцесса образованияконтактныхповерхностей.Превышениеуказанныхтехнологическихпараметровможет привестик снижениюпрочностиза счет ростазерен кристаллизации.
Для спеканияиспользуютэлектрическиепечи сопротивленияили печи синдукционнымнагревом. Дляпредотвращенияокисленияспекают в нейтральныхили защитныхсредах, а дляповышенияплотности ипрочностиполучаемыезаготовкиповторно прессуюти спекают. Требуемойточности достигаютс помощью отделочныхопераций:калиброванияи обработкирезанием.
Калибруютзаготовкидополнительнымпрессованиемв специальныхстальных пресс-формахили продавливаниемпрутковогоматериала черезкалиброванноеотверстие. Приэтом повышаетсяточность иуплотняетсяповерхностныйслой заготовки.
Обработкурезанием (точение,сверление,фрезерование,нарезаниерезьбы и т.д.)применяют втех случаях,когда прессованиемнельзя получитьдетали заданныхразмеров иформ. Особенностьюмеханическойобработкиявляется пористостьметаллокерамическихзаготовок. Нерекомендуетсяприменятьобычные охлаждающиежидкости, которые,впитываясьв поры, вызываюткоррозию. Пропиткамаслом пористыхзаготовок передобработкойтакже нежелательна,так как в процессерезания масловытекает изпор и, нагреваясь,дымит.
При обработкерезанием используютинструмент,оснащенныйпластинкамииз твердогосплава илиалмаза. Длясохраненияпористости при обработке необходимо применять хорошо заточенныйи доведенныйинструмент.
3.4. Технологическиетребования,предъявляемыек конструкциямдеталей из
металлическихпорошков
Технологический процесс изготовлениядеталей из металлических порошков характеризуется отдельными специфическимиособенностями, которые необходимо учитывать при проектированииэтих деталей.
При проектировании деталей с высокими требованиямипо точностиисполнительныхразмеров необходимопредусматриватьприпуск на ихдальнейшуюмеханическуюобработку.Наружные ивнутренниерезьбы следуетизготовлятьобработкойрезанием. В конструкциях деталей необходимо избегать выступов, пазови отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования (рис.4, а,1). Их следует заменять соответствующимиэлементами, расположенными в направлении прессования(рис.4, б,5),или изготовлятьобработкойрезанием. Процесспрессованиядеталей сопровождаетсязначительнойусадкой. Поэтомув их конструкцияхнельзя допускатьзначительнойразностенности(рис.4, а,2),котораявызываеткороблениеи образованиетрещин.
Принезначительнойразностенностив процессепрессованияполучают болееравномернуюплотность повысоте детали(рис.4, б,6).Длинныетонкостенныеконструкции(рис.4, а,3)необходимозаменять наравнозначныепо эксплуатационнымпоказателямс учетом полученияравномернойплотностипрессуемойдетали (рис.4,б,7).Толщина стенокдолжна бытьне менее 1 мм.
Рис.4.Примеры конструктивногооформленияметаллокерамическихдеталей: а– нетехнологическиеконструкции;б– технологическиеконструкции
Длясвободногоудаления заготовкипресс-формадолжна иметьнезначительнуюконусность.При проектированииконическихповерхностейнеобходимоисходить изудобства извлечениязаготовки(рис.4, б,8),обратнаяконусностьнедопустима(рис.4, а,4).Радиусыпереходасопрягающихсяповерхностейдолжны бытьне менее 0,2 мм.4.КОМПОЗИЦИОННЫЕМАТЕРИАЛЫ СМЕТАЛЛИЧСКОЙ
МАТРИЦЕЙ
Рис.5.Схема структуры(а) иармирования
непрерывнымиволокнами(б)
композиционныхматериалов
Композиционныематериалысостоят изметаллическойматрицы (чащеAl,Mg,Niи их сплавы),упрочненнойвысокопрочнымволокнами(волокнистыематериалы) илитонкодисперснымитугоплавкимичастицами, нерастворяющимисяв основномметалле(дисперсно-упрочненныематериалы).Металлическаяматрица связываетволокна (дисперсныечастицы) в единоецелое. Волокно(дисперсныечастицы) плюссвязка (матрица),составляющиеили инуюкомпозицию, получили названиекомпозиционныематериалы(рис.5).
4.1. Волокнистыекомпозиционныематериалы.
На рис.5приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционныематериалы сволокнистымнаполнителем(упрочнителем)по механизмуармирующегодействия делятна дискретные,в которых отношениедлины волокнак диаметру l/d≈ 10ч103,и с непрерывнымволокном, вкоторых l/d= ∞.Дискретныеволокна располагаютсяв матрице хаотично.Диаметр волоконот долей досотен микрометров.Чем большеотношение длинык диаметруволокна, темвыше степеньупрочнения.
Частокомпозиционныйматериал представляетсобой слоистуюструктуру, вкоторой каждыйслой армированбольшим числомпараллельныхнепрерывныхволокон. Каждыйслой можноармировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, котораяпредставляетсобой исходнуюформу, по ширинеи длине соответствующуюконечномуматериалу. Нередко волокнасплетают в трехмерные структуры.
Композиционныематериалыотличаютсяот обычныхсплавов болеевысокими значениямивременногосопротивленияи пределавыносливости(на 50–100 %), модуляупругости,коэффициентажесткости (Е/γ)и пониженнойсклонностьюк трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткостьконструкциипри одновременномснижении ееметаллоемкости.
Таблица1.Механическиесвойствакомпозиционныхматериаловна металлическойоснове
Материал | σВ | σ-1 | Е,ГПа | σВ/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 | – | – | – |
Прочностькомпозиционных(волокнистых)материаловопределяетсясвойствамиволокон; матрицав основномдолжна перераспределятьнапряжениямежду армирующимиэлементами.Поэтому прочностьи модуль упругостиволокон должныбыть значительнобольше, чемпрочность имодуль упругостиматрицы. Жесткиеармирующиеволокна воспринимаютнапряжения,возникающиев композициипри нагружении,придают ейпрочность ижесткость внаправленииориентацииволокон.
Для упрочненияалюминия, магнияи их сплавовприменяютборные (σВ= 2500ч3500МПа, Е =38ч420ГПа) и углеродные(σВ = 1400ч3500МПа, Е =160ч450ГПа) волокна,а также волокнаиз тугоплавкихсоединений(карбидов, нитридов,боридов и оксидов),имеющих высокиепрочность имодуль упругости.Так, волокнакарбида кремниядиаметром 100мкм имеют σВ= 2500ч3500МПа, Е = 450ГПа. Нередкоиспользуютв качествеволокон проволокуиз высокопрочныхсталей.
Для армированиятитана и егосплавов применяютмолибденовуюпроволоку,волокна сапфира,карбида кремнияи борида титана.
Повышениежаропрочностиникелевыхсплавов достигаетсяармированиемих вольфрамовойили молибденовойпроволокой.Металлическиеволокна используюти в тех случаях,когда требуютсявысокие теплопроводностьи электропроводимость.Перспективнымиупрочнителямидля высокопрочныхи высокомодульныхволокнистыхкомпозиционныхматериаловявляются нитевидныекристаллы изоксида и нитридаалюминия, карбидаи нитрида кремния,карбида бораи др., имеющиеσВ = 15000ч28000МПа и Е= 400ч600ГПа.
В табл.1приведенысвойства некоторыхволокнистыхкомпозиционныхматериалов.
Рис.6.Зависимостьмодуля упругостиЕ (а)и временногосопротивленияσВ(б)бороалюминиевогокомпозиционногоматериалавдоль (1)
ипоперек (2)оси армированияот объемного
содержанияборного волокна
На рис.6 приведеназависимостьσВ и Е бороалюминиевогокомпозиционногоматериала отсодержанияборного волокнавдоль (1) и поперек(2) оси армирования.Чем большеобъемное содержаниеволокон, темвыше σВ, σ-1и Е вдоль осиармирования.Однако необходимоучитывать, чтоматрица можетпередаватьнапряженияволокнам тольков том случае,когда существуетпрочная связьна поверхностираздела армирующееволокно — матрица.Для предотвращенияконтакта междуволокнамиматрица должнаполностьюокружать всеволокна, чтодостигаетсяпри содержанииее не менее15–20 %.
Рис.7.Длительнаяпрочностьбороалюминиевогокомпозиционногоматериала,содержащего50% борного волокна,в сравнениис прочностьютитановыхсплавов (а)и длительнаяпрочностьникелевогокомпозиционногоматериала всравнении спрочностьюдисперсионно-твердеющихсплавов (б)
Матрицаи волокно недолжны междусобой взаимодействовать(должна отсутствоватьвзаимная диффузия)при изготовленииили эксплуатации,так как этоможет привестик понижениюпрочностикомпозиционногоматериала.Анизотропиясвойств волокнистыхкомпозиционныхматериаловучитываетсяпри конструированиидеталей дляоптимизациисвойств путемсогласованияполя сопротивленияс полями напряжения.
Армированиеалюминиевых,магниевых ититановыхсплавов непрерывнымитугоплавкимиволокнами бора,карбида кремния,диборида титанаи оксида алюминиязначительноповышаетжаропрочность.Особенностьюкомпозиционныхматериаловявляется малаяскоростьразупрочненияво времени(рис.7, а) с повышениемтемпературы.
Основнымнедостаткомкомпозиционныхматериаловс одно- и двумернымармированиемявляется низкоесопротивлениемежслойномусдвигу и поперечномуобрыву. Этогонедостаткалишены материалыс объемнымармированием.
4.2. Дисперсно-упрочненныекомпозиционныематериалы. Вотличие отволокнистыхкомпозиционныхматериаловв дисперсно-упрочненныхкомпозиционныхматериалахматрица являетсяосновным элементом,несущим нагрузку,а дисперсныечастицы тормозятдвижение в нейдислокаций.Высокая прочностьдостигаетсяпри размеречастиц 10–500 нмпри среднемрасстояниимежду ними100–500 нм и равномерномраспределенииих в матрице.Прочностьи жаропрочностьв зависимостиот объемногосодержанияупрочняющихфаз не подчиняютсязакону аддитивности.Оптимальноесодержаниевторой фазыдля различныхметаллов неодинаково,но обычно непревышает5–10об.%.
Использованиев качествеупрочняющихфаз стабильныхтугоплавкихсоединений(оксиды тория,гафния, иттрия,сложные соединенияоксидов иредкоземельныхметаллов),нерастворяющихсяв матричномметалле, позволяетсохранитьвысокую прочностьматериала до0,9–0,95Тпл. В связис этим такиематериалы чащеприменяют какжаропрочные.Дисперсноупрочненныекомпозиционныематериалы могутбыть полученына основебольшинстваприменяемыхв технике металлови сплавов.
Наиболеешироко используютсплавы на основеалюминия – САП(спеченныйалюминиевыйпорошок). САПсостоит изалюминия идисперсныхчешуек А12О3.Частицы А12О3эффективнотормозят движениедислокацийи тем самымповышают прочность
сплава. СодержаниеА12О3 в САПколеблетсяот 6–9 % (САП-1) и до13–18 % (САП-3). С увеличениемсодержанияА12О3 σBповышаетсяот 300 для САП-1до 400 МПа дляСАП-3, а относительноеудлинениесоответственноснижается с8 до 3%. Плотностьэтих материаловравна плотностиалюминия, онине уступаютему по коррозионнойстойкости идаже могутзаменять титани коррозионно-стойкиестали при работев интервалетемператур250–500°С. По длительнойпрочности онипревосходятдеформируемыеалюминиевыесплавы. Длительнаяпрочность σ100для сплавовСАП-1 и САП-2 при500°С составляет45–55 МПа.
Большиеперспективыу никелевыхдисперсно-упрочненныхматериалов.Наиболее высокуюжаропрочностьимеют сплавына основе никеляс 2–З об.%двуоксидатория или двуоксидагафния. Матрицаэтих сплавовобычно γ-твердыйраствор Ni+20%Cr,Ni+15%Mo,Ni+20%Cr и Мо. Широкоеприменениеполучили сплавыВДУ-1 (никель,упрочненныйдвуокисьютория), ВДУ-2(никель, упрочненныйдвуокисьюгафния) и ВД-3(матрица Ni+20%Сг, упрочненнаяокисью тория).Эти сплавыобладают высокойжаропрочностью.При температуре1200°С сплав ВДУ-1имеет σ100≈75МПа и σ1000≈65МПа, сплав ВД-3– 65МПа. Дисперсно-упрочненныекомпозиционныематериалы, также как волокнистые,стойки к разупрочнениюс повышениемтемпературыи длительностивыдержки приданной температуре(см. рис.7).
Областиприменениякомпозиционных материалов не ограничены.Они применяютсяв авиации длявысоконагруженныхдеталей самолетов(обшивки, лонжеронов,нервюр, панелейи т.д.) и двигателей(лопаток компрессораи турбины ит.д.), в космическойтехнике дляузлов силовыхконструкцийаппаратов,подвергающихсянагреву, дляэлементовжидкости, дляэлементовжесткости,панелей, вавтомобилестроениидля облегчениякузовов, рессор,рам, панелейкузовов, бамперови т.д., в горнойпромышленности(буровой инструмент,детали комбайнови т.д.), в гражданскомстроительстве(пролеты мостов,элементы сборныхконструкцийвысотных сооруженийи т.д.) и в другихобластях народногохозяйства.
Применениекомпозиционныхматериаловобеспечиваетновый качественныйскачок в увеличениимощности двигателей,энергетическихи транспортныхустановок,уменьшениимассы машини приборов.
Технологияполученияполуфабрикатови изделий изкомпозиционныхматериаловдостаточнохорошо отработана.
5.КОМПОЗИЦИОННЫЕМАТЕРИАЛЫ СНЕМЕТАЛИЧЕСКОЙ
МАТРИЦЕЙ
5.1. Общие сведения,состав и классификация
Рис.8.Схемы армирования
композиционныхматериалов
Свойствакомпозиционныхматериаловзависят отсостава компонентов,их сочетания,количественногосоотношенияи прочностисвязи междуними. Армирующиематериалы могутбыть в видеволокон, жгутов,нитей, лент,многослойныхтканей.
Содержаниеупрочнителяв ориентированныхматериалахсоставляет60–80 об.%, в неориентированных(с дискретнымиволокнамии нитевиднымикристаллами)– 20–30 об.%. Чем вышепрочность имодуль упругостиволокон, темвыше прочностьи жесткостькомпозиционногоматериала.Свойства матрицыопределяютпрочностькомпозициипри сдвиге исжатии и сопротивлениеусталостномуразрушению.
По виду упрочнителякомпозиционныематериалыклассифицируютна стекловолокниты,карбоволокнитыс углероднымиволокнами,бороволокнитыи органоволокниты.
В слоистыхматериалахволокна, нити,ленты, пропитанныесвязующим,укладываютсяпараллельнодруг другу вплоскостиукладки. Плоскостныеслои собираютсяв пластины.Свойства получаютсяанизотропными.Для работыматериала визделии важноучитыватьнаправлениедействующихнагрузок. Можносоздаватьматериалы какс изотропными,так и с анизотропнымисвойствами.Можно укладыватьволокна подразными углами,варьируя свойствакомпозиционныхматериалов.От порядкаукладки слоевпо толщинепакета зависятизгибные икрутильныежесткостиматериала.
Рис.9.Зависимостьмежду напряжениеми деформациейпри растяженииэпоксидногоуглепластикас различнойсхемой укладкиупрочнителя:1– продольная;2– под углом45є; 3– взаимноперпендикулярная;4– поперечная
Применяетсяукладка упрочнителейиз трех, четырехи более нитей(рис.8). Наибольшееприменениеимеет структураиз трех взаимноперпендикулярныхнитей. Упрочнителимогут располагатьсяв осевом, радиальноми окружномнаправлениях.Трехмерныематериалы могутбыть любойтолщины в видеблоков, цилиндров.Объемные тканиувеличиваютпрочность наотр ыв и сопротивлениесдвигу по сравнениюсо слоистыми.Система изчетырех нитейстроится путемрасположенияупрочнителяпо диагоналямкуба. Структураиз четырехнитей равновесна,имеет повышеннуюжесткость присдвиге в главныхплоскостях.Однако созданиечетырехнаправленныхматериаловсложнее, чемтрех-направленных.Зависимостьмеханическихсвойств композиционныхматериаловот схемы армированияприведена нарис.9.
5.2. Карбоволокниты
Карбоволокниты(углепласты)представляютсобой композиции,состоящие изполимерногосвязующего(матрицы) иупрочнителейв виде углеродныхволокон (карбоволокон).
Высокаяэнергия связиС–С углеродныхволокон позволяетим сохранятьпрочность приочень высокихтемпературах(в ней-
тральнойи восстановительнойсредах до 2200°С),а также принизких температурах.От окисленияповерхностиволокна предохраняютзащитнымипокрытиями(пиролитическими).В отличие отстеклянныхволокон карбоволокнаплохо смачиваютсясвязующим(низкая поверхностнаяэнергия), поэтомуих подвергаюттравлению. Приэтом увеличиваетсястепень активированияуглеродныхволокон посодержаниюкарбоксильнойгруппы на ихповерхности.Межслойнаяпрочность присдвиге углепластиковувеличиваетсяв 1,6–2,5 раза. ПрименяетсявискеризациянитевидныхкристалловTiO2, AlNи Si3N4,что дает увеличениемежслойнойжесткости в2 раза и прочностив 2,8 раза. Применяютсяпространственноармированныеструктуры.
Связующимислужат синтетическиеполимеры (полимерныекарбоволокниты);синтетическиеполимеры,подвергнутыепиролизу(коксованныекарбоволокниты);пиролитическийуглерод (пироуглеродныекарбоволокниты).
Рис.10.Значения модулейупругости (1),сдвига (2)и коэффициентовПуассона (3)под углом кглавному направлениюкомпозиционногоматериала,образованногосистемой трехнитей
ЭпоксифенольныекарбоволокнитыКМУ-1л, упрочненныйуглероднойлентой, и КМУ-lyна жгуте, вискеризованномнитевиднымикристаллами,могут длительноработать притемпературедо 200°С.КарбоволокнитыКМУ-3 и КМУ-Злполучают наэпоксиани-линоформальдегидномсвязующем, ихможно эксплуатироватьпри температуредо 100°С, они наиболеетехнологичны.КарбоволокнитыКМУ-2 и КМУ-2л наоснове полиимидногосвязующегоможно применятьпри температуредо 300°С.
Карбоволокнитыотличаютсявысоким статическими динамическимсопротивлениемусталости(рис.10), сохраняютэто свойствопри нормальнойи очень низкойтемпературе(высокая теплопроводностьволокна предотвращаетсаморазогревматериала засчет внутреннеготрения). Ониводо- и химическистойкие. Послевоздействияна воздухерентгеновскогоизлучения σИЗГ и Е почти неизменяются.
Рис.11.Зависимостьмодуля упругостиЕ, пределапрочности σВ,ударной вязкостиа исопротивленияусталости σ-1карбостекловолокнитаот содержанияуглеродныхволокон (общеесодержаниенаполнителяв композиции62 об.%)
Теплопроводностьуглепластиковв 1,5–2 раза выше,чем теплопроводностьстеклопластиков.Они имеют следующиеэлектрическиесвойства:ρV=0,0024ч0,0034Ом∙см (вдольволокон); е=10 иtgδ=0,01 (причастоте тока1010 Гц).Карбостекловолокнитысодержат нарядус угольнымистеклянныеволокна, чтоудешевляетматериал. Зависимостьмеханическихсвойств модифицированногокарбоволокнитаот содержанияуглеродныхволокон показанана рис.11.
5.3. Карбоволокнитыс углероднойматрицей.
Коксованныематериалыполучают изобычных полимерныхкарбоволокнитов,подвергнутыхпиролизу винертной иливосстановительнойатмосфере. Притемпературе800–1500°С образуютсякарбонизированные,при 2500–3000°С графитированныекарбоволокниты.Для полученияпироуглеродныхматериаловупрочнительвыкладываетсяпо форме изделияи помещаетсяв печь, в которуюпропускаетсягазообразныйуглеводород(метан). Приопределенномрежиме (температуре1100°С и остаточномдавлении 2660 Па)метан разлагаетсяи образующийсяпиролитическийуглерод осаждаетсяна волокнахупрочнителя,связывая их.
Образующийсяпри пиролизесвязующегококс имеетвысокую прочностьсцепления суглероднымволокном. Всвязи с этимкомпозиционныйматериал обладаетвысокимимеханическимии абляционнымисвойствами,стойкостьюк термическомуудару.
Карбоволокнитс углероднойматрицей типаКУП-ВМ по значениямпрочности иударной вязкостив 5–10 раз превосходитспециальныеграфиты; принагреве в инертнойатмосфере ивакууме онсохраняетпрочность до2200°С, на воздухеокисляетсяпри 450°С и требуетзащитногопокрытия. Коэффициенттрения одногокарбоволокнитас углероднойматрицей подругому высок(0,35–0,45), а износ мал(0,7–1 мкм на торможение).
Полимерныекарбоволокнитыиспользуютв судо- и автомобилестроении(кузова гоночныхмашин, шасси,гребные винты);из них изготовляютподшипники,панели отопления,спортивныйинвентарь,части ЭВМ.Высокомодульныекарбоволокнитыприменяютдля изготовлениядеталей авиационнойтехники, аппаратурыдля химическойпромышленности,в рентгеновскомоборудованиии др.
Карбоволокнитыс углероднойматрицей заменяютразличные типыграфитов. Ониприменяютсядля тепловойзащиты, дисковавиационныхтормозов, химическистойкой аппаратуры.
Физико-механическиесвойствакарбоволокнитовприведены втабл.2.
5.4. Бороволокниты
Бороволокнитыпредставляютсобой композициииз полимерногосвязующегои упрочнителя— борных волокон.
Бороволокнитыотличаютсявысокой прочностьюпри сжатии,сдвиге и срезе,низкой ползучестью,высокими твердостьюи модулемупругости,теплопроводностьюи электропроводимостью.Ячеистаямикроструктураборных волоконобеспечиваетвысокую прочностьпри сдвиге награнице разделас матрицей.
Помимо непрерывногоборного волокнаприменяюткомплексныеборостеклониты,в которых несколькопараллельныхборных волоконоплетаютсястеклонитью,придающейформоустойчивость.Применениеборостеклонитейоблегчаеттехнологическийпроцесс изготовленияматериала.
В качествематриц дляполучениябороволокнитовиспользуютмодифицированныеэпоксидныеи полиимидныесвязующие.БороволокнитыКМБ-1 и КМБ-1кпредназначеныдля длительнойработы притемпературе200°С; КМБ-3 и КМБ-Зкне требуютвысокого давленияпри переработкеи могут работатьпри температурене свыше 100°С;КМБ-2к работоспособенпри 300°С.
Влияние намеханическиесвойствабороволокнитасодержанияволокна приведенона рис.12, а влияниеразличныхматриц – нарис.13.
Рис.12.Зависимостьмеханическихсвойств бороволокнитаКМБ-1 от содержанияборного волокна:Е– модуль упругости;
σИЗГ– предел прочностипри изгибе; G– модульсдвига; τВ– предел
прочностипри сдвиге
Рис.13.Зависимостьразрушающегонапряженияпри изгибебороволокнитовна различныхсвязующих оттемпературы:1,2– эпоксидное;3– полиимидное;4– кремнийорганическоесвязующее
Посколькуборные волокнаявляютсяполупроводниками,то бороволокнитыобладают повышеннойтеплопроводностьюи электропроводимостью:λ=43 кДж/(м∙К); α=4∙10-6С-1 (вдоль волокон);ρV=1,94∙107Ом∙см; е=12,6ч20,5 (причастоте тока107 Гц); tgδ=0,02ч0,051(при частотетока 107 Гц). Длябороволокнитов прочность присжатии в 2–2,5 разабольше, чем длякарбоволокнитов.Физико-механическиесвойствабороволокнитовприведены втабл.2.
Изделия избороволокнитовприменяют вавиационнойи космическойтехнике (профили,панели, роторыи лопаткикомпрессоров,лопасти винтови трансмиссионныевалы вертолетови т.д.).
5.5. Органоволокниты
Органоволокнитыпредставляютсобой композиционныематериалы,состоящие изполимерногосвязующегои упрочнителей(наполнителей)в виде синтетическихволокон. Такиематериалыобладают малоймассой, сравнительновысокими удельнойпрочностьюи жесткостью,стабильны придействиизнакопеременныхнагрузок ирезкой сменетемпературы.Для синтетическихволокон потерипрочности притекстильнойпереработкенебольшие; онималочувствительнык повреждениям.
В органоволокнитахзначения модуляупругости итемпературныхкоэффициентовлинейногорасширенияупрочнителяи связующегоблизки. Происходитдиффузия компонентовсвязующегов волокно ихимическоевзаимодействиемежду ними.Структураматериалабездефектна.Пористостьне превышает1–3% (в другихматериалах10–20%). Отсюдастабильностьмеханическихсвойств органоволокнитовпри резкомперепаде температур,действии ударныхи циклическихнагрузок. Ударнаявязкость высокая(400–700 кДж/м2).Недостаткомэтих материаловявляется сравнительнонизкая прочностьпри сжатии ивысокая ползучесть(особенно дляэластичныхволокон).
Органоволокнитыустойчивы вагрессивныхсредах и вовлажном тропическомклимате; диэлектрическиесвойства высокие,а теплопроводностьнизкая. Большинствооргановолокнитовможет длительноработать притемпературе100–150°С, а на основеполиимидногосвязующегои полиоксадиазольныхволокон – при200–300°С.
В комбинированныхматериалахнаряду с синтетическимиволокнамиприменяютминеральные(стеклянные,карбоволокнаи бороволокна).Такие материалыобладают большейпрочностьюи жесткостью.
Органоволокнитыприменяют вкачествеизоляционногои конструкционногоматериала вэлектрорадиоиромышленности,авиационнойтехнике, автостроении;из них изготовляюттрубы, емкостидля реактивов,покрытия корпусовсудов и др.
Литература
ГуляевА.П. «Металловедение»,М.: 1968.
ДальскийА.М. «Технологияконструкционныхматериалов»,М.: 1985.
КуманинИ.Б. «Литейноепроизводство»,М.: 1971.
ЛахтинЮ.М. «Материаловедение»,М.: 1990.
Семенов«Ковка и объемнаяштамповка»,М.: 1972.
Таблица2. Физико-механическиесвойстваоднонаправленныхкомпозиционныхматериаловс полимернойматрицей
Материал | Плотность,т/м3 | Пределпрочности, МПа | Модульупругости, ГПа | УдельнаяжесткостьЕ/ρ, 103км | Относительноеудлинениепри разрыве,% | Удельнаяпроч-ностьσ/ρ, км | Ударнаявязкость, кДж/м2 | Сопр.усталостина базе 107циклов, МПа | Длит.прочн. приизгибе за 1000ч, МПА | |||||
прирас-тяжении | присжатии | приизгибе | присдвиге | прирас-тяжении | приизгибе | присдвиге | ||||||||
| Карбоволокниты: КМУ-1л КМУ-1у КМУ-1в КМУ-2в Бороволокниты: КМБ-1м КМБ-1к КМБ-2к КМБ-3к Карбоволокнитс углер. матрицейКУП-ВМ Органоволокниты: с эластичнымволокном с жесткимволокном | 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 – – – |