| |||||
МЕНЮ
| Композиционные и порошковые материалыp> [pic] 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. 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 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 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. При обработке резанием используют инструмент, оснащенный пластинками из твердого сплава или алмаза. Для сохранения пористости при обработке необходимо применять хорошо заточенный и доведенный инструмент. 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 конструкциях деталей необходимо избегать
выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно оси
прессования (рис.4, а, 1). Их следует заменять соответствующими
элементами, расположенными в направлении прессования При незначительной разностенности в процессе прессования получают более равномерную плотность по высоте детали (рис.4, б, 6). Длинные тонкостенные конструкции (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. [pic] 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 [pic] Рис.5. Схема структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционных материалов Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, 4.1. Волокнистые композиционные материалы. На рис.5 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполнителем Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в 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 структуры. Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/?) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Таблица1. Механические свойства композиционных материалов на
металлической основе 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. Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (?В = 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 ?В = 15000ч28000 МПа и Е = 400ч600 ГПа. В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов. [pic] и поперек (2) оси армирования от объемного содержания борного волокна Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой
прочностью (?В, ?-1) и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. На рис.6 приведена зависимость ?В и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше ?В, ?-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 %. [pic] Рис.7. Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов 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. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5–10об.%. 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 0,9–0,95Тпл. 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 А12О3. Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. 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 конструкций 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 строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций 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 [pic] 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. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их
сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. 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. [pic] 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 Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. 5.2. Карбоволокниты Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, состоящие из
полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон 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. Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты). [pic] (3) под углом к главному направлению композиционного материала, образованного системой трех нитей Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и 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 ?ИЗГ и Е почти не изменяются. [pic] Рис.11. Зависимость модуля упругости Е, предела прочности ?В, ударной вязкости а и сопротивления усталости ?-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: Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. Зависимость механических свойств модифицированного карбоволокнита от содержания углеродных волокон показана на рис.11. 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 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 Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. 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 Влияние на механические свойства бороволокнита содержания волокна приведено
на рис.12, а влияние различных матриц – на рис.13. ?ИЗГ – предел прочности при изгибе; G – модуль сдвига; ?В – предел прочности при сдвиге Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к
воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных
материалов. Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты
обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью: ?=43
кДж/(м?К); ?=4?10-6 С-1 (вдоль волокон); ?V=1,94?107 Ом?см; е=12,6ч20,5 Физико-механические свойства бороволокнитов приведены в табл.2. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике 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. Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом
климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. 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 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. Страницы: 1, 2 |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|