OPĆA ZNAČAJKA I KLASIFIKACIJA
Tradicionalno korišteni metalni i nemetalni materijali uvelike su dosegli svoju granicu strukturne čvrstoće. Istodobno, razvoj moderne tehnologije zahtijeva stvaranje materijala koji pouzdano rade u složenoj kombinaciji polja sila i temperature, pod utjecajem agresivnih medija, zračenja, dubokog vakuuma i visokih tlakova. Često zahtjevi za materijalima mogu biti kontradiktorni. Ovaj problem može se riješiti korištenjem kompozitnih materijala.
kompozitni materijal(CM) ili kompozit se naziva skupni heterogeni sustav koji se sastoji od međusobno netopljivih komponenti koje se uvelike razlikuju po svojstvima, čija struktura omogućuje korištenje prednosti svake od njih.
Čovjek je posudio princip izgradnje CM-a iz prirode. Tipični kompozitni materijali su debla, stabljike biljaka, ljudske i životinjske kosti.
CM omogućuju zadanu kombinaciju heterogenih svojstava: visoku specifičnu čvrstoću i krutost, otpornost na toplinu, otpornost na trošenje, svojstva zaštite od topline, itd. Spektar svojstava CM ne može se dobiti korištenjem konvencionalnih materijala. Njihova uporaba omogućuje stvaranje prethodno nedostupnih, temeljno novih dizajna.
Zahvaljujući CM-u, omogućen je novi kvalitativni skok u povećanju snage motora, smanjenju mase strojeva i konstrukcija te povećanju učinkovitosti težine vozila i zrakoplovnih vozila.
Važna svojstva materijala koji rade u ovim uvjetima su specifična čvrstoća σ u /ρ i specifična krutost E/ρ, gdje je σ in - privremeni otpor, E je modul normalne elastičnosti, ρ je gustoća materijala.
Legure visoke čvrstoće u pravilu imaju nisku duktilnost, visoku osjetljivost na koncentratore naprezanja i relativno nisku otpornost na razvoj pukotina zamora. Iako kompozitni materijali također mogu imati nisku duktilnost, oni su mnogo manje osjetljivi na koncentratore naprezanja i bolje se odupiru loma uslijed zamora. To je zbog različitog mehanizma nastanka pukotina u čelicima i legurama visoke čvrstoće. U čelicima visoke čvrstoće, pukotina se, nakon što je dosegla kritičnu veličinu, razvija progresivnom brzinom.
U kompozitnim materijalima djeluje još jedan mehanizam. Pukotina, krećući se u matrici, nailazi na prepreku na sučelju matrice i vlakna. Vlakna sprječavaju razvoj pukotina, a njihova prisutnost u plastičnoj matrici dovodi do povećanja otpornosti na lom.
Dakle, kompozitni sustav kombinira dva suprotna svojstva potrebna za konstrukcijske materijale - visoku čvrstoću zbog vlakana visoke čvrstoće i dovoljnu žilavost loma zahvaljujući plastičnoj matrici i mehanizmu disipacije energije loma.
CM se sastoje od relativno plastične matrične baze materijala i tvrđih i jačih komponenti koje su punila. Svojstva CM ovise o svojstvima podloge, punila i čvrstoće veze između njih.
Matrica povezuje sastav u monolit, daje mu oblik i služi za prijenos vanjskih opterećenja na armaturu od punila. Ovisno o osnovnom materijalu, CM se razlikuju s metalna matrica, odnosno metalnih kompozitnih materijala (MCM), s polimer - polimer kompozitnim materijalima (PCM) i s keramikom - keramičkim kompozitnim materijalima (CMC).
Vodeću ulogu u jačanju CM imaju punila, koja se često nazivaju učvršćivači. Imaju visoku čvrstoću, tvrdoću i modul elastičnosti. Prema vrsti armirajućih punila, CM se dijele na disperzivno ojačan,vlaknasti i slojevito(Slika 28.2).
Riža. 28.2. Sheme strukture kompozitnih materijala: a) disperzivno ojačan; b) vlaknasti; u) slojevito
Fine, ravnomjerno raspoređene vatrostalne čestice karbida, oksida, nitrida itd., koje ne stupaju u interakciju s matricom i ne otapaju se u njoj do tališta faza, umjetno se uvode u disperzivno otvrdnute CM. Što su čestice punila manje i što je manji razmak između njih, to je CM jači. Za razliku od vlaknastih, u CM-ovima ojačanim disperzijom, glavni nosivi element je matrica. Skup dispergiranih čestica punila učvršćuje materijal zbog otpora kretanju dislokacija pod opterećenjem, što otežava plastičnu deformaciju. Učinkovita otpornost na gibanje dislokacija stvara se do temperature taljenja matrice, zbog čega disperzijski ojačane CM karakteriziraju visoka otpornost na toplinu i otpornost na puzanje.
Ojačanje u vlaknastim CM mogu biti vlakna različitih oblika: niti, trake, mreže različitih tkanja. Ojačanje vlaknastog CM-a može se izvesti prema jednoosnoj, dvoosnoj i troosnoj shemi (Sl. 28.3, a).
Snaga i krutost takvih materijala određena je svojstvima armaturnih vlakana koja preuzimaju glavno opterećenje. Armiranje daje veći porast čvrstoće, ali je disperzijsko kaljenje tehnološki lakše izvesti.
Slojeviti kompozitni materijali (Sl. 28.3, b) sastoje se od izmjeničnih slojeva punila i materijala matrice (sendvič tipa). Slojevi punila u takvim CM mogu imati različite orijentacije. Moguće je naizmjenično koristiti slojeve punila od različitih materijala s različitim mehaničkim svojstvima. Za slojevite sastave obično se koriste nemetalni materijali.
Riža. 28.3. Sheme vlaknastog ojačanja ( a) i slojevito ( b) kompozitni materijali
DISPERZIJSKI KALJENI KOMPOZITNI MATERIJALI
Tijekom disperzijskog ojačavanja, čestice blokiraju klizne procese u matrici. Učinkovitost stvrdnjavanja, uz uvjet minimalne interakcije s matricom, ovisi o vrsti čestica, njihovoj volumnoj koncentraciji, kao i jednoličnosti raspodjele u matrici. Nanesite dispergirane čestice vatrostalnih faza kao što su Al 2 O 3 , SiO 2 , BN, SiC, niske gustoće i visokog modula elastičnosti. CM se obično proizvodi metalurgijom praha, čija je važna prednost izotropija svojstava u različitim smjerovima.
U industriji se obično koriste disperzivno ojačani CM na bazi aluminija i rjeđe nikla. Karakteristični predstavnici ove vrste kompozitnih materijala su materijali tipa SAP (sintered aluminium powder), koji se sastoje od aluminijske matrice ojačane dispergiranim česticama aluminijevog oksida. Aluminijski prah se dobiva raspršivanjem rastaljenog metala, nakon čega slijedi mljevenje u kuglastim mlinovima na veličinu od oko 1 mikrona u prisutnosti kisika. S povećanjem trajanja mljevenja prah postaje sve finiji i povećava se sadržaj aluminijevog oksida u njemu. Daljnja tehnologija proizvodnje proizvoda i poluproizvoda iz SAP-a uključuje hladno prešanje, predsinteriranje, toplo prešanje, valjanje ili ekstruziju sinteriranih aluminijskih trupaca u obliku gotovih proizvoda koji se mogu podvrgnuti dodatnoj toplinskoj obradi.
Legure tipa SAP zadovoljavajuće se deformiraju u vrućem stanju, a legure sa 6-9% Al 2 O 3 također se deformiraju na sobnoj temperaturi. Iz njih se hladnim izvlačenjem mogu dobiti folije debljine do 0,03 mm. Ovi materijali su dobro obrađeni i imaju visoku otpornost na koroziju.
SAP vrste koje se koriste u Rusiji sadrže 6-23% Al 2 O 3 . SAP-1 se razlikuje sa sadržajem 6-9, SAP-2 - sa 9-13, SAP-3 - sa 13-18% Al 2 O 3. S povećanjem volumne koncentracije aluminijevog oksida povećava se čvrstoća kompozitnih materijala. Na sobnoj temperaturi karakteristike čvrstoće SAP-1 su sljedeće: σ in = 280 MPa, σ 0,2 = 220 MPa; SAP-3 su sljedeći: σ u \u003d 420 MPa, σ 0,2 \u003d 340 MPa.
Materijali tipa SAP imaju visoku otpornost na toplinu i nadmašuju sve kovane aluminijske legure. Čak i pri temperaturi od 500 °C, njihov σ nije manji od 60–110 MPa. Otpornost na toplinu se objašnjava usporavajućim učinkom raspršenih čestica na proces rekristalizacije. Karakteristike čvrstoće legura SAP tipa su vrlo stabilne. Dugoročna ispitivanja čvrstoće legura tipa SAP-3 tijekom 2 godine nisu imala praktički nikakvog utjecaja na razinu svojstava kako na sobnoj temperaturi tako i pri zagrijavanju do 500 °C. Na 400 °C, čvrstoća SAP-a je 5 puta veća od čvrstoće starenja aluminijskih legura.
Legure tipa SAP koriste se u zrakoplovnoj tehnologiji za izradu dijelova visoke specifične čvrstoće i otpornosti na koroziju, koji rade na temperaturama do 300–500 °C. Od njih se izrađuju klipnjače, lopatice kompresora, ljuske gorivih elemenata i cijevi izmjenjivača topline.
CM se dobiva metalurgijom praha pomoću dispergiranih čestica silicijevog karbida SiC. Kemijski spoj SiC ima niz pozitivnih svojstava: visoko talište (više od 2650 ° C), visoku čvrstoću (oko 2000 MPa) i modul elastičnosti (> 450 GPa), nisku gustoću (3200 kg / m 3) i dobru koroziju otpornost. Industrija je ovladala proizvodnjom abrazivnih silicijevih prahova.
Prahovi aluminijske legure i SiC se miješaju, podvrgavaju prethodnom zbijanju pod niskim tlakom, zatim vrućem prešanju u čeličnim posudama u vakuumu na temperaturi taljenja matrične legure, tj. u čvrstom-tekućem stanju. Dobiveni obradak se podvrgava sekundarnoj deformaciji kako bi se dobili poluproizvodi potrebnog oblika i veličine: limovi, šipke, profili itd.
38.1. Klasifikacija
Kompozitni materijali su materijali ojačani punilima smještenim na određeni način u matrici.Punala su najčešće tvari visoke energije međuatomskih veza, velike čvrstoće i visokog modula, no u kombinaciji s krhkim matricama mogu se koristiti i visokoplastična punila.
Komponente veziva, odnosno matrice, u kompozitnim materijalima mogu biti različite - polimerne, keramičke, metalne ili miješane. U potonjem slučaju govorimo o polimaterijalnim kompozitnim materijalima.
Prema morfologiji armaturnih faza, kompozitni materijali se dijele na:
nula-dimenzionalni (oznaka: 0,), ili otvrdnuti česticama različite finoće, nasumično raspoređenih u matrici;
jednodimenzionalni vlaknasti (simbol: 1), ili ojačani jednosmjernim kontinuiranim ili diskretnim vlaknima;
dvodimenzionalni slojeviti (simbol: 2), ili koji sadrže jednako orijentirane armaturne lamele ili slojeve (sl. 38.1).
Anizotropija kompozitnih materijala, unaprijed "dizajnirana" u svrhu korištenja u odgovarajućim strukturama, naziva se strukturnom.
Prema veličini armaturnih faza ili veličini armaturne ćelije, kompozitni materijali se dijele na sljedeći način:
submikrokompoziti (veličina ćelija za pojačanje, promjer vlakana ili čestica<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:
mikrokompoziti (veličina ćelije za pojačanje, promjer vlakana, čestice ili debljina sloja ^1 µm), na primjer, materijali ojačani česticama, vlaknima od ugljika, silicijevog karbida, bora itd., jednosmjerne eutektičke legure;
makrokompoziti (promjer ili debljina armaturnih komponenata -100 mikrona), na primjer dijelovi izrađeni od bakrenih ili aluminijskih legura, ojačani volframom ili čeličnom žicom ili folijom. Makrokompoziti se najčešće koriste za poboljšanje otpornosti na habanje tarnih dijelova u industrijskom alatu.
38.2. Međufazna interakcija u kompozitnim materijalima
38.2.1. Fizikalno-kemijska i termomehanička kompatibilnost komponenata
Kombinacija u jednom materijalu tvari koje se značajno razlikuju po kemijskom sastavu i fizikalnim svojstvima stavlja u prvi plan problem termodinamičke i kinetičke kompatibilnosti komponenata u razvoju, proizvodnji i spajanju kompozitnih materijala. Pod klicom
dinamička kompatibilnost shvaća se kao sposobnost matrice i armirajućih punila da budu u stanju termodinamičke ravnoteže neograničeno vrijeme na temperaturama proizvodnje i rada. Gotovo svi umjetno stvoreni kompozitni materijali su termodinamički nekompatibilni. Jedina iznimka je nekoliko metalnih sustava (Cu-W, Cu-Mo, Ag-W), gdje nema kemijske i difuzijske interakcije među fazama tijekom neograničenog vremena njihovog kontakta.
Kinetička kompatibilnost - sposobnost komponenti kompozitnih materijala da održavaju metastabilnu ravnotežu u određenim temperaturno-vremenskim intervalima. Problem kinetičke kompatibilnosti ima dva aspekta: 1) fizikalni i kemijski - osiguravanje jake veze između komponenti i ograničavanje procesa otapanja, hetero- i reaktivne difuzije na sučeljima, koji dovode do stvaranja krhkih produkata interakcije i degradacije čvrstoća armaturnih faza i kompozitnog materijala u cjelini; 2) termomehanički - postizanje povoljne raspodjele unutarnjih naprezanja toplinskog i mehaničkog podrijetla i smanjenje njihove razine; osiguranje racionalnog odnosa između deformacijskog otvrdnjavanja matrice i njegove sposobnosti opuštanja naprezanja, sprječavanje preopterećenja i prijevremenog kvara faza otvrdnjavanja.
Postoje sljedeće mogućnosti za poboljšanje fizikalno-kemijske kompatibilnosti metalnih matrica s punilima za ojačavanje:
I. Razvoj novih tipova ojačavajućih punila koja su otporna u kontaktu s metalnim matricama na visokim temperaturama, na primjer, keramičkim vlaknima, viskirima i dispergiranim česticama silicijevih karbida, titana, cirkonija, bora, aluminijevih oksida, cirkonija, silicijevih nitrida, bora itd.
II Taloženje barijernih prevlaka na punila za ojačanje, na primjer prevlake od vatrostalnih metala, titan karbida, hafnija, bora, titan nitrida, bora, itrijevih oksida na karbonska vlakna, bora, silicij karbida. Neki barijerni premazi na vlaknima, uglavnom metalnim, služe kao sredstvo za poboljšanje vlaženja vlakana talinama matrice, što je posebno važno kod dobivanja kompozitnih materijala metodama tekuće faze. Takvi se premazi često nazivaju tehnološkim
Ne manje važan je učinak plastificiranja koji se javlja tijekom nanošenja tehnoloških premaza, a koji se očituje u stabilizaciji, pa čak i povećanju čvrstoće vlakana (primjerice, kada se vlakna bora aluminiziraju provlačenjem kroz kupelj taline ili kada se ugljična vlakna poniklano uz naknadnu toplinsku obradu).
III. Upotreba u kompozitnim materijalima metalnih matrica legiranih elementima s većim afinitetom prema punilu za ojačanje od metala matrice ili s površinski aktivnim aditivima. Rezultirajuća promjena u kemijskom sastavu međupovršina trebala bi spriječiti razvoj međupovršinske interakcije. Legiranje matričnih legura s površinski aktivnim dodacima ili dodacima koji tvore karbid, kao i taloženje tehnoloških premaza na vlakna, može poboljšati sposobnost vlaženja armature. punilo s metalnim talinama.
IV. Legiranje matrice s elementima koji povećavaju kemijski potencijal armirajućeg punila u leguri matrice, ili s dodacima armirajućeg punila do koncentracija zasićenja pri temperaturama dobivanja ili rada kompozitnog materijala. Takvo dopiranje sprječava otapanje armirajuće faze, tj. povećava toplinsku stabilnost sastava.
V. Izrada "umjetnih" kompozitnih materijala prema tipu "prirodnih" eutektičkih sastava odabirom odgovarajućeg sastava komponenata.
VI. Odabir optimalnog trajanja kontakta komponenata u pojedinom procesu dobivanja kompozitnih materijala ili u uvjetima njihove uporabe, tj. uzimajući u obzir faktore temperature i sile. Trajanje kontakta, s jedne strane, trebalo bi biti dovoljno za pojavu jakih ljepljivih veza između komponenti; s druge strane, ne dolazi do intenzivne kemijske interakcije, stvaranja krhkih međufaza i smanjenja čvrstoće kompozitnog materijala.
Termomehanička kompatibilnost komponenti u kompozitnim materijalima osigurava se:
odabir matričnih legura i punila s minimalnom razlikom u modulima elastičnosti, Poissonovim omjerima, koeficijentima toplinske ekspanzije;
korištenje međuslojeva i prevlaka te faza za pojačanje, koje smanjuju razlike u fizičkim svojstvima matrice i faza;
prijelaz s armature s komponentom jedne vrste na poliarmiranu - iiu, tj. kombinaciju u jednom kompozitnom materijalu armaturnih vlakana, čestica ili slojeva koji se razlikuju po sastavu i fizičkim svojstvima;
mijenjanje geometrije dijelova, sheme i razmjera armature; morfologija, veličina i volumni udio armirajućih faza; zamjena kontinuiranog punila s diskretnim;
izbor metoda i načina proizvodnje kompozitnog materijala koji osigurava zadanu razinu čvrstoće veze njegovih komponenti.
38.2.2. Ojačavanje punila
Za ojačanje metalnih matrica koriste se punila visoke čvrstoće, visokog modula - kontinuirana i diskretna metalna, nemetalna i keramička vlakna, kratka vlakna i čestice, brkovi (tablica 38.1).
Ugljična vlakna jedan su od najrazvijenijih i najperspektivnijih materijala za ojačanje u proizvodnji. Važna prednost karbonskih vlakana je njihova niska specifična težina, toplinska vodljivost bliska onoj metala (R=83,7 W/(m-K)) i relativno niska cijena.
Vlakna se isporučuju u obliku glatkih ili upletenih snopova miogofilamenata, tkanina ili vrpci iz njih. Ovisno o vrsti sirovine, promjer filamenata varira od 2 do 10 mikrona, broj filameita u snopu varira od stotina do desetaka tisuća komada.
Karbonska vlakna imaju visoku kemijsku otpornost na atmosferske uvjete i mineralne kiseline. Otpornost vlakana na toplinu je niska: temperatura dugotrajnog rada na zraku ne prelazi 300-400 °C. Kako bi se povećala kemijska otpornost u dodiru s metalima, na površinu vlakana nanose se barijere od titanovih i cirkonijevih borida, titanovih karbida, cirkonija, silicija i vatrostalnih metala.
Borova vlakna dobivaju se taloženjem bora iz plinske smjese vodika i bor triklorida na volframovoj žici ili ugljičnim monofilamentima zagrijanim na temperaturu od 1100-1200 °C. Kada se zagrijavaju na zraku, borova vlakna počinju oksidirati na temperaturama od 300-350 ° C, na 600-800 ° C potpuno gube snagu. Aktivna interakcija s većinom metala (Al, Mg, Ti, Fe, Ni) počinje na temperaturama od 400-600 °C. Kako bi se povećala otpornost borovih vlakana na toplinu, tanki slojevi (2-6 μm) silicij karbida (SiC / B / W), bor karbida (B4C / B / W), bor nitrida (BN / B / W) se talože u metoda plinske faze
Vlakna silicijevog karbida promjera 100-200 mikrona proizvode se taloženjem na 1300 ° C iz mješavine pare i plina silicij tetraklorida i metana, razrijeđenog vodikom u omjeru 1: 2: 10, i volframove žice.
|
Karbonska vlakna
|
|
TABLICA 38.2 LEGURE KOJE SE KORISTE KAO MATRICA U KOMPOZITNIM MATERIJALIMA
|
ili smola karbonskih vlakana. Najbolji uzorci vlakana imaju čvrstoću od 3000-4000 MPa na 1100 °C
Vlakna silicijevog karbida bez jezgre u obliku multifilameitnih snopova, dobivena iz tekućih organosilana izvlačenjem i pirolizom, sastoje se od ultrafinih f)-SiC kristala.
Metalna vlakna se proizvode u obliku žice promjera 0,13; 0,25 i 0,5 mm. Vlakna od čelika visoke čvrstoće i legura berilija namijenjena su uglavnom za armiranje matrica od lakih legura i titana. Vlakna od vatrostalnih metala legiranih renijem, titanom, oksidnom i karbidnom fazom koriste se za otvrdnjavanje otpornih na toplinu i legura nikal-kroma, titana i drugih.
Brkovi koji se koriste za pojačanje mogu biti metalni ili keramički. Struktura takvih kristala je monokristalna, promjera je obično do 10 mikrona s omjerom duljine i promjera od 20 do 100. Brkovi se dobivaju različitim metodama: rastom iz premaza, elektrolitičkim taloženjem, taloženjem iz parne pare. plinski medij, kristalizacija iz plinovite faze kroz tekuću fazu. mehanizmom para - tekućina - kristal, piroliza, kristalizacija iz zasićenih otopina, viscerizacija
38.2.3. Matrične legure
U metalnim kompozitnim materijalima matrice se uglavnom koriste od lakih kovanih i lijevanih legura aluminija i magnezija, kao i od legura bakra, nikla, kobalta, cinka, kositra, olova, srebra; legure nikal-kroma, titana, cirkonija, vanadija otporne na toplinu; legure vatrostalnih metala kroma i niobija (tablica 38 2).
38.2.4. Vrste veza i strukture sučelja u kompozitnim materijalima
Ovisno o materijalu punila i matrica, metodama i načinima dobivanja duž sučelja kompozitnih materijala, ostvaruje se šest vrsta veza (tablica 38.3). Najjaču vezu između komponenti u sastavima s metalnim matricama osigurava kemijska interakcija. Uobičajena vrsta veze je mješovita, koju predstavljaju čvrste otopine i intermetalne faze (na primjer, sastav "aluminij-bor vlakna" dobiven kontinuiranim lijevanjem) ili čvrste otopine, intermetalne i oksidne faze (isti sastav dobiven prešanjem plazma polu- gotovi proizvodi) itd.
38.3. Metode proizvodnje kompozitnih materijala
Tehnologija proizvodnje metalnih kompozitnih materijala određena je dizajnom proizvoda, osobito ako su složenog oblika i zahtijevaju pripremu spojeva zavarivanjem, lemljenjem, lijepljenjem ili zakivanjem, te je u pravilu višespojna.
Elementarna osnova za izradu dijelova ili poluproizvoda (limova, cijevi, profila) od kompozitnih materijala najčešće su tzv. metalom impregnirana vlaknasta vlakna ili pojedinačna vlakna presvučena matričnim legurama.
|
VRSTE KOMUNIKACIJE NA SUČELJNIM POVRŠINAMA U KOMPOZITNIM MATERIJALIMA
|
Dijelovi i poluproizvodi dobivaju se spajanjem (zbijanjem) izvornih preprega impregnacijom, toplim prešanjem, valjanjem ili izvlačenjem paketa iz preprega. Ponekad se i preprezi i proizvodi od kompozitnih materijala izrađuju istim metodama, na primjer, tehnologijom praha ili lijevanja, te pod različitim načinima i u različitim tehnološkim fazama.
Metode za dobivanje preprega, poluproizvoda i proizvoda od kompozitnih materijala s metalnim matricama mogu se podijeliti u pet glavnih skupina: 1) parno-plinsko-fazni; 2) kemijski i elektrokemijski; 3) tekuća faza; 4) čvrsta faza; 5) čvrsto-tekuća faza.
38.4. Svojstva kompozitnih materijala s metalnom matricom
Kompozitni materijali s metalnim matricama imaju niz neospornih prednosti u odnosu na ostale konstrukcijske materijale namijenjene radu u ekstremnim uvjetima. Te prednosti uključuju: visoku čvrstoću i. krutost u kombinaciji s velikom otpornošću na lom; visoka specifična čvrstoća i krutost (omjer krajnje čvrstoće i modula elastičnosti prema specifičnoj težini a/y i E/y); visoka granica zamora; visoka otpornost na toplinu; niska osjetljivost na toplinske udare, na površinske defekte, visoka svojstva prigušenja, električna i toplinska vodljivost, proizvodnost u dizajnu, obradi i spajanju (tablica 38 4).
|
KOMPOZITNI MATERIJALI S METALNIM MATRICAMA U USPOREDBI S NAJBOLJIM METALNO KONSTRUKCIJSKIM MATERIJALIMA |
|
TABLICA 385 |
|
MEHANIČKA SVOJSTVA KOMPOZITNIH MATERIJALA S METALNOM MATRICOM
|
U nedostatku posebnih zahtjeva za materijale u pogledu toplinske vodljivosti, električne vodljivosti, otpornosti na hladnoću i drugih svojstava, temperaturni intervali za rad kompozitnih materijala određuju se kako slijedi:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °S - za materijale s keramičkim matricama; kompozitni materijali s metalnim matricama prelaze ta ograničenja
Karakteristike čvrstoće nekih kompozitnih materijala dane su u tablici 38-5.
Glavne vrste spojeva kompozitnih materijala danas su vijčanim, zakovicama, lijepljenim, lemljenim i zavarenim spojevima te kombiniranim. Lemljeni i zavareni spojevi su posebno perspektivni, jer otvaraju mogućnost potpunog ostvarenja jedinstvenih svojstava kompozitnog materijala u Međutim, njihova implementacija složen je znanstveni i tehnički zadatak iu mnogim slučajevima još nije izašla iz eksperimentalne faze
38.5. Problemi zavarljivosti kompozitnih materijala
Ako se pod zavarljivošću podrazumijeva sposobnost materijala da tvori zavarene spojeve koji po svojim svojstvima nisu niži od njega, tada kompozitne materijale s metalnim matricama, posebno vlaknastima, treba klasificirati kao teško zavarljive materijale. Nekoliko je razloga za to.
I. Metode zavarivanja i lemljenja uključuju spajanje kompozitnih materijala duž metalne matrice. Ojačajuće punilo u zavarenom ili lemljenom šavu ili je potpuno odsutno (na primjer, u sučeonim zavarima koji se nalaze poprečno u smjeru armature u vlaknastim ili slojevitim kompozitnim materijalima), ili je prisutno u smanjenom volumenskom udjelu (prilikom zavarivanja materijala ojačanih disperzijom žicama koji sadrži diskretnu fazu armiranja), ili postoji povreda kontinuiteta i smjera armature (na primjer, tijekom difuzijskog zavarivanja vlaknastih smjesa poprečno u smjeru armature). Stoga je zavareni ili lemljeni šav oslabljeni dio strukture kompozitnog materijala, što se mora uzeti u obzir pri projektiranju i pripremi spoja za zavarivanje. Postoje prijedlozi u literaturi za izvanmrežno zavarivanje komponenti sastava radi održavanja kontinuiteta armature (na primjer, tlačno zavarivanje volframovih vlakana u sastavu volfram-bakar), međutim, izvanmrežno sučeono zavarivanje vlaknastih kompozitnih materijala zahtijeva posebnu pripremu rubova, strogo pridržavanje na korak armiranja i prikladan je samo za materijale ojačane metalnim vlaknima. Drugi prijedlog je priprema sučeonih spojeva s preklapajućim vlaknima na duljini većoj od kritične duljine, međutim, postoje poteškoće u ispunjavanju spoja matričnim materijalom i osiguravanju jake veze duž sučelja vlakno-matrica.
II. Utjecaj zagrijavanja zavarivanjem na razvoj fizikalno-kemijske interakcije u kompozitnom materijalu prikladno je razmotriti na primjeru spoja nastalog tijekom prodiranja luka vlaknastog materijala poprečno u smjeru armature (slika 38.2). Ako metal matrice nema polimorfizam (na primjer, Al, Mg, Cu, Ni itd.), tada se u spoju mogu razlikovati 4 glavne zone: materijal); 2 - zona ograničena temperaturama povrata i rekristalizacije metala matrice (povratna zona); 3 zone,
ograničena temperaturama rekristalizacije i taljenja matrice (zona rekristalizacije); 4 - zona zagrijavanja iznad temperature taljenja matrice (nazovimo ovu zonu zavarom). Ako je matrica u kompozitnom materijalu legura Ti, Zr, Fe i drugih metala koji imaju polimorfne transformacije, tada će se u zoni 3 pojaviti podzone s potpunom ili djelomičnom rekristalizacijom faze matrice, a za ovo razmatranje ova točka nije značajna.
Promjene svojstava kompozitnog materijala počinju u zoni 2. Ovdje procesi obnavljanja uklanjaju deformacijsko otvrdnjavanje matrice postignuto tijekom zbijanja kompozitnog materijala u čvrstoj fazi (u sastavima dobivenim metodama tekuće faze, omekšavanje u ovoj zoni je nije promatrano).
U zoni 3 dolazi do rekristalizacije i rasta zrna metala matrice. Zbog difuzijske pokretljivosti atoma matrice moguć je daljnji razvoj međupovršinske interakcije koja je započeta u proizvodnji kompozitnog materijala, povećava se debljina krhkih međuslojeva i pogoršavaju svojstva kompozitnog materijala u cjelini. Zavarivanje materijala taljenjem
moguća je poroznost duž granice taljenja i susjednih međufaznih granica, što pogoršava ne samo svojstva čvrstoće, već i nepropusnost zavarenog spoja.
U zoni 4 (zavar) mogu se razlikovati 3 sekcije:
Dijagram 4", uz os zavara, gdje je zbog jakog pregrijavanja pod lukom taline metalne matrice i najduljeg zadržavanja metala u rastaljenom stanju, faza ojačanja potpuno otopljena;
Segment 4", karakteriziran nižom temperaturom zagrijavanja taline i kraćim trajanjem kontakta ojačavajuće faze s talinom. Ovdje je ova faza samo djelomično otopljena u talini (na primjer, smanjuje se promjer vlakana, školjke pojavljuju se na njihovoj površini; narušena je jednosmjernost armature);
Segment 4"", gdje nema zamjetne promjene u veličini armirajuće faze, ali se razvija intenzivna interakcija s talinom, stvaraju se međuslojevi ili otoci krhkih produkata interakcije i smanjuje se čvrstoća armirajuće faze. Kao rezultat toga, zona 4 postaje zona najvećeg oštećenja kompozitnog materijala tijekom zavarivanja.
III. Zbog razlika u toplinskom rastezanju materijala matrice i armirajuće faze, u zavarenim spojevima kompozitnih materijala nastaju dodatna termoelastična naprezanja koja uzrokuju nastanak raznih grešaka: pucanje, razaranje krhkih armaturnih faza u najzagrijanijoj zoni 4 spoja , delaminacija duž međufaznih granica u zoni 3.
Za osiguranje visokih svojstava zavarenih spojeva kompozitnih materijala preporučuje se sljedeće.
Prije svega, među poznatim metodama spajanja prednost treba dati metodama zavarivanja čvrste faze, kod kojih se, zbog nižeg utroška energije, može postići minimalna degradacija svojstava komponenti u zoni spajanja.
Drugo, načini tlačnog zavarivanja moraju biti odabrani tako da isključe pomicanje ili drobljenje armaturne komponente.
Treće, kod zavarivanja taljenjem kompozitnih materijala treba odabrati metode i načine koji osiguravaju minimalan unos topline u zonu spoja.
Četvrto, zavarivanje taljenjem trebalo bi preporučiti za spajanje kompozitnih materijala s termodinamički kompatibilnim komponentama, kao što su bakar-volfram, bakar-molibden, srebro-volfram, ili ojačanih punilima otpornim na toplinu, kao što su vlakna silicij-karbida, ili punila s barijernim premazima, kao što su vlakna bor presvučena bor karbidom ili silicijevim karbidom.
Peto, elektroda ili materijal za punjenje ili materijal srednjih brtvi za zavarivanje topljenjem ili lemljenje mora sadržavati aditive za legiranje koji ograničavaju otapanje komponente za pojačanje i stvaranje krhkih međufaznih međufaznih proizvoda tijekom procesa zavarivanja i tijekom naknadnog rada zavarenih sklopova. .
38.5.1. Kompozitno zavarivanje
Vlaknasti i slojeviti kompozitni materijali najčešće se preklapaju. Omjer duljine poda i debljine materijala najčešće prelazi 20. Ovakvi spojevi mogu se dodatno ojačati zakovnim ili vijčanim spojevima. Uz preklopne spojeve moguće je izvoditi sučeone i kutne varove u smjeru armature, a rjeđe poprijeko u smjeru armature. U prvom slučaju, uz pravilan izbor metoda i načina zavarivanja ili lemljenja, moguće je postići jednaku čvrstoću spoja; u drugom slučaju, čvrstoća veze obično ne prelazi čvrstoću materijala matrice.
Kompozitni materijali ojačani česticama, kratkim vlaknima, brkovima zavareni su istim tehnikama kao i legure taložnog otvrdnjavanja ili praškasti materijali. Jednaka čvrstoća zavarenih spojeva s osnovnim materijalom u ovom slučaju može se postići pod uvjetom da je kompozitni materijal izrađen tehnologijom tekuće faze, ojačan toplinski otpornim punilima te odabirom odgovarajućih načina zavarivanja i materijala za zavarivanje. U nekim slučajevima elektroda ili materijal za punjenje mogu biti po sastavu slični ili bliski osnovnom materijalu.
38.5.2. Elektrolučno zavarivanje u zaštitnim plinovima
Metoda se koristi za zavarivanje taljenjem kompozitnih materijala s matricom reaktivnih metala i legura (aluminij, magnezij, titan, nikal, krom). Zavarivanje se izvodi nepotrošnom elektrodom u atmosferi argona ili mješavine s helijem. Za kontrolu toplinskog utjecaja zavarivanja na materijale, preporučljivo je koristiti pulsni luk, komprimirani luk ili trofazni luk.
Za povećanje čvrstoće spojeva preporuča se izvođenje šavova s kompozitnim elektrodama ili žicama za punjenje s volumnim sadržajem armaturne faze od 15-20%. Kao faze za ojačanje koriste se kratka vlakna bora, safira, nitrida ili silicij karbida.
38.5.3. zavarivanje elektronskim snopom
Prednosti metode su u odsutnosti oksidacije rastaljenog metala i punila za ojačanje, vakuumsko otplinjavanje metala u zoni zavarivanja, visoka koncentracija energije u gredi, što omogućuje dobivanje spojeva s minimalnom širinom taljenja. zonu i zonu u blizini zavara. Posljednja prednost posebno je važna pri izradi spojeva vlaknastih kompozitnih materijala u smjeru armature. Uz posebnu pripremu spojeva moguće je zavarivanje pomoću odstojnika za punjenje.
38.5.4. Kontaktno točkasto zavarivanje
Prisutnost armirajuće faze u kompozitnom materijalu smanjuje njegovu toplinsku i električnu vodljivost u usporedbi s materijalom matrice i sprječava stvaranje lijevane jezgre. Zadovoljavajući rezultati dobiveni su kod točkastog zavarivanja tankih limova kompozitnih materijala s oblogama. Kod zavarivanja limova različitih debljina ili kompozitnih limova s homogenim limovima, kako bi se jezgra mjesta zavara dovela u ravninu dodira limova i uravnotežila razlika u električnoj vodljivosti materijala, odaberite elektrode različite vodljivosti, s kompresijom periferne zone, promijenite promjer i polumjer zakrivljenosti elektroda, debljinu sloja obloge, nanesite dodatne brtve.
Prosječna čvrstoća točke zavarivanja pri zavarivanju jednoosno ojačanih bor-aluminijskih ploča debljine 0,5 mm (s volumnim udjelom vlakana od 50%) iznosi 90% čvrstoće bor-aluminij ekvivalentnog presjeka. Čvrstoća lijepljenja bor-aluminijskih limova s poprečnom armaturom veća je od one s jednoosnim armiranjem.
38.5.5. Difuzijsko zavarivanje
Proces se provodi pod visokim tlakom bez upotrebe lema. Tako se bor-aluminijski dijelovi koji se spajaju zagrijavaju u zatvorenoj retorti na temperaturu od 480 °C pri tlaku do 20 MPa i drže u tim uvjetima 30-90 minuta. Tehnološki postupak difuzijskog otpornog točkastog zavarivanja bor-aluminija s titanom gotovo je isti kao kod točkastog zavarivanja taljenjem. Razlika je u tome što su način zavarivanja i oblik elektroda odabrani tako da je temperatura zagrijavanja aluminijske matrice blizu temperature taljenja, ali ispod nje. Kao rezultat, na kontaktnoj točki formira se difuzijska zona debljine od 0,13 do 0,25 µm.
Uzorci preklopljeni difuzijskim točkastim zavarivanjem, kada se ispituju na napetost u temperaturnom rasponu od 20-120 ° C, uništavaju se duž osnovnog materijala s kidanjem duž vlakana. Na temperaturi od 315 °C, uzorci se uništavaju smicanjem na spoju.
38.5.6. klinasto zavarivanje
Za spajanje završnih dijelova od konvencionalnih konstrukcijskih legura s cijevima ili tijelima od kompozitnih materijala, razvijena je metoda za zavarivanje različitih metala koji se oštro razlikuju u tvrdoći, što se može nazvati mikroklinopres zavarivanje. Tlak utiskivanja dobiva se zbog toplinskih naprezanja koja nastaju zagrijavanjem igle i držača uređaja za termokompresijsko zavarivanje, izrađenih od materijala s različitim koeficijentima toplinskog rastezanja (K. TP). Završni elementi, na čijoj dodirnoj površini je nanesen klinasti navoj, montiraju se s cijevi od kompozitnog materijala, kao i s trnom i čaurom. Sastavljeno učvršćenje zagrijava se u zaštitnom okruženju na temperaturu od 0,7-0,9 tališta najtaljivijeg metala. Trn za učvršćenje ima viši CTE od stezaljke. Tijekom procesa zagrijavanja razmak između radnih površina trna i držača se smanjuje, a izbočine ("klinovi") navoja na vrhu se utiskuju u slojeve obloge cijevi. Čvrstoća spoja čvrste faze nije manja od čvrstoće matrice ili metala za oblaganje.
38.5.7. Zavarivanje eksplozijom
Zavarivanje eksplozivom koristi se za spajanje limova, profila i cijevi od metalnih kompozitnih materijala ojačanih metalnim vlaknima ili slojevima koji imaju dovoljno visoka plastična svojstva da se izbjegne drobljenje armaturne faze, kao i za spajanje kompozitnih materijala opšivcima od raznih metala i legura. Čvrstoća spojeva obično je jednaka ili čak veća (zbog otvrdnuća) od čvrstoće najslabijeg materijala matrice koji se koristi u dijelovima koji se spajaju. Za povećanje čvrstoće spojeva koriste se međubrtve od drugih materijala.
Spojevi su obično bez pora ili pukotina. Otopljena područja u prijelaznoj zoni, osobito tijekom eksplozije raznorodnih metala, mješavine su faza eutektičkog tipa.
38.6. Lemljenje kompozitnih materijala
Postupci tvrdog lemljenja vrlo su obećavajući za spajanje kompozitnih materijala, budući da se mogu provoditi na temperaturama koje ne utječu na punilo za ojačanje i ne uzrokuju razvoj međupovršinske interakcije.
Lemljenje se izvodi konvencionalnim tehnikama, tj. uranjanjem lemljenja ili u pećnici. Vrlo je važno pitanje kvalitete pripreme površine za lemljenje. Spojevi za lemljenje s topiteljima osjetljivi su na koroziju, tako da se topilo mora potpuno ukloniti iz područja spoja.
Lemljenje tvrdim i mekim lemovima
Razvijeno je nekoliko opcija za lemljenje bor-aluminija. Ispitivani su lemovi za lemljenje na niskim temperaturama. Sastav lema 55% Cd -45% Ag, 95% Cd -5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn preporučuje se za dijelove koji rade na temperaturama ne višim od 90 ° C; sastav lema 95% Zn - 5% Al - za radne temperature do 315 °C. Kako bi se poboljšalo vlaženje i širenje lema, sloj nikla debljine 50 µm nanosi se na površine koje se spajaju. Visokotemperaturno lemljenje izvodi se pomoću eutektičkih lemova sustava aluminij-silicij na temperaturama reda 575-615 °C. Vrijeme lemljenja mora biti minimalno zbog opasnosti od degradacije čvrstoće borovih vlakana.
Glavne poteškoće u lemljenju ugljik-aluminijskih smjesa, kako međusobno tako i s aluminijskim legurama, povezane su s lošom moći vlaženja ugljik-aluminij s lemovima. Najbolji lemovi su legura 718 (A1-12% Si) ili naizmjenični slojevi folije od legure 6061. Lemljenje se provodi u pećnici u atmosferi argona pri temperaturi od 590 ° C tijekom 5-10 minuta. Lemovi sustava aluminij-silicij-magnezij mogu se koristiti za spajanje bor-aluminija i ugljika-aluminija s titanom. Za povećanje čvrstoće veze preporuča se nanošenje sloja nikla na površinu titana.
Eutektičko difuzijsko lemljenje. Metoda se sastoji u nanošenju tankog sloja drugog metala na površinu zavarenih dijelova, koji tvori eutektiku s metalom matrice. Za matrice aluminijskih legura koriste se slojevi Ag, Cu, Mg, Ge, Zn, čija je eutektička temperatura s aluminijem 566, 547, 438, 424 odnosno 382 °C. Kao rezultat procesa difuzije, koncentracija drugog elementa u kontaktnoj zoni postupno opada, a talište spoja raste, približavajući se talištu matrice. Stoga lemljeni spojevi mogu raditi na temperaturama višim od temperature probijača.
Tijekom difuzijskog lemljenja bor-aluminija, površine dijelova koji se spajaju oblažu se srebrom i bakrom, zatim komprimiraju i drže pod tlakom do 7 MPa na temperaturi od 510-565 ° C u čeličnoj retorti u vakuumu ili inertna atmosfera.
Ova vrsta kompozitnih materijala uključuje materijale kao što je SAP (sinterirani aluminijski prah), koji su aluminij ojačan raspršenim česticama aluminijevog oksida. Aluminijski prah se dobiva raspršivanjem rastaljenog metala, nakon čega slijedi mljevenje u kuglastim mlinovima na veličinu od oko 1 mikrona u prisutnosti kisika. S povećanjem trajanja mljevenja prah postaje sve finiji i povećava se sadržaj aluminijevog oksida u njemu. Daljnja tehnologija proizvodnje proizvoda i poluproizvoda iz SAP-a uključuje hladno prešanje, predsinteriranje, toplo prešanje, valjanje ili ekstruziju sinteriranih aluminijskih trupaca u obliku gotovih proizvoda koji se mogu podvrgnuti dodatnoj toplinskoj obradi.
Legure tipa SAP koriste se u zrakoplovnoj tehnologiji za izradu dijelova visoke specifične čvrstoće i otpornosti na koroziju, koji rade na temperaturama do 300–500 °C. Od njih se izrađuju klipnjače, lopatice kompresora, ljuske gorivih elemenata i cijevi izmjenjivača topline.
Ojačanje aluminija i njegovih legura čeličnom žicom povećava njihovu čvrstoću, povećava modul elastičnosti, otpornost na zamor i proširuje temperaturno područje materijala.
Ojačanje kratkim vlaknima provodi se metodama metalurgije praha, koje se sastoje od prešanja nakon čega slijedi hidroekstruzija ili valjanje praznina. Kod armiranja kontinuiranim vlaknima sastava tipa sendvič koji se sastoje od izmjeničnih slojeva aluminijske folije i vlakana, koriste se valjanje, vruće prešanje, zavarivanje eksplozijom i difuzijsko zavarivanje.
Vrlo obećavajući materijal je sastav aluminij-berilijeve žice, koji ostvaruje visoka fizikalna i mehanička svojstva berilijeve armature i, prije svega, njenu nisku gustoću i visoku specifičnu krutost. Kompozicije s berilijevom žicom dobivaju se difuzijskim zavarivanjem paketa iz izmjeničnih slojeva berilijeve žice i listova matrice. Za izradu dijelova tijela rakete i spremnika za gorivo koriste se legure aluminija ojačane čeličnom i berilijskom žicama.
U sastavu "aluminij - karbonska vlakna", kombinacija armature niske gustoće i matrice omogućuje stvaranje kompozitnih materijala visoke specifične čvrstoće i krutosti. Nedostatak karbonskih vlakana je njihova krhkost i velika reaktivnost. Kompozicija aluminij-ugljik dobiva se impregnacijom karbonskih vlakana tekućim metalom ili metodama metalurgije praha. Tehnološki je najjednostavnije izvedivo provući snopove karbonskih vlakana kroz talinu aluminija.
Kompozit aluminij-ugljik koristi se u dizajnu spremnika goriva modernih lovaca. Zbog visoke specifične čvrstoće i krutosti materijala, masa spremnika goriva smanjena je za 30%. Ovaj se materijal također koristi za izradu turbinskih lopatica za zrakoplovne plinskoturbinske motore.
Kompozitni materijali s nemetalnom matricom
Kompozitni materijali s nemetalnom matricom imaju široku primjenu u industriji. Kao nemetalne matrice koriste se polimerni, karbonski i keramički materijali. Od polimernih matrica najviše se koriste epoksi, fenol-formaldehid i poliamid. Ugljične matrice su koksirane ili dobivene od sintetskih polimera podvrgnutih pirolizi (razgradnja, dezintegracija). Matrica veže kompoziciju, dajući joj oblik. Ojačivači su vlakna: staklena, ugljična, borova, organska, na bazi brkova (oksidi, karbidi, boridi, nitridi, itd.), Kao i metal (žice), koji imaju visoku čvrstoću i krutost.
Svojstva kompozitnih materijala ovise o sastavu komponenata, njihovoj kombinaciji, količinskom omjeru i čvrstoći veze između njih.
Sadržaj učvršćivača u orijentiranim materijalima je 60-80 vol. %, u neorijentiranim (s diskretnim vlaknima i brkovima) - 20 - 30 vol. %. Što je veća čvrstoća i modul elastičnosti vlakana, veća je čvrstoća i krutost kompozitnog materijala. Svojstva matrice određuju čvrstoću sastava na smik i pritisak te otpornost na lom uslijed zamora.
Prema vrsti učvršćivača, kompozitni materijali se dijele na staklena vlakna, karbonska vlakna s karbonskim vlaknima, borova vlakna i organska vlakna.
U laminiranim materijalima, vlakna, niti, trake impregnirane vezivom polažu se paralelno jedna s drugom u ravnini polaganja. Planarni slojevi se sastavljaju u ploče. Svojstva su anizotropna. Za rad materijala u proizvodu važno je uzeti u obzir smjer djelovanja opterećenja. Možete stvoriti materijale s izotropnim i anizotropnim svojstvima. Vlakna možete postaviti pod različitim kutovima, mijenjajući svojstva kompozitnih materijala. Savijanje i torzijska krutost materijala ovisi o redoslijedu polaganja slojeva duž debljine paketa.
Koristi se slaganje armaturnih elemenata od tri, četiri ili više niti (slika 7). Najveću primjenu ima struktura triju međusobno okomitih niti. Učvršćivači se mogu nalaziti u aksijalnom, radijalnom i obodnom smjeru.
Trodimenzionalni materijali mogu biti bilo koje debljine u obliku blokova, cilindara. Glomazne tkanine povećavaju otpornost na ljuštenje i otpornost na smicanje u usporedbi sa slojevitim tkaninama. Sustav od četiri niti se gradi postavljanjem armature po dijagonalama kocke. Struktura četiri niti je uravnotežena, ima povećanu krutost na smicanje u glavnim ravninama. Međutim, stvaranje četverosmjernih materijala teže je nego stvaranje trosmjernih.
Riža. 7. Shema armiranja kompozitnih materijala: 1 - pravokutno, 2 - šesterokutno, 3 - koso, 4 - sa zakrivljenim vlaknima, 5 - sustav od n niti.
Najučinkovitiji u pogledu upotrebe u najtežim uvjetima suhog trenja su antifrikcijski materijali na bazi politetrafluoretilena (PTFE).
PTFE karakterizira prilično visok statički koeficijent trenja, međutim, tijekom trenja klizanja na površini PTFE-a nastaje vrlo tanak sloj visoko orijentiranog polimera, koji pomaže izjednačavanju statičkog i dinamičkog koeficijenta trenja i glatkom kretanju pri klizanju. Kada se promijeni smjer klizanja, prisutnost usmjerenog površinskog filma uzrokuje privremeno povećanje koeficijenta trenja, čija se vrijednost ponovno smanjuje kako se površinski sloj preusmjerava. Ovakvo ponašanje PTFE-a pod trenjem dovelo je do njegove široke upotrebe u industriji, gdje se neispunjeni PTFE uglavnom koristi za proizvodnju ležajeva. U mnogim slučajevima, nepodmazani ležajevi moraju raditi pri većim brzinama trenja. U isto vrijeme, neispunjeni PTFE karakteriziraju visoke vrijednosti koeficijenta trenja i stope trošenja. Kao materijali za nepodmazane ležajeve koji rade u takvim uvjetima široku primjenu našli su kompozitni materijali, najčešće na bazi PTFE.
Najjednostavniji način smanjenja relativno visoke stope trošenja PTFE tijekom suhog trenja je uvođenje praškastih punila. U tom se slučaju povećava otpornost na puzanje pod pritiskom i uočava se značajno povećanje otpornosti na trošenje pri suhom trenju. Uvođenjem optimalne količine punila moguće je povećati otpornost na habanje do 10 4 puta.
Polimeri i kompozitni materijali temeljeni na njima imaju jedinstven skup fizikalno-mehaničkih svojstava, zbog kojih uspješno konkuriraju tradicionalnim konstrukcijskim čelicima i legurama, au nekim slučajevima nemoguće je osigurati tražene funkcionalne karakteristike i performanse specijalnih proizvoda i strojeva. bez upotrebe polimernih materijala. Visoka obradivost i niska potrošnja energije tehnologija za preradu plastike u proizvode, u kombinaciji s gore navedenim prednostima PCM-a, čine ih vrlo perspektivnim materijalima za dijelove strojeva za različite namjene.
Kompozitni materijali s metalnom matricom. Za rad na višim temperaturama koriste se metalne matrice.
Metalni CM imaju brojne prednosti u odnosu na polimerne. Osim više radne temperature karakterizira ih bolja izotropija i veća stabilnost svojstava tijekom rada, veća otpornost na eroziju.
Plastičnost metalnih matrica daje strukturi potrebnu viskoznost. To doprinosi brzom izjednačavanju lokalnih mehaničkih opterećenja.
Važna prednost metalnih CM je veća obradivost procesa proizvodnje, kalupljenja, toplinske obrade, formiranja spojeva i premaza.
Prednost kompozitnih materijala na bazi metala su veće vrijednosti karakteristika koje ovise o svojstvima matrice. To su prije svega vlačna čvrstoća i modul elastičnosti na vlak u smjeru okomitom na os armaturnih vlakana, čvrstoća na pritisak i savijanje, plastičnost i lomna žilavost. Osim toga, kompozitni materijali s metalnom matricom zadržavaju svoje karakteristike čvrstoće na višim temperaturama od materijala s nemetalnom bazom. Otporniji su na vlagu, nezapaljivi, imaju električnu vodljivost.Visoka električna vodljivost metalnih CM dobro ih štiti od elektromagnetskog zračenja, munja i smanjuje opasnost od statičkog elektriciteta. Visoka toplinska vodljivost metala CM štiti od lokalnog pregrijavanja, što je posebno važno za proizvode kao što su vrhovi raketa i prednji rubovi krila.
Materijali koji najviše obećavaju za matrice metalnih kompozitnih materijala su metali niske gustoće (A1, Mg, Ti) i legure na njihovoj osnovi, kao i nikal, koji se trenutno široko koristi kao glavna komponenta legura otpornih na toplinu.
Kompoziti se dobivaju različitim metodama. To uključuje impregnaciju snopa vlakana tekućim talinama aluminija i magnezija, prskanje plazmom, korištenje metoda vrućeg prešanja, ponekad nakon čega slijedi hidroekstruzija ili valjanje gredica. Kod armiranja kontinuiranim vlaknima koriste se "sendvič" sastavi koji se sastoje od izmjeničnih slojeva aluminijske folije i vlakana, valjanje, vruće prešanje, zavarivanje eksplozijom, difuzijsko zavarivanje. Iz tekuće metalne faze dobiva se odljevak šipki i cijevi ojačanih vlaknima visoke čvrstoće. Snop vlakana neprekidno prolazi kroz rastaljenu kupelj i impregniran je pod pritiskom tekućim aluminijem ili magnezijem. Kada izlaze iz impregnacijske kupelji, vlakna se spajaju i prolaze kroz predionicu, tvoreći šipku ili cijev. Ova metoda osigurava maksimalnu ispunjenost kompozita vlaknima (do 85%), njihovu ravnomjernu raspodjelu po presjeku i kontinuitet procesa.
Materijali s aluminijskom matricom. Materijali s aluminijskom matricom uglavnom su ojačani čeličnom žicom (SAS), borovim vlaknima (VKA) i karbonskim vlaknima (VKU). Kao matrica koriste se i tehnički aluminij (na primjer, AD1) i legure (AMg6, V95, D20, itd.).
Upotreba legure (na primjer, B95) otvrdnute toplinskom obradom (kaljenje i starenje) kao matrice daje dodatni učinak jačanja sastava. Međutim, u smjeru osi vlakana on je mali, dok u poprečnom smjeru, gdje su svojstva određena uglavnom svojstvima matrice, doseže 50%.
Najjeftiniji, prilično učinkovit i pristupačan materijal za armiranje je čelična žica visoke čvrstoće. Tako armatura tehničkog aluminija žicom od čelika VNS9 promjera 0,15 mm (σ in = 3600 MPa) povećava njegovu čvrstoću 10-12 puta s volumnim udjelom vlakana od 25% i 14-15 puta s povećanje sadržaja na 40%, nakon čega privremena otpornost doseže 1000-1200 odnosno 1450 MPa. Ako se za armiranje koristi žica manjeg promjera, odnosno veće čvrstoće (σ in = 4200 MPa), vlačna čvrstoća kompozitnog materijala će se povećati na 1750 MPa. Tako aluminij ojačan čeličnom žicom (25-40%) po osnovnim svojstvima znatno nadmašuje čak i aluminijske legure visoke čvrstoće i doseže razinu odgovarajućih svojstava titanovih legura. Gustoća sastava je u rasponu od 3900-4800 kg/m 3 .
Ojačanje aluminija i njegovih legura skupljim vlaknima B, C, A1 2 Oe povećava cijenu kompozitnih materijala, ali se neka svojstva učinkovitije poboljšavaju: na primjer, kada se ojačavaju borovim vlaknima, modul elastičnosti povećava se 3-4 puta , karbonska vlakna pomažu smanjiti gustoću. Bor malo slabi s porastom temperature, tako da sastavi ojačani borovim vlaknima zadržavaju visoku čvrstoću do 400-500 °C. Materijal koji sadrži 50 vol.% kontinuiranih borovih vlakana visoke čvrstoće i visokog modula (VKA-1) pronašao je industrijsko primjena. Što se tiče modula elastičnosti i vlačne čvrstoće u temperaturnom rasponu od 20-500°C, nadilazi sve standardne legure aluminija, uključujući i one visoke čvrstoće (B95), i legure posebno dizajnirane za rad na visokim temperaturama (AK4-1), što je jasno prikazano na sl. 13.35. Visoka sposobnost prigušivanja materijala osigurava otpornost na vibracije konstrukcija izrađenih od njega. Gustoća legure je 2650 kg/m 3 a specifična čvrstoća 45 km. To je znatno više nego kod čelika visoke čvrstoće i legura titana.
Izračuni su pokazali da zamjena legure V95 legurom titana u proizvodnji krila zrakoplova s elementima za pojačanje iz VKA-1 povećava njegovu krutost za 45% i štedi oko 42% na težini.
Kompozitni materijali na bazi aluminija ojačani karbonskim vlaknima (CFC) jeftiniji su i lakši od materijala s borovim vlaknima. I iako su inferiorni u odnosu na potonje u snazi, imaju blisku specifičnu snagu (42 km). Međutim, proizvodnja kompozitnih materijala s ugljičnim učvršćivačem povezana je s velikim tehnološkim poteškoćama zbog interakcije ugljika s metalnim matricama tijekom zagrijavanja, što uzrokuje smanjenje čvrstoće materijala. Kako bi se uklonio ovaj nedostatak, koriste se posebni premazi od karbonskih vlakana.
Materijali s magnezijskom matricom. Materijali s magnezijevom matricom (MCM) karakterizirani su nižom gustoćom (1800–2200 kg/m3) od onih s aluminijem, uz približno jednako visoku čvrstoću od 1000–1200 MPa i stoga veću specifičnu čvrstoću. Kovane legure magnezija (MA2 i dr.) ojačane borovim vlaknima (50 vol.%) imaju specifičnu čvrstoću > 50 km. Dobra kompatibilnost magnezija i njegovih legura s borovim vlaknima, s jedne strane, omogućuje izradu dijelova impregnacijom s malo ili bez naknadne strojne obrade, s druge strane, osigurava dug radni vijek dijelova na povišenim temperaturama. Specifična čvrstoća ovih materijala pojačana je upotrebom legura legiranih lakim litijem kao matricom, kao i upotrebom lakših karbonskih vlakana. Ali, kao što je ranije spomenuto, uvođenje ugljičnih vlakana komplicira tehnologiju već niskotehnoloških legura. Kao što je poznato, magnezij i njegove legure imaju nisku tehnološku duktilnost i sklonost stvaranju labavog oksidnog filma.
Kompozitni materijali na bazi titana. Pri izradi kompozitnih materijala na bazi titana javljaju se poteškoće uzrokovane potrebom zagrijavanja do visokih temperatura. Na visokim temperaturama titanska matrica postaje vrlo aktivna; stječe sposobnost apsorpcije plina, interakcije s mnogim učvršćivačima: bor, silicijev karbid, aluminijev oksid itd. Kao rezultat toga, formiraju se reakcijske zone, smanjuje se čvrstoća i samih vlakana i kompozitnih materijala u cjelini. Osim toga, visoke temperature dovode do rekristalizacije i omekšavanja mnogih armaturnih materijala, što smanjuje učinak ojačanja armature. Stoga se za ojačavanje materijala s titanskom matricom koristi žica od berilija i keramičkih vlakana od vatrostalnih oksida (A1 2 0 3), karbida (SiC), kao i vatrostalnih metala s visokim modulom elastičnosti i visokom temperaturom rekristalizacije ( Mo, W). Štoviše, svrha armature uglavnom nije povećati ionako visoku specifičnu čvrstoću, već povećati modul elastičnosti i povećati radne temperature. Mehanička svojstva legure titana VT6 (6% A1, 4% V, ostatak A1), ojačane vlaknima Mo, Be i SiC, prikazani su u tablici. 13.9. Kao što se vidi iz. tablici, najučinkovitija specifična krutost se povećava kada je ojačana vlaknima silicijevog karbida.
Ojačanje legure VT6 molibdenskom žicom pomaže u održavanju visokih vrijednosti modula elastičnosti do 800 "C. Njegova vrijednost na ovoj temperaturi odgovara 124 GPa, tj. smanjuje se za 33%, dok se vlačna čvrstoća smanjuje na 420 MPa, tj. više od 3 puta.
Kompozitni materijali na bazi nikla. CM otporni na toplinu izrađeni su na bazi legura nikla i kobalta ojačanih keramikom (SiC, Si 3 Ni 4 , Al 2 O 3 ) i ugljičnim vlaknima. Glavni zadatak u stvaranju kompozitnih materijala na bazi nikla (NBC) je povećanje radnih temperatura iznad 1000 °C. A jedan od najboljih učvršćivača metala koji može pružiti dobru čvrstoću na tako visokim temperaturama je volframova žica. Uvođenje volframove žice u količini od 40 do 70 vol.% u leguru nikal-kroma daje čvrstoću na 1100 °C tijekom 100 sati, odnosno 130 i 250 MPa, dok je najbolja neojačana legura nikla, dizajnirana za rad pod sličnim uvjetima, ima čvrstoću od 75 MPa. Korištenje žice od legura volframa s renijem ili hafnijem za armiranje povećava ovu brojku za 30-50%.
Kompozitni materijali koriste se u mnogim granama industrije, prvenstveno u zrakoplovstvu, raketnoj i svemirskoj tehnici, gdje je smanjenje mase konstrukcija uz povećanje čvrstoće i krutosti od posebne važnosti. Zbog svoje visoke specifične čvrstoće i krutosti, koriste se u proizvodnji, primjerice, horizontalnih stabilizatora i zakrilaca zrakoplova, lopatica propelera i kontejnera za helikoptere, tijela i komora za izgaranje mlaznih motora itd. Upotreba kompozitnih materijala u konstrukciji zrakoplova smanjio njihovu težinu za 30-40%, povećao nosivost bez smanjenja brzine i dometa.
Trenutno se kompozitni materijali koriste u gradnji energetskih turbina (turbinske lopatice i lopatice mlaznica), automobilskoj industriji (karoserije i hladnjaci automobila, dijelovi motora), strojogradnji (dijelovi karoserija i strojeva), kemijskoj industriji (autoklavi, spremnici, spremnici), brodogradnja, (trupovi čamaca, čamci, propeleri) itd.
Posebna svojstva kompozitnih materijala omogućuju njihovu upotrebu kao elektroizolacijskih materijala (organska vlakna), radio-prozirnih obloga (staklena vlakna), kliznih ležajeva (ugljična vlakna) i drugih dijelova.
Kompozitni materijali s keramičkom matricom. Za najviše radne temperature kao matrični materijal koristi se keramika. Kao keramika koriste se silikatni (SiO 2), aluminosilikatni (Al 2 O 3 - SiO 2), aluminoborosilikatni (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) materijali, vatrostalni oksidi aluminija (Al 2 O 3), cirkonij. matrice (ZrO 2), berilij (BeO), silicij nitrid (Si 3 N 4), titan (TiB 2) i cirkonij (ZrB 2) boridi, silicij (SiC) i titan (TiC) karbidi. Kompoziti s keramičkom matricom imaju visoko talište, otpornost na oksidaciju, toplinske udare i vibracije te tlačnu čvrstoću. Keramički CM na bazi karbida i oksida s dodacima metalnog praha (< 50об. %) называются kermete . Osim prahova za armiranje keramičkih CM, koriste se metalne žice od volframa, molibdena, niobija, čelika otpornog na toplinu, kao i nemetalna vlakna (keramika i ugljik). Korištenje metalne žice stvara plastični okvir koji štiti CM od uništenja kada krta keramička matrica pukne. Nedostatak keramičkog CM-a ojačanog metalnim vlaknima je niska otpornost na toplinu. CM s matricom od vatrostalnih oksida (mogu se koristiti do 1000 °C), borida i nitrida (do 2000 °C) i karbida (preko 2000 °C) imaju visoku otpornost na toplinu. Kod ojačanja keramičkih CM vlaknima silicijevog karbida postiže se visoka čvrstoća veze između njih i matrice u kombinaciji s otpornošću na oksidaciju pri visokim temperaturama, što omogućuje njihovu upotrebu za izradu teško opterećenih dijelova (ležajevi za visoke temperature). , brtve, lopatice rotora plinskoturbinskih motora itd.). Glavni nedostatak keramike - nedostatak plastičnosti - donekle se kompenzira armirajućim vlaknima koja sprječavaju širenje pukotina u keramici.
Ugljik-ugljik kompozit . Korištenje amorfnog ugljika kao materijala matrice i vlakana kristalnog ugljika (grafita) kao materijala za ojačanje omogućilo je stvaranje kompozita koji može izdržati zagrijavanje do 2500°C. Takav kompozit ugljik-ugljik obećava za astronautiku i atmosfersko zrakoplovstvo. Nedostatak karbonske matrice je moguća oksidacija i ablacija. Kako bi se spriječile ove pojave, kompozit je presvučen tankim slojem silicij karbida.
Karbonska matrica, po fizičkim i kemijskim svojstvima slična karbonskim vlaknima, osigurava toplinsku stabilnost CCCM-a
Najviše se koriste dvije metode za proizvodnju ugljik-ugljik kompozita:
1. karbonizacija polimerne matrice prethodno oblikovanog obrasca od karbonskih vlakana toplinskom obradom na visokoj temperaturi u neoksidirajućoj okolini;
2. taloženje pirokarbona iz pare, nastaju tijekom toplinske razgradnje ugljikovodika u porama podloge od karbonskih vlakana.
Obje ove metode imaju svoje prednosti i nedostatke. Prilikom stvaranja UCCM često se kombiniraju kako bi kompozit dobio željena svojstva.
Karbonizacija polimerne matrice. Proces karbonizacije je toplinska obrada proizvoda od karbonskih vlakana do temperature od 1073 K u neoksidirajućoj okolini (inertni plin, punjenje ugljena itd.). Svrha toplinske obrade je pretvaranje veziva u koks. U procesu karbonizacije dolazi do toplinske destrukcije matrice, praćene gubitkom težine, skupljanjem, stvaranjem velikog broja pora i, kao rezultat toga, smanjenjem fizičko-mehaničkih svojstava kompozita.
Karbonizacija se najčešće provodi u retortnim otpornim pećima. Retorta izrađena od legure otporne na toplinu štiti proizvod od oksidacije atmosferskim kisikom, a grijaće elemente i izolaciju od ulaska hlapljivih korozivnih proizvoda pirolize veziva na njih i osigurava ravnomjerno zagrijavanje reakcijskog volumena peći.
Mehanizam i kinetika karbonizacije određeni su omjerom brzina disocijacije kemijskih veza i rekombinacije nastalih radikala. Proces je popraćen uklanjanjem smolastih spojeva i plinovitih produkata koji isparavaju te stvaranjem krutog koksa obogaćenog atomima ugljika. Stoga je u procesu karbonizacije ključna točka izbor temperaturno-vremenskog režima, koji treba osigurati maksimalno stvaranje koksnog taloga iz veziva, budući da mehanička čvrstoća karboniziranog kompozita ovisi, između ostalog, o količini formiran koks.
Što su veće dimenzije proizvoda, to bi proces karbonizacije trebao biti duži. Brzina porasta temperature tijekom karbonizacije je od nekoliko stupnjeva do nekoliko desetaka stupnjeva na sat, trajanje procesa karbonizacije je 300 sati ili više. Karbonizacija obično završava u temperaturnom području 1073-1773 K, što odgovara temperaturnom području prijelaza ugljika u grafit.
Svojstva CCCM-a uvelike ovise o vrsti početnog veziva, koje se koristi kao sintetičke organske smole koje daju visok koksni talog. Najčešće se u tu svrhu koriste fenol-formaldehidne smole zbog njihove proizvodnosti, dostupnosti niske cijene, koks koji nastaje u ovom procesu ima visoku čvrstoću.
Fenol-formaldehidne smole imaju određene nedostatke. Zbog polikondenzacijske prirode njihovog stvrdnjavanja i otpuštanja hlapljivih spojeva, teško je dobiti jednoliku gustu strukturu. Stupanj skupljanja tijekom karbonizacije fenol-formaldehidnih veziva veći je nego kod drugih vrsta veziva korištenih u proizvodnji CCCM-a, što dovodi do pojave unutarnjih naprezanja u karboniziranom kompozitu i smanjenja njegovih fizičko-mehaničkih svojstava.
Gušći koks osiguravaju furanska veziva. Njihovo skupljanje tijekom karbonizacije je manje, a čvrstoća koksa veća nego kod fenolformaldehidnih smola. Stoga se, unatoč složenijem ciklusu otvrdnjavanja, u proizvodnji CCCM-a koriste i veziva na bazi furfurala, furfuriliden acetona i furil alkohola.
Ugljeni i naftni smoli vrlo su obećavajući za dobivanje ugljikove matrice zbog visokog sadržaja ugljika (do 92-95%) i visokog koksnog broja. Prednosti smole u odnosu na ostala veziva su dostupnost i niska cijena, isključenje otapala iz tehnološkog procesa, dobra grafitizacija koksa i njegova velika gustoća. Nedostaci smola uključuju stvaranje značajne poroznosti, deformaciju proizvoda, prisutnost kancerogenih spojeva u njihovom sastavu, što zahtijeva dodatne sigurnosne mjere.
Zbog otpuštanja hlapljivih spojeva tijekom toplinske razgradnje smole u karboniziranoj plastici dolazi do značajne poroznosti, što smanjuje fizikalna i mehanička svojstva CCCM-a. Stoga faza karbonizacije ugljičnih vlakana dovršava proces dobivanja samo poroznih materijala koji ne zahtijevaju visoku čvrstoću, na primjer, CCCM niske gustoće za potrebe toplinske izolacije. Obično se za uklanjanje poroznosti i povećanje gustoće karbonizirani materijal ponovno impregnira vezivom i karbonizira (ovaj se ciklus može ponoviti nekoliko puta). Ponovna impregnacija se provodi u autoklavima u režimu "vakuum-tlak", tj. izradak se prvo zagrijava u vakuumu, nakon čega se dovodi vezivo i stvara nadtlak do 0,6-1,0 MPa. Kod impregnacije koriste se otopine i taline veziva, a poroznost kompozita se svakim ciklusom smanjuje, pa je potrebno koristiti veziva smanjene viskoznosti. Stupanj zbijenosti kod reimpregnacije ovisi o vrsti veziva, koksnom broju, poroznosti proizvoda i stupnju ispunjenosti pora. S povećanjem gustoće tijekom ponovne impregnacije, povećava se i čvrstoća materijala. Ovom se metodom može dobiti CCCM gustoće do 1800 kg/m 3 i više. Metoda karbonizacije ugljičnih vlakana je relativno jednostavna, ne zahtijeva složenu opremu, a omogućuje dobru obnovljivost svojstava materijala dobivenih proizvoda. Međutim, potreba za ponovljenim operacijama zbijanja značajno produljuje i poskupljuje dobivanje proizvoda iz CCCM-a, što je ozbiljan nedostatak ove metode.
Po primitku UCCM-a od strane metoda taloženja pirougljika iz plinske faze plinoviti ugljikovodik (metan, benzen, acetilen itd.) ili mješavina ugljikovodika i plina razrjeđivača (inertni plin ili vodik) difundira kroz porozni okvir od karbonskih vlakana, gdje se pod utjecajem visoke temperature ugljikovodik razgrađuje na zagrijanu površinu vlakna. Precipitirani pirolitički ugljik postupno stvara spojne mostove između vlakana. Kinetika taloženja i struktura dobivenog pirolitičkog ugljika ovise o mnogim čimbenicima: temperaturi, brzini protoka plina, tlaku, reakcijskom volumenu itd. Svojstva dobivenih kompozita također su određena vrstom i sadržajem vlakana, te ojačanjem shema.
Proces taloženja provodi se u vakuumu ili pod tlakom u indukcijskim pećima, kao iu otpornim pećima.
Razvijeno je nekoliko tehnoloških metoda za dobivanje pirokarbonske matrice.
S izotermnom metodom izradak se stavlja u jednoliko zagrijanu komoru. Ujednačenost zagrijavanja u indukcijskoj peći osigurava se uz pomoć gorivnog elementa - suceptora od grafita. Plin ugljikovodika dovodi se kroz dno peći i difundira kroz reakcijski volumen i trupac; plinoviti produkti reakcije uklanjaju se kroz ispust u poklopcu peći.
Proces se obično provodi na temperaturi od 1173-1423 K i tlaku od 130-2000 kPa. Smanjenje temperature dovodi do smanjenja brzine taloženja i prekomjernog produljenja trajanja procesa. Povećanje temperature ubrzava taloženje pirolitičkog ugljika, ali u ovom slučaju plin nema vremena difundirati u masu izratka i pirolitički ugljik se taloži na površini. Trajanje procesa doseže stotine sati.
Izotermna metoda obično se koristi za izradu dijelova s tankim stijenkama, budući da su u ovom slučaju pore u blizini površine proizvoda uglavnom ispunjene.
Za volumetrijsku zasićenost pora i dobivanje proizvoda debelih stijenki, neizotermna metoda, koji se sastoji u stvaranju temperaturnog gradijenta u obratku stavljanjem na zagrijani trn ili jezgru ili izravnim zagrijavanjem strujom. Ugljikovodik se dovodi sa strane niže temperature. Tlak u ložištu obično je jednak atmosferskom. Kao rezultat toga dolazi do taloženja pirokarbona u najtoplijoj zoni. Učinak hlađenja plina koji teče preko površine velikom brzinom glavni je način postizanja temperaturnog gradijenta.
Povećanje gustoće i toplinske vodljivosti kompozita dovodi do pomicanja fronte temperature taloženja, što u konačnici osigurava volumetrijsku zbijenost materijala i proizvodnju proizvoda visoke gustoće (1700-1800 kg/m3).
Izotermna metoda dobivanja CCCM s pirokarbonskom matricom karakteriziraju sljedeće prednosti: dobra ponovljivost svojstava; jednostavnost tehničkog dizajna; visoka gustoća i dobra grafitizacija matrice; Mogućnost obrade više proizvoda istovremeno.
Nedostaci uključuju: nisku stopu taloženja; površinsko taloženje pirokarbona; loše popunjavanje velikih pora.
Neizotermna metoda ima sljedeće prednosti: visoka brzina taloženja; sposobnost popunjavanja velikih pora; pečat volumena proizvoda.
Njegovi nedostaci su sljedeći: složen dizajn hardvera; obrađuje se samo jedan proizvod; nedovoljna gustoća i grafitizacija matrice; stvaranje mikropukotina.
3.4.4. Visokotemperaturna toplinska obrada (grafitizacija) CCCM. Struktura karbonizirane plastike i kompozita s pirokarbonskom matricom nakon zbijanja iz plinske faze je nesavršena. Međuslojna udaljenost d 002, koja karakterizira stupanj uređenosti ugljikove matrice, relativno je velika - preko 3,44 10 4 µm, a veličine kristala su relativno male - obično ne više od 5 10 -3 µm, što je tipično za dva -dimenzionalni poredak osnovnih karbonskih slojeva. Osim toga, tijekom proizvodnog procesa u njima mogu nastati unutarnja naprezanja koja mogu dovesti do deformacija i iskrivljenja strukture proizvoda kada se ovi materijali koriste na temperaturama iznad temperature karbonizacije ili taloženja pirougljika. Stoga, ako je potrebno dobiti toplinski stabilniji materijal, provodi se njegova visokotemperaturna obrada. Konačna temperatura toplinske obrade određena je radnim uvjetima, ali je ograničena sublimacijom materijala, koja se intenzivno odvija na temperaturama iznad 3273 K. Toplinska obrada se provodi u indukcijskim pećima ili otpornim pećima u neoksidirajućoj sredini ( grafitno punjenje, vakuum, inertni plin). Promjena svojstava materijala ugljik-ugljik tijekom visokotemperaturne toplinske obrade određena je mnogim čimbenicima: vrstom punila i matrice, konačnom temperaturom i trajanjem toplinske obrade, vrstom medija i njegovim tlakom i drugim čimbenicima. Pri visokim temperaturama dolazi do prevladavanja energetskih barijera u ugljikovom materijalu koje onemogućuju kretanje višenuklearnih spojeva, njihovo pričvršćivanje i međusobno preusmjeravanje uz veći stupanj zbijanja.
Ti procesi traju kratko, a stupanj pretvorbe uglavnom je određen temperaturom. Stoga je trajanje procesa visokotemperaturne toplinske obrade mnogo kraće nego kod karbonizacije ili taloženja pirougljika i obično iznosi nekoliko sati. Tijekom visokotemperaturne toplinske obrade karbonizirane plastike dolazi do nepovratnih deformacija proizvoda, postupnog "iscjeljivanja" nedostataka. Za dobro grafitizirane materijale na bazi smole na temperaturama iznad 2473 K opaža se intenzivan rast trodimenzionalno uređenih kristalita ugljika do prijelaza u grafitnu strukturu. Istodobno, u karboniziranoj plastici koja se temelji na slabo grafitiziranim polimernim vezivima, strukturni defekti postoje do 3273 K, a materijal ostaje u negrafitiziranom strukturnom obliku.
Punilo u obliku praha uvodi se u matricu kompozitnog materijala kako bi se svojstva svojstvena tvari punila ostvarila u funkcionalnim svojstvima kompozita. U praškastim kompozitima matrica je uglavnom metala i polimera. Ime se zadržalo iza kompozita s polimernom matricom u prahu "plastike".
Kompoziti s metalnom matricom
Kompoziti s metalnom matricom. Praškasti kompoziti s metalnom matricom dobivaju se hladnim ili vrućim prešanjem mješavine praha matrice i punila, nakon čega slijedi sinteriranje dobivenog poluproizvoda u inertnoj ili redukcijskoj sredini na temperaturama od oko 0,75 T mn matrični metal. Ponekad se kombiniraju postupci prešanja i sinteriranja. Tehnologija proizvodnje praškastih kompozita naziva se "metalurgija praha". Metodama metalurgije praha proizvode se kermeti i legure s posebnim svojstvima.
Kermeti nazivaju se kompozitni materijali s metalnom matricom, čije su punilo dispergirane čestice keramike, kao što su karbidi, oksidi, boridi, silicidi, nitridi i dr. Kao matrica uglavnom se koriste kobalt, nikal i krom. Kermeti kombiniraju tvrdoću i otpornost na toplinu i otpornost na toplinu keramike s visokom žilavošću i toplinskom vodljivošću metala. Stoga su kermeti, za razliku od keramike, manje krti i mogu podnijeti velike temperaturne razlike bez loma.
Kermeti se široko koriste u proizvodnji alata za obradu metala. Karbidi u prahu nazivaju se alatni kermeti.
Praškasta punila tvrdih legura su karbidi ili karbonitridi u količini od 80% ili više. Ovisno o vrsti punila i metalu koji služi kao matrica kompozita, praškaste tvrde legure dijele se u četiri skupine:
- 1) WC-Co - jednokarbidni tip B K;
- 2) WC-TiC-Co - dvokarbidni tip TK,
- 3) WC-TiC-TaC-Co - trokarbidni tip TTK;
- 4) TiC i TiCN-(Ni + Mo) - legure na bazi titan karbida i karbonitrida - bez volframa tipa TN i CNT.
Legure VK. Legure se označavaju slovima VK i brojem koji označava sadržaj kobalta. Na primjer, sastav legure VK6: 94% WC i 6% Co. Otpornost VK legura na toplinu je oko 900°C. Legure ove skupine imaju najveću čvrstoću u usporedbi s ostalim tvrdim legurama.
Legure TK. Legure se označavaju kombinacijom slova i brojeva. Broj iza T označava sadržaj titan karbida u leguri, iza K - kobalt. Na primjer, sastav legure T15K6: TiC - 15%, Co - 6%, ostatak, 79%, - WC. Tvrdoća legura TK zbog unošenja tvrđeg titan karbida u punilo veća je od tvrdoće legura VK.Imaju i prednost u otpornosti na toplinu - 1000°C, ali im je čvrstoća manja s jednakim sadržajem kobalta. .
TTK legure (TT7K12, TT8K, TT20K9). Oznaka TTK legura je slična TK. Broj iza drugog slova T označava ukupni sadržaj TiC i TaC karbida.
Uz jednaku otpornost na toplinu (1000°C), TTK legure su superiornije od TK legura s istim sadržajem kobalta i po tvrdoći i po čvrstoći. Najveći učinak legiranja tantal karbidom očituje se pri cikličkim opterećenjima - vijek trajanja od udarnog zamora povećava se do 25 puta. Stoga se legure koje sadrže tantal uglavnom koriste za teške uvjete rezanja s velikim opterećenjima sile i temperature.
Legure TN, KNT. To su tvrde legure bez volframa (BVTS) temeljene na titanijevom karbidu i karbonitridu s vezom nikal-molibden umjesto kobaltne veze.
Što se tiče otpornosti na toplinu, BVTS su inferiorni od legura koje sadrže volfram; otpornost na toplinu BVTS ne prelazi 800 ° C. Njihova čvrstoća i modul elastičnosti također su manji. Toplinski kapacitet i toplinska vodljivost BVTS niži su od onih tradicionalnih legura.
Unatoč relativno niskoj cijeni, široka uporaba BVTS-a za proizvodnju alata za rezanje je problematična. Najprikladnije je koristiti legure bez volframa za izradu mjernih (krajnji blokovi, mjerači) i alata za crtanje.
Metalna matrica također se koristi za vezanje praškastog punila dijamanta i kubičnog bor nitrida, koji se zajednički nazivaju "supertvrdi materijali" (SHM). Kao alat za obradu koriste se kompozitni materijali punjeni STM-om.
Izbor matrice za punilo dijamantnog praha ograničen je niskom otpornošću dijamanta na toplinu. Matrica mora osigurati termokemijski režim pouzdanog vezivanja zrna dijamantnog punila, isključujući izgaranje ili grafitizaciju dijamanta. Kositrene bronce najčešće se koriste za lijepljenje dijamantnog punila. Veća otpornost na toplinu i kemijska inertnost borovog nitrida omogućuju upotrebu veziva na bazi željeza, kobalta i tvrdih legura.
Alat sa STM izrađen je uglavnom u obliku krugova, čija se obrada provodi brušenjem površine materijala koji se obrađuje rotirajućim krugom. Brusni kotači na bazi dijamanta i bor nitrida naširoko se koriste za oštrenje i završnu obradu alata za rezanje.
Kada se uspoređuju abrazivni alati na bazi dijamanta i bor nitrida, treba napomenuti da ove dvije skupine ne konkuriraju jedna drugoj, već imaju svoja područja racionalne primjene. To je određeno razlikama u njihovim fizikalno-mehaničkim i kemijskim svojstvima.
Prednosti dijamanta kao alatnog materijala u odnosu na bor nitrid uključuju činjenicu da je njegova toplinska vodljivost veća, a koeficijent toplinske ekspanzije manji. Međutim, odlučujući čimbenici su visoka difuznost dijamanta u odnosu na legure na bazi željeza - čelike i lijevano željezo, i, naprotiv, inertnost borovog nitrida na te materijale.
Pri visokim temperaturama opaža se aktivna difuzijska interakcija dijamanta s legurama na bazi željeza. Na temperaturama ispod
Primjenjivost dijamanta u zraku ima temperaturna ograničenja. Dijamant počinje oksidirati primjetnom brzinom na temperaturi od 400°C. Na višim temperaturama izgara uz oslobađanje ugljičnog dioksida. Također ograničava učinak dijamantnog alata u usporedbi s alatom temeljenim na kubičnom borovom nitridu. Značajna oksidacija bor nitrida na zraku uočena je tek nakon jednosatnog izlaganja na temperaturi od 1200°C.
Temperaturna granica djelovanja dijamanta u inertnom okruženju ograničena je njegovom transformacijom u termodinamički stabilan oblik ugljika – grafit, koji počinje zagrijavanjem na 1000°C.
Drugo opsežno područje primjene kermeta je njihova uporaba kao visokotemperaturnog strukturnog materijala za objekte nove tehnologije.
Uslužna svojstva praškastih kompozita s metalnom matricom određena su uglavnom svojstvima punila. Stoga je za praškaste kompozitne materijale s posebnim svojstvima najčešća klasifikacija prema primjeni.
