ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ТА КЛАСИФІКАЦІЯ
Традиційно застосовувані металеві та неметалеві матеріали значною мірою досягли своєї межі конструктивної міцності. Разом з тим розвиток сучасної техніки потребує створення матеріалів, що надійно працюють у складній комбінації силових та температурних полів, при впливі агресивних середовищ, випромінювань, глибокого вакууму та високих тисків. Найчастіше вимоги до матеріалів можуть носити суперечливий характер. Вирішення цієї задачі можна здійснити шляхом використання композиційних матеріалів.
Композиційним матеріалом(КМ) або композитом називають об'ємну гетерогенну систему, що складається з сильно різняться за властивостями, взаємно нерозчинних компонентів, будова якої дозволяє використовувати переваги кожного з них.
Принцип побудови КМ людина запозичив у природи. Типовими композиційними матеріалами є стовбури дерев, стебла рослин, кістки людини та тварин.
КМ дозволяють мати задане поєднання різнорідних властивостей: високої питомої міцності та жорсткості, жароміцності, зносостійкості, теплозахисних властивостей та ін. Спектр властивостей КМ неможливо отримати при використанні звичайних матеріалів. Їх застосування дозволяє створювати раніше недоступні, принципово нові конструкції.
Завдяки КМ став можливий новий якісний стрибок у збільшенні потужності двигунів, зменшенні маси машин та конструкцій та підвищенні вагової ефективності транспортних засобів та авіаційно-космічних апаратів.
Важливими характеристиками матеріалів, що працюють у цих умовах, є питома міцність у /ρ і питома жорсткість Е/ρ, де σ в - тимчасовий опір, Е- модуль нормальної пружності, ρ – густина матеріалу.
Високоміцні сплави, як правило, мають низьку пластичність, високу чутливість до концентраторів напруги та порівняно низький опір розвитку тріщин втоми. Хоча композиційні матеріали можуть мати також невисоку пластичність, вони значно менш чутливі до концентраторів напруг і краще опираються руйнуванню втоми. Це пояснюється різним механізмом утворення тріщин у високоміцних сталей і сплавів. У високоміцних сталях тріщина, досягнувши критичного розміру, надалі розвивається прогресуючим темпом.
У композиційних матеріалах діє інший механізм. Тріщина, рухаючись у матриці, зустрічає перешкоду межі розділу матриця-волокно. Волокна гальмують розвиток тріщин, і їхня присутність у пластичній матриці призводить до зростання в'язкості руйнування.
Таким чином, у композиційній системі поєднуються дві протилежні властивості, необхідні для конструкційних матеріалів - висока міцність за рахунок високоміцних волокон і достатня в'язкість руйнування завдяки пластичній матриці та механізму розсіювання енергії руйнування.
КМ складаються з порівняно пластичного матричного матеріалу-основи і твердіших і міцніших компонентів, що є наповнювачами. Властивості КМ залежать від властивостей основи, наповнювачів та міцності зв'язку між ними.
Матриця пов'язує композицію в моноліт, надає їй форми і служить передачі зовнішніх навантажень арматурі з наповнювачів. Залежно від матеріалу основи розрізняють КМ з металевою матрицею, або металеві композиційні матеріали (МКМ), з полімерної - полімерні композиційні матеріали (ПКМ) та з керамічної - керамічні композиційні матеріали (ККМ).
Провідну роль у зміцненні КМ грають наповнювачі, які часто називають зміцнювачами. Вони мають високу міцність, твердість та модуль пружності. За типом зміцнюючих наповнювачів КМ поділяють на дисперснозміцнені,волокнистіі шаруваті(Рис. 28.2).
Рис. 28.2.Схеми будови композиційних матеріалів: а) дисперснозміцнені; б) волокнисті; в) шаруваті
У дисперснозміцнені КМ штучно вводять дрібні, рівномірно розподілені тугоплавкі частинки карбідів, оксидів, нітридів та ін, що не взаємодіють з матрицею і не розчиняються в ній аж до температури плавлення фаз. Чим дрібніші частки наповнювача і менше відстань між ними, тим міцніше КМ. На відміну від волокнистих, дисперснозміцнених КМ основним несучим елементом є матриця. Ансамбль дисперсних частинок наповнювача зміцнює матеріал за рахунок опору руху дислокацій при навантаженні, що ускладнює пластичну деформацію. Ефективний опір руху дислокацій створюється аж до температури плавлення матриці, завдяки чому дисперснозміцнені КМ відрізняються високою жароміцністю та опором повзучості.
Арматурою у волокнистих КМ можуть бути волокна різної форми: нитки, стрічки, сітки різного плетіння. Армування волокнистих КМ може здійснюватися за одновісною, двовісною та тривісною схемою (рис. 28.3, а).
Міцність та жорсткість таких матеріалів визначається властивостями армуючих волокон, що сприймають основне навантаження. Армування дає більший приріст міцності, але дисперсне зміцнення технологічно легше можна здійснити.
Шаруваті композиційні матеріали (рис. 28.3, б) набираються з шарів наповнювача, що чергуються, і матричного матеріалу (типу «сендвіч»). Шари наповнювача таких КМ можуть мати різну орієнтацію. Можливе почергове використання шарів наповнювача з різних матеріалів із різними механічними властивостями. Для шаруватих композицій зазвичай використовують неметалеві матеріали.
Рис. 28.3.Схеми армування волокнистих ( а) та шаруватих ( б) композиційних матеріалів
ДИСПЕРСНОЗміцнені композиційні матеріали
При дисперсному зміцненні частки блокують ковзання в матриці. Ефективність зміцнення за умови мінімальної взаємодії з матрицею залежить від виду частинок, їх об'ємної концентрації, а також рівномірності розподілу в матриці. Застосовують дисперсні частинки тугоплавких фаз типу Al 2 O 3 SiO 2 BN, SiC, що мають малу щільність і високий модуль пружності. КМ зазвичай отримують методом порошкової металургії, важливою перевагою якого є ізотропність властивостей у різних напрямках.
У промисловості зазвичай застосовують дисперснозміцнені КМ на алюмінієвій та, рідше, нікелевій основах. Характерними представниками цього виду композиційних матеріалів є матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які складаються з алюмінієвої матриці, яка зміцнена дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у кульових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додатковому термічному обробленню.
Сплави типу САП задовільно деформуються у гарячому стані, а сплави з 6–9 % Al 2 O 3 - та за кімнатної температури. З них холодним волочінням можна отримати фольгу завтовшки до 0,03 мм. Ці матеріали добре обробляються різанням і мають високу корозійну стійкість.
Марки САП, застосовувані у Росії, містять 6–23 % Al 2 O 3 . Розрізняють САП-1 із вмістом 6–9, САП-2 – з 9–13, САП-3 – з 13–18 % Al 2 O 3 . Зі збільшенням об'ємної концентрації оксиду алюмінію зростає міцність композиційних матеріалів. При кімнатній температурі характеристики міцності САП-1 такі: у = 280 МПа, 0,2 = 220 МПа; САП-3 такі: у = 420 МПа, 0,2 = 340 МПа.
Матеріали типу САП мають високу жароміцність і перевершують всі деформовані алюмінієві сплави. Навіть при температурі 500 °С їх у не менше 60–110 МПа. Жароміцність пояснюється гальмуючим дією дисперсних частинок на процес рекристалізації. Показники міцності сплавів типу САП дуже стабільні. Випробування тривалої міцності сплавів типу САП-3 протягом 2 років практично не вплинули на рівень властивостей при кімнатній температурі, так і при нагріванні до 500 °С. При 400 °С міцність САП в 5 разів вища за міцність старіючих алюмінієвих сплавів.
Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300–500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.
Методом порошкової металургії одержують КМ з використанням дисперсних частинок карбіду кремнію SiC. Хімічна сполука SiC має низку позитивних властивостей: високу температуру плавлення (понад 2650 °С), високу міцність (близько 2000 МПа) і модуль пружності (» 450 ГПа), малу щільність (3200 кг/м 3 ) і хорошу корозійну стійкість. Випуск абразивних порошків кремнію освоєно промисловістю.
Порошки алюмінієвого сплаву і SiC змішують, піддають попередньому компактування під невеликим тиском, потім гарячого пресування сталевих контейнерах у вакуумі при температурі плавлення матричного сплаву, тобто в твердо-рідкому стані. Отриману заготовку піддають вторинної деформації з метою отримання напівфабрикатів необхідної форми та розміру: листів, прутків, профілів та ін.
38.1. Класифікація
Композиційні матеріали - це матеріали, армовані наповнювачами, які певним чином розташовані в матриці Наповнювачами найчастіше є речовини з високою енергією міжатомних зв'язків, високоміцні і високомодульні, проте в поєднанні з крихкими матрицями можуть бути застосовані і високопластичні наповнювачі
Сполучні компоненти, або матриці, композиційних матеріалах можуть бути різними - полімерними, керамічними, металевими або змішаними. В останньому випадку говорять про поліматричні композиційні матеріали.
За морфологією армуючих фаз композиційні матеріали поділяють на:
нульмерні (позначення: 0,) або зміцнені частинками різної дисперсності, безладно розподіленими в матриці;
одномірні волокнисті (позначення: 1), або зміцнені односпрямованими безперервними або дискретними волокнами;
двомірні шаруваті (позначення: 2), що містять однаково орієнтовані зміцнюючі ламелі або шари (рис. 38.1).
Анізотропія композиційних матеріалів, що «проектується» заздалегідь з метою використання її у відповідних конструкціях, називається конструкційною .
За розміром армуючих фаз або розміром осередку армування композиційні матеріали поділяють таким чином:
субмікрокомпозити (розмір осередку армування, діаметр волокон або частинок<С 1 мкм), например, дисперсноупрочненные сплавы или волокнистые композиционные материалы с очень тонкими волокнами:
мікрокомпозити (розмір осередку армування, діаметр волокон, частинок або товщина шарів 1 мкм), наприклад матеріали, армовані частинками, волокнами вуглецю, карбіду кремнію, бору і т д., односпрямовані евтектичні сплави;
макрокомпозити (діаметр або товщина армуючих компонентів -100 мкм), наприклад деталі з мідних або алюмінієвих сплавів, армовані вольфрамовим або сталевим дротом або фольгою. Макрокомпозити найчастіше застосовують підвищення зносостійкості деталей тертя у технологічному оснащенні.
38.2. Міжфазна взаємодія у композиційних матеріалах
38.2.1. Фізико-хімічна та термомеханічна сумісність компонентів
Поєднання в одному матеріалі речовин, що істотно відрізняються за хімічним складом та фізичними властивостями, висуває на перший план при розробці, виготовленні та поєднанні композиційних матеріалів проблему термодинамічної та кінетичної сумісності компонентів. Під гермо
динамічною сумісністю розуміють здатність матриці та армуючих наповнювачів перебувати у стані термодинамічної рівноваги необмежений час при температурах отримання та експлуатації. Багато штучно створені композиційні матеріали термодинамічно несумісні. Виняток становлять лише кілька металевих систем (Сі-W, Сі-Мо, Ag-W), де немає хімічної та дифузійної взаємодії між фазами прн необмеженому часі їх контакту.
Кінетична сумісність - здатність компонентів композиційних матеріалів зберігати метастабільну рівновагу у певних температурно-часових інтервалах. Проблема кінетичної сумісності має два аспекти: 1) фізико-хімічний - забезпечення міцного зв'язку між компонентами та обмеження на поверхнях розділу процесів розчинення, гетеро- та реакційної дифузії, які ведуть до утворення крихких продуктів взаємодії та деградації міцності армуючих фаз та композиційного матеріалу в цілому; 2) термомеханічний-досягнення сприятливого розподілу внутрішніх напруг термічного та механічного походження та зниження їх рівня; забезпечення раціонального співвідношення між деформаційним зміцненням матриці та її здатністю до релаксації напруг, що запобігає перевантаженню та передчасному руйнуванню зміцнювальних фаз.
Існують такі можливості покращення фізико-хімічної сумісності металевих матриць з армуючими наповнювачами:
I. Розробка нових видів армуючих наповнювачів, стійких у контакті про метал матриць при високих температурах, наприклад керамічних волокон, ниткоподібних кристалів і дисперсних частинок з карбідів кремнію, титану, цирконію, бору, оксидів алюмінію, цирконію, нітридів кремнію, бору та ін.
II Нанесення бар'єрних покриттів на армуючі наповнювачі, наприклад, покриттів з тугоплавких металів, карбідів титану, гафнію, бору, нітридів титану, бору, оксидів ітрію на волокна вуглецю, бору, карбіду кремнію. Деякі бар'єрні покриття на волокнах, переважно металеві, є засобом поліпшення змочування волокон матричними розплавами, що особливо важливо при отриманні композиційних матеріалів рідкофазними методами. Такі покриття часто називають технологічними.
Не менш важливим є виявлений при нанесенні технологічних покриттів ефект пластифікування, що проявляється у стабілізації і навіть підвищенні міцності волокон (наприклад, при алітуванні бору бору протягуванням через ванну з розплавом або при нікелюванні волокон вуглецю з подальшою термічною обробкою).
ІІІ. Застосування у композиційних матеріалах металевих матриць, легованих елементами з більшим спорідненістю до армуючого наповнювача, ніж метал матриці, або поверхнево-активними добавками. Зміна хімічного складу меж розділу, що відбувається при цьому, повинна перешкоджати розвитку міжфазної взаємодії Легування матричних сплавів поверхнево-активними або карбідоутворюючими добавками, так само як і нанесення технологічних покриттів на волокна, може сприяти поліпшенню змочуваності металевими розплавами армуючого наповнювача.
IV. Легування матриці елементами, що підвищують хімічний потенціал армуючого наповнювача в матричному сплаві, або добавками армуючого матеріалу наповнювача до концентрацій насичення при температурах отримання илн експлуатації композиційного матеріалу. Таке легування перешкоджає розчиненню армуючої фази, тобто підвищує термічну стабільність композиції.
V. Створення «штучних» композиційних матеріалів типу «природних» евтектичних композицій шляхом вибору відповідного складу компонентів.
VI. Вибір оптимальних тривалостей контактування компонентів при тому чи іншому процесі одержання композиційних матеріалів або в умовах їхньої служби, тобто з урахуванням температурно-силових факторів. Тривалість контактування, з одного боку, має бути достатньою виникнення міцних адгезійних зв'язків між компонентами; з іншого боку, не приводити до інтенсивної хімічної взаємодії, утворення крихких проміжних фаз та зниження міцності композиційного матеріалу.
Термомеханічну сумісність компонентів у композиційних матеріалах забезпечують:
вибором матричних сплавів та наповнювачів з мінімальною відмінністю в модулях пружності, коефіцієнтах Пуассона, коефіцієнтах термічного розширення;
застосуванням проміжних шарів і покриттів іа армуючих фазах, що зменшують відмінності у фізичних властивостях матриці та фаз;
переходом від армування компонентом одного виду до поліармування - іію, тобто поєднання в одному композиційному матеріалі зміцнювальних волокон, частинок або шарів, що відрізняються за складом та фізичними властивостями;
зміною геометрії деталей, схеми та масштабу армування; морфології, розміру та об'ємної частки армуючих фаз; заміною безперервного наповнювача дискретним;
вибором способів та режимів виробництва композиційного матеріалу, що забезпечують заданий рівень міцності зв'язку його компонентів.
38.2.2. Армують наповнювачі
Для армування металевих матриць застосовують високоміцні, високомодульні наповнювачі - безперервні та дискретні металеві, неметалеві та керамічні волокна, короткі волокна та частинки, ниткоподібні кристали (табл. 38.1).
Вуглецеві волокна є одним з найбільш освоєних у виробництві перспективних армуючих матеріалів. Важлива перевага вуглецевих волокон - їх низька питома вага, теплопровідність близька до металів (Я = 83,7 Вт/(м-К)), відносно низька вартість.
Волокна поставляють у вигляді рівних або закручених міогофіламентних джгутів, тканин або стрічок з них. Залежно від типу вихідної сировини діаметр філаментів змінюється від 2 до 10 мкм, кількість філамеїтів у джгуті – від сотень до десятка тисяч штук.
Вуглецеві волокна мають високу хімічну стійкість в атмосферних умовах і мінеральних кислотах. Термостійкість волокон невисока: температура тривалої експлуатації повітря не перевищує 300-400 °З. Для підвищення хімічної стійкості в контакті з металами на поверхню волокон наносять бар'єрні покриття з боридів титану та цирконію, карбідів титану, цирконію, кремнію, тугоплавких металів.
Борні волокна отримують осадженням бору з газової суміші водню і трихлористого бору іа вольфрамовий дріт або вуглецеві моноволокна, що нагрівається до температури 1100-1200 °С. При нагріванні на повітрі волокна бору починають окислюватися при температурах 300-350 °С, при 600-800 °С повністю втрачають міцність. Активна взаємодія з більшістю металів (Al, Mg, Ті, Fe, Ni) починається за температури 400-600 °С. Для підвищення термостійкості на волокна бору наносять газофазним способом тонкі шари (2-6 мкм) карбіду кремнію (SiC/B/W), карбіду бору (B4C/B/W), нітриду бору (BN/B/W)
Волокна карбіду кремнію діаметром 100-200 мкм виробляють осадженням при 1300 °З парогазової суміші чотирихлористого кремнію і метану, розведеної воднем у співвідношенні 1:2: 10, іа вольфрамовий дріт
|
Волокна вуглецеві
|
|
ТАБЛИЦЯ 38.2 СПЛАВИ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ В ЯКОСТІ МАТРИЧНИХ У КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛАХ
|
або пекові моїоволокна вуглецю. Найкращі зразки волокон мають міцність 3000-4000 МПа при 1100 °С.
Волокна карбіду кремнію безкернові у вигляді багатофіламеїтних джгутів, отримані з рідких органосиланів шляхом витягування та піролізу, складаються з надтонких кристалів f)-SiC.
Металеві волокна випускають у вигляді дроту діаметром 0,13; 0,25 та 0,5 мм. Волокна із високоміцних сталей, сплавів берилію призначаються в основному для армування матриць з легких сплавів та титану. Волокна з тугоплавких металів, легованих ренієм, титаном, окисими і карбідними фазами, застосовують для зміцнення жароміцних і ікельхромних, титанових та інших сплавів.
Ниткоподібні кристали, що застосовуються для армування, можуть бути металевими або керамічними. Структура таких кристалів моно-кристалічна, діаметр зазвичай до 10 мкм при відношенні довжини до діаметру 20-100. за механізмом пар - рідина - кристал, піролізом, кристалізацією з насичених розчинів, віскеризацією
38.2.3. Матричні сплави
У металевих композиційних матеріалах застосовують переважно матриці з легких деформованих та ливарних сплавів алюмінію та магнію, а також зі сплавів міді, нікелю, кобальту, цинку, олова, свинцю, срібла; жароміцних нікель-хромистих, титанових, цирконієвих, ванадієвих сплавів; сплавів тугоплавких металів хрому та ніобію (таблиця 38 2).
38.2.4. Типи зв'язку та структур поверхонь розділу у композиційних матеріалах
Залежно від матеріалу наповнювача та матриць, способів та режимів отримання поверхонь розділу композиційних матеріалів реалізуються шість видів зв'язку (табл. 38.3). Найбільш міцний зв'язок між компонентами в композиціях із металевими матрицями забезпечує хімічну взаємодію. Поширений вид зв'язку - змішаний, представлений твердими розчинами та інтерметалідними фазами (такі композиція, отримана пресуванням плазм.
38.3. Способи виробництва композиційних матеріалів
Технологія виробництва металевих композиційних матеріалів визначається конструкцією виробів, особливо якщо вони мають складну форму і вимагають підготовки місць з'єднань зварюванням, паянням, склеюванням або клепкою і, як правило, є багатоперехідною.
Елементною основою виробництва деталей або напівфабрикатів (листів, труб, профілів) з композиційних матеріалів найчастіше є так звані препреги, або стрічки з одним шаром армуючого наповнювача, просоченим або покритим матричними сплавами; просочені металом джгути волокон або індивідуальні волокна з покриттями з матричних сплавів.
|
ВИДИ ЗВ'ЯЗКУ ПО ПОВЕРХНІ РОЗДІЛУ У КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛАХ
|
Деталі та напівфабрикати отримують з'єднанням (компактуванням) вихідних препрегів методами просочення, гарячого пресування, прокатки або волочіння пакетів з препрегів. Іноді і препреги, і вироби з композиційних матеріалів виготовляють одними і тими ж способами, наприклад по порошковій або ливарній технології, при різних режимах і на різній технологічній осіастці.
Способи отримання препрегів, напівфабрикатів і виробів з композиційних матеріалів з металевими матрицями можна розділити на п'ять основних груп: 1) парогазофазії; 2) хімічні та електрохімічні; 3) рідкофазії; 4) твердофазні; 5) твердорідкофазні.
38.4. Властивості композиційних матеріалів із металевою матрицею
Композиційні матеріали з металевими матрицями мають ряд незаперечних переваг перед іншими конструкційними матеріалами, предиазначеиими для роботи в екстремальних умовах. До цих переваг відносяться: високі міцність та. жорсткість у поєднанні з високою в'язкістю руйнування; високі питомі міцність та жорсткість (відношення межі міцності та модуля пружності до питомої ваги а/у та Е/у); високу межу втоми; висока жароміцність; мала чутливість до теплових ударів, до поверхневих дефектів, високі демпфуючі властивості, електро- та теплопровідність, технологічність при конструюванні, обробці та з'єднанні (табл. 384).
|
КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ З МЕТАЛЕВИМИ МАТРИЦЯМИ ПОРІВНЯННЯ З КРАЩИМИ МЕТАЛІЧНИМИ КОНСТРУКЦІЙНИМИ МАТЕРІАЛАМИ |
|
ТАБЛИЦЯ 385 |
|
МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ З МЕТАЛЕВИМИ МАТРИЦЯМИ
|
За відсутності спеціальних вимог до матеріалів теплопровідності, електропровідності, холодостійкості та інших властивостей температурні інтервали роботи композиційних матеріалів визначають наступним чином:<250 °С - для материалов с полимерными матрицами; >1000 °С – для матеріалів з керамічними матрицями; композиційні матеріали з металевими матрицями перекривають його межі
Характеристики міцності деяких композиційних матеріалів наведені в табл 38 5.
Основні види з'єднання композиційних матеріалів сьогодні - болтові, клепані, клейові, з'єднання пайкою і зварюванням і комбіновані З'єднання пайкою і зварюванням особливо перспективні, оскільки відкривають можливість найбільш повно реалізувати унікальні властивості композиційного матеріалу в конструкції, проте їх здійснення представляє складне наукове та технічне завдання багатьох випадках ще не вийшло зі стадії експерименту
38.5. Проблеми зварюваності композиційних матеріалів
Якщо під зварюваністю розуміти здатність матеріалу утворювати зварні з'єднання, що не поступаються йому за своїми властивостями, то композиційні матеріали з металевими матрицями, особливо волокнисті, слід віднести до матеріалів, що важко зварюються. До того є кілька причин.
I. Методи зварювання та паяння припускають з'єднання композиційних матеріалів за металевою матрицею. Армуючий наповнювач у зварному або паяному шві або повністю відсутній (наприклад, у стикових швах, розташованих упоперек напрямку армування у волокнистих або шаруватих композиційних матеріалах), або присутній у зменшеній об'ємній частці (при зварюванні дисперсно-зміцнених матеріалів дротом, що містить дискретну армуючу фазу або відбувається порушення безперервності та спрямованості армування (наприклад, при дифузійному зварюванні волокнистих композицій упоперек напрямку армування). Отже, зварний або паяний шов є ослабленою ділянкою конструкції з композиційного матеріалу, що вимагає обліку при конструюванні та підготовці місця з'єднання під зварювання. У літературі є пропозиції щодо автономного зварювання компонентів композиції для збереження безперервності армування (наприклад, зварювання тиском вольфрамових волокон у композиції вольфрам - мідь), проте автономне зварювання встик волокнистих композиційних матеріалів вимагає спеціальної підготовки кромок, суворого дотримання кроку армування і придатна лише для металевими волокнами. Інша пропозиція полягає у підготовці стикових з'єднань з перекриттям волокон на довжині більше критичної, проте при цьому виникають труднощі із заповненням стику матричним матеріалом та забезпеченням міцного зв'язку по межі волокно-матриця.
ІІ. Вплив зварювального нагріву на розвиток фізико-хімічної взаємодії в композиційному матеріалі зручно розглянути на прикладі сполуки, що утворюється при проплавленні дугою волокнистого матеріалу впоперек напряму армування (рис. 38.2). Якщо метал матриці не має поліморфізму (наприклад, Al, Mg, Cu, Ni та ін.), то в поєднанні можна виділити 4 основні зони: 1 - зона, що нагрівається до температури повернення матриці (за аналогією зі зварюванням однорідних матеріалів назвемо цю ділянку основною матеріалом); 2 - зона, обмежена температурами повернення та рекристалізації металу матриці (зона повернення); 3- зона,
обмежена температурами рекристалізації та плавлення матриці (зона рекристалізації); 4 - зона нагріву вище за температуру плавлення матриці (назвемо цю зону зварним швом). Якщо матрицею в композиційному матеріалі є сплави Ті, Zr, Fe та інших металів, що мають поліморфні перетворення, то в зоні 3 з'являться підзони з повною або частковою фазовою перекристалізацією матриці, для цього розгляду цей момент несуттєвий.
Зміни властивостей композиційного матеріалу починаються в зоні 2. Тут процеси повернення знімають деформаційне зміцнення матриці, досягнуте при твердофазному компактуванні композиційного матеріалу (у композиціях, отриманих рідкофазними методами, розміцнення в цій зоні не спостерігається).
У зоні 3 відбувається рекристалізація та зростання зерен металу матриці. Внаслідок дифузійної рухливості атомів матриці стає можливим подальший розвиток міжфазної взаємодії, початок якому було покладено у процесах виробництва композиційного матеріалу, збільшується товщина крихких прошарків та погіршуються властивості композиційного матеріалу в цілому. При зварюванні плавленням матерія
лов, отриманих методами твердофазного компактування порошків або препрегів з порошковою або напиленою матрицею, можлива пористість по межі сплавлення і межфазним меж, що примикають до неї, що погіршує не тільки міцнісні властивості, але і герметичність зварного з'єднання.
У зоні 4 (зварному шві) можна виділити 3 ділянки:
Ділянка 4", що примикає до осі шва, де через сильне перегрівання під дугою металевого матричного розплаву і найбільшої тривалості перебування металу в розплавленому стані відбувається повне розчинення армуючої фази;
Ділянка 4", що характеризується нижчою температурою нагріву розплаву і меншою тривалістю контактування армуючої фази з розплавом. Тут ця фаза лише частково розчиняється в розплаві (наприклад, зменшується діаметр волокон, на їх поверхні з'являються раковини; порушується односпрямованість армування);
Ділянка 4"", де помітної зміни розмірів армуючої фази не відбувається, але розвивається інтенсивна взаємодія з розплавом, утворюються прошарки або острівці крихких продуктів взаємодії, знижується міцність армуючої фази. У результаті зона 4 стає зоною максимального пошкодження композиційного матеріалу під час зварювання.
ІІІ. Через відмінності в тепловому розширенні матеріалу матриці та армуючої фази в зварних з'єднаннях композиційних матеріалів виникають додаткові термопружні напруги, що викликають утворення різних дефектів: розтріскування, руйнування крихких армуючих фаз у найбільш нагрітій зоні 4 з'єднання, розшарування по міжфазних кордонах в зоні 3.
Для забезпечення високих властивостей зварювальних сполук композиційних матеріалів рекомендується наступне.
По-перше, з відомих методів з'єднання слід віддати перевагу методам зварювання в твердій фазі, при яких внаслідок меншої енергії, що підводиться, можна досягти мінімальної деградації властивостей компонентів у зоні з'єднання.
По-друге, режими зварювання тиском повинні бути обрані так, щоб унеможливити зміщення або дроблення армуючого компонента.
По-третє, при зварюванні плавленням композиційних матеріалів слід вибирати способи та режими, що забезпечують мінімальне теплопокладання в зону з'єднання.
По-четверте, зварювання плавленням слід рекомендувати для з'єднання композиційних матеріалів з термодинамічно сумісними компонентами, такими, як мідь - вольфрам, мідь - молібден, срібло - вольфрам, або армованих термостійкими наповнювачами, наприклад волокнами карбіду кремнію, або наповнювачами з бар'єрними покриттями бору з покриттям карбіду бору або карбіду кремнію.
По-п'яте, електродний або присадковий матеріал або матеріал проміжних прокладок для зварювання плавленням або паяння повинен містити легуючі добавки, що обмежують розчинення армуючого компонента та утворення крихких продуктів міжфазної взаємодії в процесі зварювання та при подальшій експлуатації зварних вузлів.
38.5.1. Зварювання композиційних матеріалів
Волокнисті та шаруваті композиційні матеріали найчастіше з'єднують внахлестку. Відношення довжини перекриття до товщини матеріалу зазвичай перевищує 20. Такі сполуки можуть бути додатково посилені заклепочними або болтовими сполуками. Поряд з нахлесточными з'єднаннями можливе виконання стикових і кутових зварних з'єднань у напрямку армування і, рідше, поперек напряму армування. У першому випадку при правильному виборі способів та режимів зварювання або паяння можливе досягнення рівноміцності з'єднання; у другому випадку міцність з'єднання зазвичай не перевищує міцності матричного матеріалу.
Композиційні матеріали, армовані частинками, короткими волокнами, ниткоподібними кристалами, зварюють з використанням тих же прийомів, що і дисперсійно-твердіють сплави або порошкові матеріали. Рівноміцність зварних з'єднань основного матеріалу в цьому випадку може бути досягнута за умови, якщо композиційний матеріал виготовлений методами рідкофазної технології, армований термостійкими наповнювачами та при виборі відповідних режимів зварювання та зварювальних матеріалів. У ряді випадків електродний або присадковий матеріал може бути аналогічним або близьким по композиції основного матеріалу.
38.5.2. Дугове зварювання в середовищі захисних газів
Метод використовують для зварювання плавленням композиційних матеріалів з матрицею з хімічно активних металів та сплавів (алюмінію, магнію, титану, нікелю, хрому). Зварювання здійснюють електродом, що не плавиться, в атмосфері аргону або суміші з гелієм. Для регулювання теплового впливу зварювання на матеріали доцільно застосування імпульсної дуги, стиснутої або трифазної дуги.
Для підвищення міцності з'єднань рекомендують виконувати шви композиційними електродами або дротом присадочними з об'ємним вмістом армуючої фази 15-20%. Як армуючі фази застосовують короткі волокна бору, сапфіру, нітриду або карбіду кремнію.
38.5.3. Електронно-променеве зварювання
Переваги методу - у відсутності окислення розплавленого металу та армуючого наповнювача, вакуумної дегазації металу в зоні зварювання, високої концентрації енергії в пучку, що дозволяє отримати з'єднання з мінімальною шириною зони плавлення та навколошовної зони. Остання перевага особливо важлива при виконанні сполук волокнистих композиційних матеріалів у напрямку армування. При спеціальній підготовці з'єднань можливе зварювання з використанням присадних проставок.
38.5.4. Контактне точкове зварювання
Наявність армуючої фази в композиційному матеріалі знижує його тепло- та електропровідність порівняно з матеріалом матриці та перешкоджає формуванню литого ядра. Задовільні результати отримані при точковому зварюванні тонколистових композиційних матеріалів з шарами, що плакують. При зварюванні листів різної товщини або композиційних листів з однорідними металевими листами для того, щоб вивести ядро зварної точки в площину зіткнення листів і збалансувати різницю в електропровідності матеріалу, підбирають електроди з різною провідністю, з обтисканням периферійної зони, змінюють діаметр і радіус закруглення електродів плакуючого шару, застосовують додаткові прокладки.
Середня міцність зварної точки при зварюванні одноосноармованих борів алюмінієвих пластин товщиною 0,5 мм (з об'ємною часткою волокон 50%) становить 90% від міцності бору - люмінію еквівалентного перерізу. Міцність з'єднання листів боралюмінію з перехресним армуванням вища, ніж листів з одновісним армуванням.
38.5.5. Дифузійне зварювання
Процес проводять за високого тиску без використання припою. Так, деталі з боралюмінію, що підлягають з'єднанню, нагрівають у герметичній реторті до температури 480 °З тиску до 20 МПа і витримують в цих умовах протягом 30-90 хвилин. Технологічний процес дифузійного точкового зварювання опором боралюмінію з титаном майже не відрізняється від точкового зварювання плавленням. Різниця в тому, що режим зварювання і форма електродів підібрані так, щоб температура нагрівання алюмінієвої матриці була близька до температури плавлення, але нижче за неї. У результаті контакту утворюється дифузійна зона товщиною від 0,13 до 0,25 мкм.
Зразки, зварені внахлестку дифузним точковим зварюванням, при випробуванні на розтягування в інтервалі температур 20-120 °С руйнуються по основному матеріалу з виривом вздовж волокон. При температурі 315 °Зразки руйнуються зсувом за місцем з'єднання.
38.5.6. Клінопресове зварювання
Для з'єднання закінчень зі звичайних конструкційних сплавів з трубами або корпусами з композиційних матеріалів розроблено спосіб зварювання різнорідних металів, що різко відрізняються за твердістю, який можна назвати мікроклінопресовим. Тиск впресування отримують за рахунок термічних напруг, що виникають при нагріванні оправки та обойми пристосування для термокомпресійного зварювання, виконаних з матеріалів з різними коефіцієнтами термічного розширення (К. ТР). Елементи закінчування, на контактну поверхню яких нанесено клинове різьблення, збирають із трубою з композиційного матеріалу, а також з оправкою та обоймою. Зібраний пристрій нагрівають у захисному середовищі до температури 0,7-0,9 від температури плавлення найбільш легкоплавкого металу. Оправлення пристрою має більший КТР, ніж обойма. У процесі нагрівання відстань між робочими поверхнями оправки та обойми скорочується, і виступи («клинья») різьблення на закінченні впресовуються в шари плакувальної труби. Міцність твердофазного з'єднання не нижче міцності матричного або плакувального металу.
38.5.7. Зварювання вибухом
Зварювання вибухом застосовують для з'єднання листів, профілів і труб з металевих композиційних матеріалів, армованих металевими волокнами або шарами, що мають досить високі пластичні властивості, щоб уникнути подрібнення армуючої фази, а також для з'єднання композиційних матеріалів з закоюванням з різних металів і сплавів. Міцність з'єднань зазвичай дорівнює або навіть вище (за рахунок деформаційного зміцнення) міцності найменш міцного матричного матеріалу, що застосовується в деталях, що з'єднуються. Для підвищення міцності з'єднань застосовують проміжні прокладки інших матеріалів.
У з'єднаннях зазвичай відсутні пори чи тріщини. Оплавлені ділянки в перехідній зоні, особливо під час вибуху різнорідних металів, являють собою суміші фаз евтектичного типу.
38.6. Пайка композиційних матеріалів
Процеси паяння дуже перспективні для з'єднання композиційних матеріалів, оскільки можуть здійснюватися при температурах, що не впливають на армуючий наповнювач і не викликають розвитку міжфазної взаємодії.
Паяння виконується звичайними технічними прийомами, тобто зануренням у припій або печі. Дуже важливим є питання якості підготовки поверхні під паяння. З'єднання, виконані твердими припоями із застосуванням флюсів, схильні до корозії, тому флюс повинен бути повністю видалений із зони з'єднання.
Паяння твердими та м'якими припоями
Розроблено кілька варіантів паяння боралюмінію. Випробовано припої для низькотемпературного паяння. Припої складу 55% Cd-45% Ag, 95% Cd-5% Ag, 82,5% Cd-17,5% Zn рекомендуються для деталей, що працюють при температурах не вище 90 °С; припій складу 95% Zn – 5% Al – для робочих температур до 315 °С. Для поліпшення змочування і розтікання припою на поверхні, що з'єднуються, наносять шар нікелю товщиною 50 мкм. Високотемпературну пайку виробляють з використанням евтектичних припоїв системи алюміній – кремній при температурах 575-615 °С. Час паяння має бути зведений до мінімуму через небезпеку деградації міцності борних волокон.
Основні труднощі при пайці вуглеалюмінієвих композицій між собою, так і з алюмінієвими сплавами пов'язані з поганою змочуваністю вуглеалюмінію припоями. Кращими припоями є сплав 718 (А1-12% Si) або шари фольги, що чергуються зі сплаву 6061. Пайку виробляють в печі в атмосфері аргону при температурі 590 °С протягом 5- 10 хв. Для з'єднання боралюмінію та вуглеалюмінію з титаном можуть бути застосовані припої системи алюміній - кремній-магній. Для підвищення міцності з'єднання рекомендують на поверхню титану наносити шар нікелю.
Евтектична дифузійна паяння. Метод полягає в нанесенні на поверхню деталей, що зварюються тонкого шару другого металу, що утворює евтектику з металом матриці. Для матриць зі сплавів алюмінію використовують шари Ag, Си, Mg, Ge, Zn, температура евтектики яких з алюмінієм відповідно 566, 547, 438, 424 і 382 °С. В результаті дифузійного процесу концентрація другого елемента в зоні контакту поступово знижується, температура плавлення з'єднання підвищується, наближаючись до температури плавлення матриці. Таким чином, паяні з'єднання можуть працювати при температурах, що перевищують температуру панки.
При дифузійній пайці боралюмінію поверхні деталей, що з'єднуються, покривають сріблом і міддю, потім стискають і витримують під тиском до 7 МПа при температурі 510-565 °С в сталевій реторті у вакуумі або інертній атмосфері.
До цього виду композиційних матеріалів відносяться матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра), які є алюмінієм, зміцненим дисперсними частинками оксиду алюмінію. Алюмінієвий порошок отримують розпиленням розплавленого металу з подальшим подрібненням у кульових млинах до розміру близько 1 мкм у присутності кисню. Зі збільшенням тривалості помелу пудра стає дрібнішим і в ній підвищується вміст оксиду алюмінію. Подальша технологія виробництва виробів та напівфабрикатів із САП включає холодне пресування, попереднє спікання, гаряче пресування, прокатку або видавлювання спеченої алюмінієвої заготівлі у формі готових виробів, які можна піддавати додатковому термічному обробленню.
Сплави типу САП застосовують в авіаційній техніці для виготовлення деталей з високою питомою міцністю та корозійною стійкістю, що працюють за температур до 300 - 500 °С. З них виготовляють штоки поршнів, лопатки компресорів, оболонки тепловиділяючих елементів та труби теплообмінників.
Армування алюмінію та його сплавів сталевим дротом підвищує їхню міцність, збільшує модуль пружності, опір втоми та розширює температурний інтервал служби матеріалу.
Армування короткими волокнами проводять методами порошкової металургії, що складаються з пресування з подальшою гідроекструзією або прокатування заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу сендвіч, що складаються з шарів алюмінієвої фольги і волокон, що чергуються, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання.
Дуже перспективним матеріалом є композиція алюміній-берилієвий дріт, в якій реалізуються високі фізико-механічні властивості берилієвої арматури і, в першу чергу, її низька щільність і висока питома жорсткість. Отримують композиції з берилієвим дротом дифузійним зварюванням пакетів з шарів берилієвого дроту і матричних листів. З алюмінієвих сплавів, армованих сталевим і берилієвим дротом, виготовляють корпусні деталі ракет і паливні баки.
У композиції «алюміній – вуглецеві волокна» поєднання низької щільності арматури та матриці дозволяє створити композиційні матеріали з високою питомою міцністю та жорсткістю. Недоліком вуглецевих волокон є їхня крихкість і висока реакційна здатність. Композицію алюміній - вуглець одержують просоченням вуглецевих волокон рідким металом або методами порошкової металургії. Технологічно найбільш просто можна здійснити протягування пучків вуглецевих волокон через розплав алюмінію.
Композит алюміній-вуглець застосовують у конструкціях паливних баків сучасних винищувачів. Завдяки високій питомій міцності та жорсткості матеріалу маса паливних баків зменшується на 30 %. Цей матеріал використовують для виготовлення лопаток турбін авіаційних газотурбінних двигунів.
Композиційні матеріали з неметалевою матрицею
Композиційні матеріали з неметалевою матрицею знайшли широке застосування у промисловості. В якості неметалевих матриць використовують полімерні, вуглецеві та керамічні матеріали. З полімерних матриць найбільшого поширення набули епоксидна, фенолоформальдегідна, поліамідна. Вугільні матриці коксовані або одержують із синтетичних полімерів, підданих піролізу (розкладання, розпад). Матриця пов'язує композицію, надаючи їй форму. Зміцнювачами служать волокна: скляні, вуглецеві, борні, органічні, на основі ниткоподібних кристалів (оксидів, карбідів, боридів, нітридів та ін), а також металеві (дроти), що мають високу міцність і жорсткість.
Властивості композиційних матеріалів залежать від складу компонентів, їх поєднання, кількісного співвідношення та міцності зв'язку між ними.
Зміст зміцнювача в орієнтованих матеріалах становить 60 - 80 об. %, у неорієнтованих (з дискретними волокнами та ниткоподібними кристалами) – 20 - 30 об. %. Чим вище міцність і модуль пружності волокон, тим вище міцність та жорсткість композиційного матеріалу. Властивості матриці визначають міцність композиції при зсуві та стиску та опір втомному руйнуванню.
На вигляд зміцнювача композиційні матеріали класифікують на скловолокніти, карбоволокніти з вуглецевими волокнами, бороволокніти і органоволокніти.
У шаруватих матеріалах волокна, нитки, стрічки, просочені сполучною, укладаються паралельно один одному в площині укладання. Площинні шари збираються у пластини. Властивості виходять анізотропними. Для роботи матеріалу у виробі важливо враховувати напрямок діючих навантажень. Можна створювати матеріали як із ізотропними, так і з анізотропними властивостями. Можна укладати волокна під різними кутами, варіюючи властивості композиційних матеріалів. Від порядку укладання шарів за товщиною пакета залежать згинальні та крутильні жорсткості матеріалу.
Застосовується укладання зміцнювачів із трьох, чотирьох і більше ниток (рис. 7). Найбільше застосування має структура із трьох взаємно перпендикулярних ниток. Зміцнювачі можуть розташовуватися в осьовому, радіальному та окружному напрямках.
Тривимірні матеріали можуть бути будь-якої товщини у вигляді блоків, циліндрів. Об'ємні тканини збільшують міцність на відрив і опір зсуву порівняно з шаруватими. Система з чотирьох ниток будується шляхом розташування зміцнювача по діагоналі куба. Структура з чотирьох ниток рівноважна, має підвищену жорсткість при зсуві головних площинах. Однак створення чотирьох спрямованих матеріалів складніше, ніж три спрямовані.
Рис. 7. Схема армування композиційних матеріалів: 1 - прямокутна, 2-гексагональна, 3 - косокутна, 4 - з викривленими волокнами, 5 - система з n ниток
Найбільш ефективними з точки зору використання в найжорсткіших умовах сухого тертя є антифрикційні матеріали на основі політетрафторетилену (ПТФЕ).
Для ПТФЕ характерний досить високий статичний коефіцієнт тертя, однак у процесі тертя ковзання на поверхні ПТФЕ утворюється дуже тонкий шар високоорієнтованого полімеру, що сприяє вирівнюванню статичного та динамічного коефіцієнтів тертя і плавному руху при ковзанні. При зміні напряму ковзання наявність орієнтованої поверхневої плівки викликає тимчасове збільшення коефіцієнта тертя, значення якого знову зменшується з переорієнтацією поверхневого шару. Така поведінка ПТФЕ при терті зумовила його широке застосування у промисловості, де переважно використовують не наповнений ПТФЕ для підшипників. У багатьох випадках підшипники, що не змащуються, повинні працювати при більш високих швидкостях тертя. При цьому для не наповненого ПТФЕ характерні високі значення коефіцієнта тертя та швидкості зносу. В якості матеріалів для підшипників, що не змащуються, що працюють в таких умовах, широке застосування знайшли композиційні матеріали, найчастіше на основі ПТФЕ.
Найбільш простим шляхом зменшення відносно високої швидкості зношування ПТФЕ при сухому терті є введення порошкоподібних наповнювачів. При цьому підвищується опір повзучості при стиску та спостерігається значне збільшення зносостійкості при сухому терті. Введення оптимальної кількості наповнювача дозволяє підвищити опір зношування до 10 4 разів.
Полімери та композиційні матеріали на їх основі мають унікальний комплекс фізико-механічних властивостей, завдяки яким вони успішно конкурують з традиційними конструкційними сталями та сплавами, а в ряді випадків без застосування полімерних матеріалів неможливо забезпечити необхідні функціональні характеристики та працездатність спеціальних виробів та машин. Висока технологічність і мала енергоємність технологій переробки пластмас у вироби разом із вище названими достоїнствами ПКМ роблять їх дуже перспективними матеріалами для деталей машин різного призначення.
Композитні матеріали із металевою матрицею.Для роботи при вищих температурах застосовують металеві матриці.
Металеві КМ мають ряд переваг перед полімерними. Крім більш високої робочої температури, вони характеризуються кращою ізотропією та більшою стабільністю властивостей у процесі експлуатації, вищою ерозійною стійкістю.
Пластичність металевих матриць повідомляє конструкції необхідну в'язкість. Це сприяє швидкому вирівнюванню локальних механічних навантажень.
Важливою перевагою металевих КМ є більш висока технологічність процесу виготовлення, формування, термообробки, формування з'єднань та покриттів.
Перевагою композиційних матеріалів на металевій основі є вищі значення характеристик, що залежать від властивостей матриці. Це насамперед тимчасовий опір і модуль пружності при розтягуванні в напрямку, перпендикулярному до осі армуючих волокон, міцність при стисканні та згинанні, пластичність, в'язкість руйнування. Крім того, композиційні матеріали з металевою матрицею зберігають свої характеристики міцності до більш високих температур, ніж матеріали з неметалічної основою. Вони більш вологостійкі, негорючі, мають електричну провідність. Висока електропровідність металевих КМ добре захищає їх від електромагнітного випромінювання, блискавки, знижує небезпеку статичної електрики. Висока теплопровідність металевих КМ оберігає від локальних перегрівів, що особливо важливо для таких виробів, як наконечники ракет та провідні кромки крил.
Найбільш перспективними матеріалами для матриць металевих композиційних матеріалів є метали, що мають невелику щільність (А1, Мg, Тi), і сплави на їх основі, а також нікель - широко застосовується в даний час як основний компонент жароміцних сплавів.
Композити одержують різними методами. До них відносяться просочення пучка волокон рідкими розплавами алюмінію та магнію, плазмове напилення, застосування методів гарячого пресування іноді з подальшою гідроекструзією або прокаткою заготовок. При армуванні безперервними волокнами композицій типу "сендвіч", що складаються з шарів алюмінієвої фольги і волокон, що чергуються, застосовують прокатку, гаряче пресування, зварювання вибухом, дифузійне зварювання. Виливок прутків і труб, армованих високоміцними волокнами, одержують із рідкометалевої фази. Пучок волокон безперервно проходить через ванну з розплавом і просочується під тиском рідким алюмінієм або магнієм. При виході з просочувальної ванни волокна з'єднуються і пропускаються через фільєру, що формує дротик або трубу. Цей метод забезпечує максимальне наповнення композиту волокнами (до 85%), їх однорідний розподіл у поперечному перерізі та безперервність процесу.
Матеріали із алюмінієвою матрицею.Матеріали з алюмінієвою матрицею в основному армують сталевим дротом (КАС), борним волокном (ВКА) та вуглецевим волокном (СКУ). Як матрицю використовують як технічний алюміній (наприклад, АД1), так і сплави (АМг6, В95, Д20 та ін).
Використання як матриця сплаву (наприклад, В95), що зміцнюється термообробкою (загартування та старіння), дає додатковий ефект зміцнення композиції. Однак у напрямку осі волокон він невеликий, тоді як у поперечному напрямку, де властивості визначаються переважно властивостями матриці, досягає 50%.
Найбільш дешевим, досить ефективним та доступним армуючим матеріалом є високоміцний сталевий дріт. Так, армування технічного алюмінію дротом із сталі ВНС9 діаметром 0,15 мм (σ = 3600 МПа) збільшує його міцність в 10-12 разів при об'ємному вмісті волокна 25% і в 14-15 разів при збільшенні вмісту до 40%, після чого тимчасове опір досягає відповідно 1000-1200 і 1450 МПа. Якщо для армування використовувати дріт меншого діаметра, тобто більшої міцності (в = 4200 МПа), тимчасовий опір композиційного матеріалу збільшиться до 1750 МПа. Таким чином, алюміній, армований сталевим дротом (25-40%), за основними властивостями значно перевищує високоміцні алюмінієві сплави і виходить на рівень відповідних властивостей титанових сплавів. При цьому густина композицій знаходиться в межах 3900-4800 кг/м 3 .
Зміцнення алюмінію та його сплавів дорожчими волокнами В, С, А1 2 Про е підвищує вартість композиційних матеріалів, але при цьому ефективніше покращуються деякі властивості: наприклад, при армуванні борними волокнами модуль пружності збільшується а 3-4 рази, вуглецеві волокна сприяють зниженню щільності. Бор мало розміцнюється з підвищенням температури, тому композиції, армовані борними волокнами, зберігають високу міцність до 400-500 ° С. Промислове застосування знайшов матеріал, що містить 50 об.% безперервних високоміцних та високомодульних волокон бору (ВКА-1). За модулем пружності та тимчасового опору в інтервалі температур 20-500°С він перевершує всі стандартні алюмінієві сплави, у тому числі високоміцні (В95), і сплави, спеціально призначені для роботи при високих температурах (АК4-1), що наочно представлено на рис. 13.35.Висока демпфуюча здатність матеріалу забезпечує віброміцність виготовлених з нього конструкцій. Щільність сплаву дорівнює 2650 кг/м 3 а питома міцність-45 км. Це значно вище, ніж у високоміцних сталей та титанових сплавів.
Розрахунки показали, що заміна сплаву В95 на титановий сплав при виготовленні лонжерону крила літака з підкріплюючими елементами з ВКА-1 збільшує його жорсткість на 45% і економію дає в масі близько 42%.
Композиційні матеріали на алюмінієвій основі, армовані вуглецевими волокнами (СКУ), дешевші та легші, ніж матеріали з борними волокнами. І хоча вони поступаються останнім за міцністю, мають близьку питому міцність (42 км). Однак виготовлення композиційних матеріалів з вуглецевим зміцнювачем пов'язане з великими технологічними труднощами внаслідок взаємодії вуглецю з металевими матрицями при нагріванні, що викликає зниження міцності матеріалу. Для усунення цього недоліку застосовують спеціальні покриття вуглецевих волокон.
Матеріали із магнієвою матрицею.Матеріали з магнієвою матрицею (ВКМ) характеризуються меншою щільністю (1800-2200 кг/м 3), ніж з алюмінієвою, приблизно такою ж високою міцністю 1000-1200 МПа і тому більш високою питомою міцністю. Магнієві сплави (МА2 та ін), що деформуються, армовані борним волокном (50 об. %), мають питому міцність > 50 км. Хороша сумісність магнію та його сплавів з борним волокном, з одного боку, дозволяє виготовляти деталі методом просочення практично без подальшої механічної обробки, з іншого – забезпечує великий ресурс роботи деталей за підвищених температур. Питома міцність цих матеріалів підвищується завдяки застосуванню як матриця сплавів, легованих легким літієм, а також в результаті використання легшого вуглецевого волокна. Але, як було зазначено раніше, введення вуглецевого волокна ускладнює технологію і так нетехнологічних сплавів. Як відомо, магній і його сплави мають низьку технологічну пластичність, схильність до утворення пухкої оксидної плівки.
Композиційні матеріали на основі титану.При створенні композиційних матеріалів на титановій основі зустрічаються труднощі, спричинені необхідністю нагрівання до високих температур. При високих температурах титанова матриця стає дуже активною; вона набуває здатності до газопоглинання, взаємодії з багатьма зміцнювачами: бором, карбідом кремнію, оксидом алюмінію та ін. У результаті утворюються реакційні зони, знижується міцність як самих волокон, так і композиційних матеріалів загалом. І, крім того, високі температури призводять до рекристалізації та розміцнення багатьох армуючих матеріалів, що знижує ефект зміцнення від армування. Тому для зміцнення матеріалів з титановою матрицею використовують дріт з берилію та керамічних волокон тугоплавких оксидів (А1 2 0 3), карбідів (SiС), а також тугоплавких металів, що мають великий модуль пружності і високу температуру рекристалізації (Мо, W). Причому метою армування є переважно підвищення і так високої питомої міцності, а збільшення модуля пружності і підвищення робочих температур. Механічні властивості титанового сплаву ВТ6 (6% А1, 4% V, решта А1), армованого волокнами Мо, Ве та SiС, представлені у табл. 13.9. Як видно з. таблиці найбільш ефективно питома жорсткість підвищується при армуванні волокнами карбіду кремнію.
Армування сплаву ВТ6 молібденовим дротом сприяє збереженню високих значень модуля пружності до 800 "С. Його величина при цій температурі відповідає 124 ГПа, тобто знижується на 33%, тоді як опір тимчасового розриву при цьому зменшується до 420 МПа, тобто. більш ніж 3 разу.
Композиційні матеріали на основі нікелю. Жароміцні КМ виготовляють на основі сплавів нікелю та кобальту, зміцнених керамічними (SiC, Si 3 Ni 4 , Al 2 O 3) та вуглецевими волокнами. Основне завдання під час створення композиційних матеріалів на нікелевій основі (ВКН) полягає у підвищенні робочих температур вище 1000 °С. І одним із найкращих металевих зміцнювачів, здатних забезпечити хороші показники міцності за таких високих температур, є вольфрамовий дріт. Введення вольфрамового дроту в кількості від 40 до 70 об.% сплав нікелю з хромом забезпечує міцність при 1100°С протягом 100 год відповідно 130 і 250 МПа, тоді як кращий неармований нікелевий сплав, призначений для роботи в аналогічних умовах, має міцність МПа. Використання для армування дроту із сплавів вольфраму з ренією або гафнієм збільшує цей показник на 30-50%.
Композиційні матеріали застосовують у багатьох галузях промисловості та насамперед в авіації, ракетній та космічній техніці, де особливо велике значення має зниження маси конструкцій при одночасному підвищенні міцності та жорсткості. Завдяки високим питомим характеристикам міцності та жорсткості їх використовують при виготовленні, наприклад, горизонтальних стабілізаторів та закрилків літаків, лопатей гвинтів та контейнерів вертольотів, корпусів та камер згоряння реактивних двигунів та ін. , збільшило корисне навантаження без зниження швидкості та дальності польоту
В даний час композиційні матеріали застосовують в енергетичному турбобудуванні (робочі та соплові лопатки турбіни), автомобілебудуванні (кузови автомобілів та рефрижераторів, деталі двигунів), машинобудуванні (корпуси та деталі машин), хімічній промисловості (автоклави, цистерни, ємності), суднобудуванні (корпусу човнів, катерів, гребні гвинти) та ін.
Особливі властивості композиційних матеріалів дозволяють використовувати їх як електроізоляційні матеріали (органоволокніти), радіопрозорі обтічники (скловолокніти), підшипники ковзання (карбоволокніти) та інші деталі.
Композитні матеріали із керамічною матрицею.Для найвищих робочих температур як матричний матеріал застосовують кераміку. Як керамічні матриці використовують силікатні (SiO 2), алюмосилікатні (Al 2 O 3 - SiO 2), алюмоборосилікатні (Al 2 O 3 - B 2 O 3 - SiO 2) матеріали, тугоплавкі оксиди алюмінію (Al 2 O 3), цирконію. (ZrO 2), берилію (BeO), нітрид кремнію (Si 3 N 4), бориди титану (TiB 2) та цирконію (ZrB 2), карбіди кремнію (SiC) та титану (TiC). Композити з керамічною матрицею мають високу температуру плавлення, стійкість до окислення, термоудари і вібрації, міцність при стисканні. Керамічні КМ на основі карбідів та оксидів з добавками металевого порошку (< 50об. %) называются керметами . Крім порошків для армування керамічних КМ використовують металевий дріт із вольфраму, молібдену, ніобію, жароміцної сталі, а також неметалеві волокна (керамічні та вуглецеві). Використання металевого дроту створює пластичний каркас, що оберігає КМ від руйнування при розтріскуванні крихкої керамічної матриці. Недоліком керамічних КМ, армованих металевими волокнами, є низька жаростійкість. Високу жаростійкість мають КМ з матрицею з тугоплавких оксидів (можна використовувати до 1000 ° C), боридів і нітридів (до 2000 ° C), карбідів (понад 2000 ° C). При армуванні керамічних КМ волокнами карбіду кремнію досягається висока міцність зв'язку між ними та матрицею у поєднанні зі стійкістю до окислення при високих температурах, що дозволяє використовувати їх для виготовлення важконавантажених деталей (високотемпературні підшипники, ущільнення, робочі лопатки газотурбінних двигунів). Основний недолік кераміки - відсутність пластичності - деякою мірою компенсується армуючими волокнами, що гальмують поширення тріщин у кераміці.
Вуглецю-вуглецевий композит . Використання як матричного матеріалу аморфного вуглецю, а як армуючого матеріалу - волокон з кристалічного вуглецю (графіту) дозволило створити композит, що витримує нагрівання до 2500 °С. Такий вуглець-вуглецевий композит перспективний для космонавтики та заатмосферної авіації.Нестача вуглецевої матриці полягає у можливому окисленні та абляції. Для запобігання цим явищам композит покривають тонким шаром карбіду кремнію.
Вуглецева матриця, подібна до фізико-хімічних властивостей вуглецевого волокна, забезпечує термостійкість УУКМ.
Найбільш широке застосування знайшли два способи одержання вуглець-вуглецевих композитів:
1. карбонізація полімерної матриці заздалегідь сформованої вуглепластикової заготовкишляхом високотемпературної термообробки в неокислювальному середовищі;
2. осадження з газової фази піровуглецю,утворюється при термічному розкладанні вуглеводнів у порах вуглеволокнистої підкладки.
Обидва ці способи мають свої переваги та недоліки. При створенні УУКМ їх часто комбінуютьнадання композиту необхідних властивостей.
Карбонізація полімерної матриці.Процес карбонізації являє собою термообробку виробу з вуглепластику до температури 1073 К в неокислюючому середовищі (інертний газ, вугільна засипка і т.д.). Мета термообробки - переведення сполучного в кокс. У процесі карбонізації відбувається термодеструкція матриці, що супроводжується втратою маси, усадкою, утворенням великої кількості пір і зниженням фізико-механічних властивостей композиту.
Карбонізація проводиться найчастіше в ретортних печах опору. Реторта, виготовлена з жароміцного сплаву, оберігає виріб від окислення киснем повітря, а нагрівальні елементи та ізоляцію - від попадання на них летких корозійно-активних продуктів піролізу сполучного та забезпечує рівномірність обігріву реакційного об'єму печі.
Механізм і кінетика карбонізації визначаються співвідношенням швидкостей дисоціації хімічних зв'язків і рекомбінації радикалів, що утворилися. Процес супроводжується видаленням смолистих сполук, що випаровуються, і газоподібних продуктів і утворенням твердого коксу, що збагачується атомами вуглецю. Тому в процесі карбонізації ключовим моментом є вибір температурно-часового режиму, який повинен забезпечувати максимальне утворення коксового залишку з сполучного, оскільки механічна міцність карбонизированного композиту залежить, крім іншого, від кількості коксу, що утворився.
Чим більші габарити виробу, тим тривалішим має бути процес карбонізації. Швидкість підйому температури при карбонізації - від кількох градусів до кількох десятків градусів за годину, тривалість процесу карбонізації 300 год і більше. Карбонізація закінчується зазвичай в інтервалі температур 1073-1773 До, відповідних температурному інтервалу переходу вуглецю в графіт.
Властивості УУКМ значною мірою залежать від виду вихідного сполучного, як який застосовуються синтетичні органічні смоли, що дають високий коксовий залишок. Найчастіше для цієї мети застосовують фенолформальдегідні смоли внаслідок їх технологічності, доступності низької вартості, кокс, що утворився в цьому процесі, має високу міцність.
Фенолформальдегідним смолам властиві певні недоліки. Внаслідок поліконденсаційного характеру їх затвердіння та виділення при цьому летких сполук важко отримати однорідну щільну структуру. Величина усадки при карбонізації фенолформальдегідних сполучних більше, ніж для інших типів сполучних, що застосовуються при виробництві УУКМ, що призводить до виникнення внутрішніх напруг у карбонізованому композиті та зниження його фізико-механічних властивостей.
Більш щільний кокс дають фуранові сполучні. Усадка їх при карбонізації менше, а міцність коксу вища, ніж у фенолформальдегідних смол. Тому, незважаючи на складніший цикл затвердіння, що зв'язують на основі фурфуролу, фурфуріліденацетонів, фурилового спирту також застосовуються при виробництві УУКМ.
Дуже перспективні для отримання вуглецевої матриці кам'яновугільні та нафтові пеки внаслідок великого вмісту вуглецю (до 92-95%) та високого коксового числа. Перевагами пеків перед іншими сполучними є доступність і низька вартість, виключення розчинника з технологічного процесу, хороша кокса, що графітується, і його висока щільність. До недоліків пеків можна віднести утворення значної пористості, деформацію виробу, наявність у складі канцерогенних сполук, що потребує додаткових заходів безпеки.
Внаслідок виділення летких сполук при термодеструкції смоли в карбонізованому пластику виникає значна пористість, що знижує фізико-механічні властивості УУКМ. Тому стадією карбонізації вуглепластика завершується процес отримання лише пористих матеріалів, для яких не потрібна висока міцність, наприклад, низькощільних УУК теплоізоляційного призначення. Зазвичай для усунення пористості та підвищення щільності карбонізований матеріал знову просочується сполучною та карбонізується (цей цикл може повторюватися неодноразово). Повторне просочення проводиться в автоклавах в режимі «вакуум-тиск», тобто спочатку заготівля нагрівається у вакуумі, після чого подається сполучний та створюється надлишковий тиск до 0,6-1,0 МПа. При просоченні використовуються розчини і розплави сполучних, причому пористість композиту з кожним циклом зменшується, тому необхідно використовувати сполучні зниженою в'язкістю. Ступінь ущільнення при повторному просоченні залежить від типу сполучного, коксового числа, пористості виробу та ступеня заповнення пір. Зі зростанням щільності при повторному просоченні підвищується і міцність матеріалу. Цим методом можна отримувати УУКМ із густиною до 1800 кг/м 3 і вище. Метод карбонізації вуглепластика порівняно простий, він не вимагає складної апаратури, забезпечує хорошу відтворюваність властивостей матеріалу виробів, що отримуються. Однак необхідність багаторазового проведення операцій ущільнення значно подовжує та подорожчає процес одержання виробів з УУКМ, що є серйозним недоліком зазначеного методу.
При отриманні УУКМ з способу осадження піровуглецю з газової фазигазоподібний вуглеводень (метан, бензол, ацетилен тощо) або суміш вуглеводню і розбавляючого газу (інертний газ або водень) дифундує через вуглеволокнистий пористий каркас, де під дією високої температури відбувається розкладання вуглеводню на нагрітій поверхні волокна. Піровуглець, що осаджується, поступово створює сполучні містки між волокнами. Кінетика осадження та структура одержуваного піровуглецю залежать від багатьох факторів: температури, швидкості потоку газу, тиску, реакційного об'єму та ін. Властивості одержуваних композитів визначаються також типом та вмістом волокна, схемою армування.
Процес осадження проводиться у вакуумі або під тиском в печах індукційних, а також в печах опору.
Розроблено кілька технологічних методів одержання піровуглецевої матриці.
При ізотермічному методізаготівля знаходиться в камері, що рівномірно обігрівається. Рівномірність обігріву в індукційній печі забезпечується за допомогою тепловиділяючого елемента - сусцептора, що виготовляється з графіту. Вуглеводневий газ подається через днище печі та дифундує через реакційний об'єм та заготівлю; газоподібні продукти реакції видаляються через вихідний отвір кришці печі.
Процес проводиться зазвичай при температурі 1173-1423 К та тиску 130-2000 кПа. Зменшення температури призводить до зниження швидкості осадження та надмірного подовження тривалості процесу. Збільшення температури прискорює осадження піровуглецю, але при цьому газ не встигає дифундувати в об'єм заготовки і відбувається поверхневе нашарування піровуглецю. Тривалість процесу досягає сотень годин.
Ізотермічний метод зазвичай застосовується для виготовлення тонкостінних деталей, оскільки в цьому випадку заповнюються переважно пори, що знаходяться на поверхні виробу.
Для об'ємного насичення пор та отримання товстостінних виробів застосовується неізотермічний метод, що полягає у створенні в заготівлі температурного градієнта шляхом приміщення її на оправу, що обігрівається, або сердечник або прямим розігрівом її струмом. Вуглеводневий газ подається з боку, що має нижчу температуру. Тиск у печі зазвичай дорівнює атмосферному. В результаті осадження піровуглецю відбувається у найбільш гарячій зоні. Охолодна дія газу, що протікає над поверхнею з високою швидкістю, є основним способом досягнення температурного градієнта.
Підвищення щільності та теплопровідності композиту призводить до переміщення температурного фронту осадження, що забезпечує в кінцевому підсумку об'ємне ущільнення матеріалу та одержання виробів з високою щільністю (1700-1800 кг/м 3 ).
Для ізотермічного методу отримання УУКМ з піровуглецевою матрицею характерні такі переваги: хороша відтворюваність властивостей; простота технічного оформлення; висока щільність і хороша графітованість матриці; можливість обробки одночасно кількох виробів.
До недоліків відносяться: мала швидкість осадження; поверхневе осадження піровуглецю; погане заповнення великих пір.
Неізотермічний метод має такі переваги: велику швидкість осадження; можливість заповнення великих пір; об'ємне ущільнення виробу.
Його недоліки полягають у наступному: складне апаратурне оформлення; обробляється лише один виріб; недостатня щільність і графітованість матриці; утворення мікротріщин.
3.4.4. Високотемпературна термообробка (графітація) УУКМ.Структура карбонізованих пластиків та композитів з піровуглецевою матрицею після ущільнення з газової фази недосконала. Міжшарове відстань d 002 , що характеризує ступінь упорядкованості вуглецевої матриці, відносно велико - понад 3,44 10 4 мкм, а розміри кристалів порівняно малі - зазвичай не більше 510 -3 мкм, що характерно для двомірного впорядкування базисних шарів вуглецю. Крім того, в ході процесу отримання в них можуть виникати внутрішні напруги, здатні призвести до деформацій і спотворень структури виробу при експлуатації цих матеріалів при температурі вище за температуру карбонізації або осадження піровуглецю. Тому при необхідності одержання більш термостабільного матеріалу проводять його високотемпературну обробку. Кінцева температура термообробки визначається умовами експлуатації, але лімітується сублімацією матеріалу, яка інтенсивно протікає при температурі понад 3273 К. Термообробка проводиться в індукційних печах або печах опору в неокислювальному середовищі (графітове засипання, вакуум, інертний газ). Зміна властивостей вуглець-вуглецевих матеріалів у процесі високотемпературної термообробки визначається багатьма факторами: типом наповнювача та матриці, кінцевою температурою та тривалістю термообробки, видом середовища та її тиском та ще іншими факторами. При високих температурах долаються енергетичні бар'єри у вуглецевому матеріалі, що перешкоджають переміщенню багатоядерних сполук, їх приєднанню та взаємній переорієнтації з більшим ступенем ущільнення.
Тривалість цих процесів невелика і ступінь перетворення визначається переважно температурою. Тому тривалість процесів високотемпературної термообробки значно менша, ніж у разі карбонізації або осадження піровуглецю, і становить зазвичай кілька годин. При високотемпературній термообробці карбонізованих пластиків відбуваються незворотні деформації виробу, поступове «заліковування» дефектів. Для матеріалів, що добре графітуються, на основі пеків при температурах понад 2473 К спостерігається інтенсивне зростання тривимірноупорядкованих вуглецевих кристаллітів аж до переходу до графітової структури. У той же час у карбонизированних пластиках на основі погано графітованих полімерних сполучних дефекти структури зберігаються до 3273 К і матеріал залишається в неграфітованій структурній формі.
Порошковий наповнювач вводять у матрицю композиційного матеріалу з метою реалізації властивих речовині наповнювача властивостей у функціональних властивостях композиту. У порошкових композитах матрицею служать головним чином метали та полімери. За порошковими композитами з полімерною матрицею закріпилася назва "Пластмаси".
Композити з металевою матрицею
Композити із металевою матрицею.Порошкові композити з металевою матрицею отримують шляхом холодного або гарячого пресування суміші порошків матриці та наповнювача з подальшим спіканням отриманого напівфабрикату в інертному або відновному середовищі при температурах близько 0,75 Т плметалу матриці. Іноді процеси пресування та спікання поєднують. Технологію отримання порошкових композитів називають "Порошкова металургія".Методами порошкової металургії виробляють кермети та сплави з особливими властивостями.
Керметаминазивають композиційні матеріали з металевою матрицею, наповнювачем якої служать дисперсні частинки кераміки, наприклад карбідів, оксидів, боридів, силіцидів, нітридів та ін. Як матрицю використовують переважно кобальт, нікель і хром. Кермети поєднують твердість, а також жаростійкість та жаростійкість кераміки з високою в'язкістю та теплопровідністю металів. Тому кермети на відміну від кераміки менш тендітні і здатні витримувати великі перепади температур без руйнування.
Найбільш широке застосування кермети отримали у виробництві металообробного інструменту. Порошковими твердими металаминазивають кермети інструментального призначення.
Порошковим наповнювачем твердих сплавів є карбіди або карбонітриди в кількості 80% і більше. Залежно від типу наповнювача і металу, який служить матрицею композиту, тверді порошкові сплави ділять на чотири групи:
- 1) WC-Co - однокарбідні типу В К;
- 2) WC-TiC-Со - двокарбідні типу ТК,
- 3) WC-TiC-TaC-Co – трикарбідні типу ТТК;
- 4) TiC і TiCN-(Ni + Mo) - сплави на основі карбіду і карбонітриду титану - безвольфрамові типу ТН і КНТ.
Сплави ВК.Сплави маркуються літерами ВК та цифрою, що показує вміст кобальту. Наприклад, склад сплаву ВК6: 94% WC і 6%. Теплостійкість сплавів ВК – близько 900°С. Сплави цієї групи мають найбільшу міцність у порівнянні з іншими твердими сплавами.
Сплави ТК.Сплави позначають комбінацією літер та цифр. Цифра після Т вказує на вміст у сплаві карбіду титану, після К – кобальту. Наприклад, склад сплаву Т15К6: TiC - 15%, - 6%, інше, 79%, - WC. Твердість сплавів ТК внаслідок введення до складу його наповнювача твердішого карбіду титану більше, ніж твердість сплавів К. Вони також мають перевагу по теплостійкості - 1000°С, проте їх міцність при рівному вмісті кобальту нижче.
Сплави ТТК (ТТ7К12, ТТ8К, ТТ20К9).Позначення сплавів ТТК аналогічне ТК. Цифра після другої літери Т вказує на сумарний вміст карбідів TiC та ТаС.
При рівній теплостійкості (1000°С) сплави ТТК перевершують сплави ТК при однаковому вмісті кобальту і твердості, і міцності. Найбільший вплив легування карбідом танталу проявляється при циклічних навантаженнях – ударна втомна довговічність підвищується до 25 разів. Тому сплави, що містять тантал, використовуються в основному для важких умов різання з великими силовими і температурними навантаженнями.
Сплави ТН, КНТ.Це безвольфрамові тверді сплави (БВТС) на основі карбіду та карбонітриду титану з нікель-молібденовим, а не кобальтовим зв'язуванням.
По теплостійкості БВТС поступаються вольфрамсодіжним сплавам, теплостійкість БВТС вбирається у 800°С. Їхня міцність і модуль пружності також нижче. Теплоємність та теплопровідність БВТС нижче, ніж у традиційних сплавів.
Незважаючи на порівняно низьку вартість, широке застосування БВТС виготовлення ріжучого інструменту проблематично. Найбільш доцільним є використання безвольфрамових сплавів для виготовлення вимірювального (кінцеві заходи, калібри) та волочильного інструменту.
Металева матриця використовується також для зв'язування порошкового наповнювача з алмазу і нітриду кубічного бору, які об'єднують загальною назвою «надтверді матеріали» (СТМ). Композиційні матеріали з наповнювачем із СТМ використовують як обробний інструмент.
Вибір матриці для порошкового алмазного наповнювача обмежений низькою теплостійкістю алмазу. Матриця повинна забезпечувати термохімічний режим надійного зв'язування зерен алмазного наповнювача, що унеможливлює згоряння або графітацію алмазу. Для зв'язування алмазного наповнювача найбільше широко використовують олов'янисті бронзи. Вища теплостійкість та хімічна інертність нітриду бору дозволяють використовувати зв'язки на основі заліза, кобальту, твердого сплаву.
Інструмент з СТМ виготовляють переважно у вигляді кіл, обробка якими проводиться шляхом сточування поверхні оброблюваного матеріалу обертовим колом. Абразивні круги на основі алмазу та нітриду бору широко використовують для заточування та доведення ріжучого інструменту.
При порівнянні абразивних інструментів на основі алмазу і нітриду бору слід зазначити, що ці дві групи не конкурують один з одним, а мають власні області раціонального застосування. Це визначається відмінностями їх фізико-механічних та хімічних властивостей.
До переваг алмазу як інструментального матеріалу перед нітридом бору відноситься те, що його теплопровідність вища, а коефіцієнт термічного розширення нижче. Однак визначальними є висока дифузійна здатність алмазу щодо сплавів на основі заліза - сталей і чавунів і, навпаки, інертність до цих матеріалів нітриду бору.
При високій температурі спостерігається активна дифузійна взаємодія алмазу зі сплавами на основі заліза. При температурах нижче ос
Застосовність алмазу повітря має температурні обмеження. Діамант починає окислюватися з помітною швидкістю при температурі 400°С. За більш високих температур він згоряє з виділенням вуглекислого газу. Це також обмежує експлуатаційні можливості алмазного інструменту порівняно з інструментом на основі нітриду кубічного бору. Помітне окислення нітриду бору на повітрі спостерігається тільки після витримки годинника при температурі 1200°С.
Температурна межа працездатності алмазу в інертному середовищі обмежена його перетворенням на термодинамічно стабільну форму вуглецю - графіт, що починається при нагріванні до 1000°С.
Інший великою сферою застосування керметів є їх використання як конструкційний матеріал високотемпературного призначення для об'єктів нової техніки.
Службові властивості порошкових композитів з металевою матрицею визначаються переважно властивостями наповнювача. Тому для порошкових композиційних матеріалів з особливою властивістю найбільш поширена класифікація з областей застосування.
