Композиционные материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Композиционные материалы

композиционный порошок сплав

К.м. - это искусственно созданные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), упрочнители (волокна, частицы).

В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (усы), карбидов мирилов, нитридов, а также металлические проволоки, обладающие высокой прочностью или жесткостью (стальная проволока, проволока из тугоплавких металлов).

При составлении композиции крайне эффективно используются свойства её составляющих и свойства композиционных материалов напрямую зависят от состава компонентов, от количественного соотношения, от прочности связи между компонентами. Комбинируя объемное содержание компонентов можно в зависимости от назначения получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами (магнитные).

Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет от 20 % до 80% по объему. Свойства матрицы определяют прочность при растяжении. Композиционные материалы имеют высокую прочность - более 1700 МПа. Плотность композиционных материалов составляет 1,35- 1,8 г/см³. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

Классификация к.м. по типу упрочнителя.

1. Карбоволокниты (углепласты) - композиции из полимерной матрицы и упрочнителей в виде углеродных волокон. Для полимерной матрицы используются полиимиды, эпоксидные смолы, фенолформальдегидные смолы. КМУ2 и КМУ2Л - водо- и химостойки и работают до 300^оС. На ряду с угольными могут содержать стеклянные волокна, что значительно удешевляет материал. При обработке обычных полимерных карбоволокнитов в инертной или восстановленной атмосфере получаются графитированные карбоволокниты или карбоволокниты на углеродной матрице.

КУП - ВМ по прочности и вязкости в 5-6 раз превосходят специальные графиты: при нагреве в инертной атмосфере он сохраняет свою прочность до температуры 2200^оС.

2. Бороволокниты.

- это к.м. с упрочнителем в виде борных волокон. Для получения бороволокнитов применяют модифицированные эпоксидные и полиэмидные связующие. Бороволокниты имеют высокую прочность при сжатии и сдвиге, имеют высокую твердость и высокую тепло- и электропроводность, водо- и химостойки (лопасти винтов, лопатки компрессоров и т. д.).

3. Органоволокниты.

- это композиции из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон. Упрочнителями служат волокна: ловсан, копрон, нейтрон и т.д. Связующими служат полиэмидные, эпоксидные смолы. Органоволокниты имеют малую плотность и высокую ударную вязкость.

4.Металлы армированные волокнами - это композиционные материалы с металлической матрицей и упрочнителями в виде волокон (волокна бора, углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений (усы), вольфрамовая или стальная проволока). Используют легкие и пластичные материалы (Al, Mg и их сплавы). Количество упрочнителя не должно превышать 30-50%, т.к. не будет достаточной смачиваемости.

Использование к.м. в ряде случаев требует создания новых методов изготовления деталей и изменение принципов конструирования деталей и узлов машин.

Порошковые сплавы - разновидность к.м. Сплавы, изготавливаемые из металлических порошков путем прессования и спекания без расплавления или с частичным расплавлением наиболее легкоплавкой их состовляющей называются порошковыми. Изготовление многих сплавов практически возможно только из порошка. Например, изготовление твердых металло-керамических сплавов, сплавов из тугоплавких металлов или композиций этих металлов с легкоплавкими металлами. Многие детали из порошковых сплавов отличаются лучшими качествами и дешевле чем из обычных металлов.

Основы производства порошковых металлов.

Процесс производства порошковых сплавов заключается в получении порошка, составлении шихты, прессовании (или смешивании), спекании. Важнейшие способы производства порошков:

· 1. Восстановление металлов из окислов.

· 2. Механическое измельчение.

· 3. Распыление жидкого металла.

· 4. Электрохимическое осаждение.

· 5. Нагрев и разложение карбонилов.

Наибольшее распространение получили первых 2 метода.

1. Восстановление металлов из окисла широко применяется в производстве порошков тугоплавких редких металлов (W, Mo, Co, Ni, Fe). Руды редких металлов подвергаются обогащению и размолу для получения порошков окислов, которые затем восстанавливаются путем нагрева в газовой среде (восстанавливают Н генераторным газом или твердыми восстановителями: сажа, кокс, графит). Иногда применяется комбинированное восстановление, путем нагрева восстановителя вместе с газовыми и твердыми восстановителями. Восстановление из окислов позволяет получить очень мелкие и чистые порошки.

2. При механическом измельчении - размоле на шаровых, молотковых и особенно вихревых мельницах наиболее выгодным являются использование металлической стружки. Шаровые мельницы применяются для размола металлов - чугуна, закаленной стали , бронзы окислов и т.д., а молотковые для получения порошков Al и латуни. Измельчение происходит за счет ударения частиц друг о друга .

3. Электролитическое осаждение применяется для производства порошков электроположительных металлов.

4. Распыление жидких металлов потоком сжатого воздуха, пара или инертного газа. Способ хорош для получения дроби.

5. Нагрев и разложение карбонилов (Me_n(Co)_m)…

Прессование.

Для прессования применяют большей частью быстроходные, эксцентриковые, криволинейные прессы, а кроме того тихоходные гидравлические прессы. При прессовании происходит усадка деталей. Чем тверже порошок и чем больше давление прессования, тем больше усадка, которая может составлять от 2-х к 1-му до 6 к 1.

Прочность прессования объясняется 2-мя причинами:

· Оттомарным схватыванием;

· Переплетение неровностей на поверхности частиц порошка. Часто применяют 2-х стороннее прессование и эзостатическое прессование.

Спекание.

Спекание производится в защитное атмосфере. t_спек~2/3t , t - температура плавления металла либо наиболее тугоплавкой составляющей композиции). Длительность спекания - 2-3 часа. Различают 2 основных типов спекания:

· Спекание однокомпонентной системы;

· Спекание многокомпонентной системы (с частичным расплавлением и без образования ж.ф.).

При спекании происходят следующие явления:

· Повышение температуры увеличивает подвижность атомов;

· Происходит увеличение контактной поверхности частиц;

· Снятие напряжения в местах контакта и рекристаллизация, рост зерна через контактные поверхности;

· Восстановление окислов и удаление адсорбированных газов и жидкости, в результате чего контакт между частицами становится металлическим.

В случае многокомпонентных систем, кроме перечисленных явлений происходит образование твердых растворов, диффузия и образование химических соединений.

При спекании порошков с большой разницей температуры плавления(CoCO, WCO) образуется жидкая фаза которая капиллярными силами стягивается на расплавившиеся частицы. В результате получаются плотные детали. У сплавов, образующих жидкую фазу усадка в процессе спекания составляет от 5 до 25 %, а у сплавов не образующих жидкую фазу в 10 раз меньше - 0,5-2,5%. Усадка изменяет размеры деталей, поэтому детали требующие высокой точности, например, подшипники и зубчатые колеса, после спекания комбинируют путем протягивания через сквозные пресс-формы. Ряд преимуществ имеет горячее прессование совмещающее прессование и спекание, т.к. требуется более низкое давление, которое составляет 5-10% от давления обычного прессования. Порошок лучше заполняет форму и горячее прессование позволяет получать детали более сложной формы, нетребующих комбинирование. Нагрев порошка производится электрическим током, который падают прессформе либо непосредственно на порошок.

Твердые сплавы

Твердый сплав - сплав, состоящий из высокодисперсных частиц карбидов.

3 группы порошковых твердых сплавов:

· ВК (WC, Co);

· ТК (WC, TiC, Co);

· ТТК (WC, TiC, Co, Ta).

ТК - состоит из 3-х фаз светлых зерен карбид вольфрама, окаленных темной фазой твердого раствора WC, TiC в Co, а также твердого раствора WC в TiC. WC почти не растворяет Ti, зато TiC растворяет до 70% Ti при комнатной температуре и до 90 % при повышенной.Чем мельче и равномернее распределены светлые зерна фазы WC, тем лучше режущие свойства и прочность твердого сплава.

Сплавы группы ВК.

При обработке цветных сплавов применяют WC - твердые сплавы, например: ВК2, ВК3, ВК2М, ВК3М ( М- особоизносостойкие, т.к.мелкозернистые, их применяют для снятия стружки при больших скоростях резанья. ВК - очень распространенный сплав для токарных резцов. При обработке некоторых марок стали получается непрерывная сливная стружка, которая все время соприкасаясь с твердым сплавов все время передает большое количество тепла. Здесь решающее значение приобретает теплостойкость, наименьший коэффициент трения и особенно слипаемость, поэтому для обработки при самых больших скоростях резанья, а также для скоростной полуобдирочной и чистовой работы, тяжелого чернового точения, требующего прочного инструмента применяют сплавы ТК.

Группа ТТК.

У Ti-Ta-W сплава наивысшая эксплуатационная прочность и сопротивление вибрациям выкрашиваньям, поэтому он применяется для тяжелого чернового точения углеродистых и легированных сталей, бурового инструмента (зубцы буровых коронок). Инструмент из твердых сплавов затачивают на специальных кругах карборунд экстра или на кругах на кругах из искусственных синтетических алмазов, а доводят напасти из карбида бора (BC), причем химическое взаимодействие имеет большее воздействие чем механическое. Препятствия на пути полной замены, в которых дефицитный вольфрам используется в 10 раз эффективнее заключается в том что твердые сплавы пригодны не для всех случаев обработки а в следствие сложности изготовления из них фасонного инструмента.

Предел прочности на изгиб зависит от содержания в нем Co, чем больше в твердом сплаве Co и чем крупнее зерна карбидов. Однако повышение содержание Co сверх 15% нарушает сплошной каркас из зерен карбида и резко снижает предел прочности на изгиб. В случае уменьшения содержания Co и применение мелкозернистых карбидов, вязкость и предел прочности на изгиб уменьшается, а износостойкость и твердость увеличивается. Удел. Вес характеризует степень пористости сплавов.

Теплостойкость, т.е. способность сохранять структуру и режущие свойства при высоких температурах, тем выше, чем меньше в сплаве Co и чем сплав более мелкозернистый. Слипаемость твердого сплава с обрабатываемым материалом резко ухудшает характеристики резанья. Группа ТК отличается меньшей слипаемостью, которая начинается при более высоких температурах, чем в группах ВК. Кроме того чем меньше в сплаве Co, тем меньше слипаемость.

Схема производства

- состоит из ряда следующих операций:

1. Грубый порошок W путем восстановления W-го ангидрита (WO₃) в потоке H₂ при 700-900 ^оС или сажей при 1500 ^оС. Полученный грубый порошок W измельчают 9 часов на шаровой мельнице и просеивают.

2.Порошок W перемешивают с ламповой сажей карбонизуют в бумажных или угольных патронах в течение 1 часа в электропечи при 1400 ^оС в атмосфере Н₂ или окиси углерода. Полученный порошок WC размалывают. Для Ti-W сплава карбонизации можно подвергнуть шихту из TiO₂ + C + W и получить сразу оба карбида. Иногда TiO₂ недовосстанавливается и в сплаве оксид TiO₂.

3. Полученные порошки карбида и Co перемешивают, затем их замешивают с пластификатором и подсушивают. В качестве пластификатора применяют раствор в 4-х хлористом углероде или раствор синтетического каучука в бензине.

4. Хорошо замешенная и подсушенная смесь подвергается прессованию при давлении от 100 до 400 МПа причем Ti-W смеси требуют большего давления прессования чем W.

5. Далее производят предварительное спекание при 900^оС в течении 1 часа в атмосфере водорода. Для создания прочности необходимой при механической обработке.

6. После предварительного спекания полученный сплав разрезают и механически обрабатывают на обычных металлорежущих станках.

7. Окончательное спекание, в процессе которого образуется твердый сплав. Проводят в атмосфере водорода или в засыпке из порошка магнезита или окиси алюминия.

Режимы.

Для W-сплавов: спекание в течении 2 часов при 1400^оС. Для Ti-W-сплавов: от 1 до 3 часов при 1500^оС.

Качество спекания зависит от чистоты карбида: чем меньше в нем О₂ и N₂, то тем лучше идет спекание . В результате спекания твердый сплав дает линейную усадку. Становится чрезвычайно твердым и не поддается механической обработке. Кроме порошковых твердых сплавов машиностроении применяют и литые твердые сплавы, которые применяются или зернистыми, или в виде электродов. После наплавки они имеют структуру заэвтектического легированного белого чугуна. И очень высокую твердость благодаря присутствию большого количества карбидов и карбидной эвтектики. Литыми твердыми сплавами наплавляют штампы, токарные центры и сильно истирающиеся детали, что в несколько раз увеличивает их стойкость.

Литые композиционные материалы

Технологические приемы используемые методом пропитки отличаются главным образом способом приложения давления, которое должно обеспечить заполнение пор порошковой формовкой. При использовании жидкофазных технологий и процессов применяют 2 основных приема:

1.Соединение жидкой и твердой фазы.

2. Соединение компонентов находящихся в жидком состоянии.

Базовыми технологическими схемами являются:

1. Заливка матричным раствором литейной формы, с предварительно установленной арматурой.

2. Изотермическая пропитка (при t=const) используется с подогреваемыми стенками.

3.Сифонная заливка арматуры матричным расплавом.

4. Литье гетерогенного расплава. Твердые нерасплавленные частицы добавляются в ковш перед заливкой.

5. Суспензионная заливка. Твердые частицы подаются непосредственно в струю расплава при заливке.

6. Литье под давлением. Спрессованный каркас помещают в контейнер куда под давлением подается расплавленный металл.

7. Литье вакуумным всасыванием под разрежением.

8. Самопроизвольная пропитка.

9. Литье под вакуумом с наложением ультразвуковых или магнитных колебаний (данные у/з колебания могут накладываться либо на контейнер, либо на расплав).

10. Пропитка способом непрерывного литья заготовки. Способ хорош для получения длинномерных заготовок.

11.Литье с нерастворимой арматурой с изменением структуры наполнителя. Данный способ предполагает введение армирующего элемента непосредственно в момент заполнения формы или кристаллического затора либо сборка (намотка) армирующего элемента непосредственно в расплаве.

Технологический процесс получения жидкофазным совмещением состоит из следующих основных этапов:

1. Подготовка компонентов (калибровка, очистка и планирование поверхности).

2. Подготовка армирующей конструкции необходимой формы и конфигурации.

3. Сборка и размещение в полости формы арматуры.

4. Заливка матричным расплавом.

5. Выдержка для затвердевания жидкой фазы в том числе путем положения внеш. воздействий.

6. Выемка из формы.

7. Термическая и механическая обработка композиционных изделий.

В процессе формирования кристаллизации изделия для повышения качества и устранения несовершенств литой структуры могут применяться различные виды внешних воздействий. Например: приложение давления, у/з или магнитных колебаний, вибраций, а также вакуумирование, которое защищает армирующие элементы от окисления, как правило улучшает смачивание, увеличивает жидкотекучесть и позволяет уменьшить время контакта арматуры с жидкой фазой, что улучшает и стабилизирует свойства композиционных изделий. Время контакта с армирующими элементами стараются обеспечить минимальным. Однако, заливка под давлением (либо вакуумнымвсасыванием происходит с большой скоростью, поэтому поток жидкого металла может вызвать эрозионное разрушение поверхности армирующих волокон. Это явление устроняют путем наложения э/м колебаний.

Преимущества и недостатки твердофазных и жидкофазных способов контактирования материалов.

Твердофазные способы включают:

А. Предварительное совмещение армирующих элементов и матрицы.

Б.Компактирование их в изделия путем прессования, ковки, экструзии и т.д.

Недостатки этих методов являются:

· сложность равномерного распределения армирующих элементов матрицы при подготовке шихты;

· возможность повреждения при прессовании изделий сложной конфигурации с повышенными требованиями по равномерности уплотнения.

Размещено на Allbest.ru