2.2. Неметаллические и композиционные материалы

В этой теме изучаются вопросы: композиционные материалы; неметаллические материалы: пластмассы, резины, волокнистые материалы, клеи, герметики; порошковые материалы.

Композиционный материал – волокно или дисперсные частицы (наполнитель), соединенные в единую композицию с помощью вещества-связки (матрицы). Наполнитель должен быть нератворим в матрице. В качестве матрицы часто применяют цветные металлы или их сплавы. Волокнистые композиционные материалы (ВКМ). В ВКМ наполнитель является упрочнителем. Чаще всего используют ВКМ на основе алюминия, магния, титана, никеля и их сплавов. От обычных сплавов ВКМ отличаются высокими прочностными показателями, пониженной склонностью к трещинообразованию. Прочность ВКМ определяется свойствами волокон, матрица должна скреплять волокна и распределять напряжения между ними. Дисперсно-упрочняемые композиционные материалы (ДУКМ) можно получить на основе практически всех применяемых в технике металлов и сплавов. В отличие от ВКМ в ДУКМ матрица является основным материалом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы являются упрочняющей фазой. Слоистые композиционные материалы (СКМ) представляют собой многослойные ВКМ. Это класс композиционных материалов обладает уникальным сочетанием свойств, как высокая прочность, коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, жаростойкость, износостойкость. Из СКМ изготавливают листы, ленты, проволоку, трубы, фасонные профили, детали. Дальнейшее повышение прочностных свойств, особенно же­сткости, дос­тигается в композитах на основе титана и титановых сплавов. В качестве арми­рующих применяются в основном во­локна бора, бериллия и молибдена. В композиционных материалах с неметаллической матрицей в качестве основы (матрицы) применяют полимерные, углеродные, керамические материалы. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов, металлическая проволока. Свойства материалов зависят от состава композиции, сочетания компонентов, прочности связей между ними. Прочность композита на сдвиг и сжатие, сопротивление усталостному износу определяют в основном свойства матрицы.

Неметаллические материалы – это неорганические и органические полимерные материалы, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, стекло, керамика ит.п.

2.3. Производство конструкционных материалов

Вопросы, изучаемые в этой теме: получение чугуна; получение стали; получение меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, магния и его сплавов, титана и его сплавов; получение порошковых, керамических и композиционных материалов.

Получение чугуна. Чугуны получают путем восстановления железа из оксидов, содер­жащихся в рудах. Процесс восстановления железа ведут в до­менных печах. В зависимости от назначения и места дальнейшей пе­реработки различают чугуны передельные (примерно 80% от всего вы­пуска), предназначенные для перера­ботки в сталь; литейные, посту­пающие на машиностроительные заводы и ис­пользуемые в качестве исходного материала для изготовления литых заготовок. Сущность процесса получения чугуна заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды, науглероживании восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне, расплавлении и перегреве получившегося чугуна. Одновременно оксиды пустой породы и зола топлива связываются флюсом в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном. Исходными материалами для доменного производства являются руда, флюсы, топливо и огнеупоры.

Получение стали. Сталеплавильные процессы были вызваны развитием производства чугуна, но недостаточной его механической прочностью. Любой из сталеплавильных процессов, как правило, представляет собой окислительную плавку для окисления избытка углерода, кремния, марганца, фосфора, а также удаления серу и растворенных в металле газов. Немаловажной задачей является снижение серы в металле. Фосфор и сера в стали являются вредными примесями. Литую сталь производят различными способами – от конвертерного до электроплавки. От используемых плавильных агрегатов и процесса плавки в значительной степени зависит качество отливок. Сырьем для про­изводства стали является передельный чугун, выплав­ляемый в доменных печах, лом и ферросплавы. Электродуговые печи нашли широкое применение для выплавки сталей специального назначения (инструментальных; нержавеющих, жаропрочных и т. д.). Особенности процесса получения стали в электропечах определяются способом преобразования электроэнергии в теплоту и химическим составом металлической части шихты. Существуют дуговые и индукционные печи.

Разливка стали на слитки. После завершения плавки жидкую сталь из печи выливают в ковши и подают на разливку. Разливка стали является завершающей операцией получения конечной продукции в виде стальных слитков. Разливку стали осуществляют как в изложницы – специальные формы, отливаемые обычно из чугуна, так и непрерывным способом – на машинах непрерывного литья заготовок, называемых также установками непрерывной разливки стали (УНРС). Слитки, получаемые в изложницах, отличаются неравномерностью структуры и состава по сечению. Слитки, получаемые на УНРС, не имеют усадочных раковин, бо­лее од­нородны по химическому составу, однако на их поверхности часто образуются трещины, связанные с перепадом температур по се­чению и большими уси­лиями вытяжки слитка из кристаллизатора.

Получение цветных металлов рассмотрено в [1, 2].

Получение порошковых материалов. В машиностроении широко применя­ются изделия из металлических порошков, полученных путем прессования и последующего спекания. Такой способ получили название порошковой металлургии. Методами порошковой металлургии изготавливают изделия самой разнооб­разной формы, в том числе и такие, кото­рые невозможно получить отливкой из труднообрабатываемых материалов.

Получение композиционных материалов. Способы получения композиционных материалов включают сле­дующие стадии: получение исходных компонентов (волокон, жгу­тов, лент, тканей, листов); подготовку исходных компонентов (нанесение покрытий); получение промежуточных полуфабрикатов (сборку исходных компонентов); получение плотных полуфабрикатов и изделий (полимеризацию, спекание); отделку, нанесение по­крытий.

Изготовление изделий из полуфабрикатов на основе пластмасс с дисперсным наполнителем производится прессованием в нагретых пресс-формах или заливкой в литейные формы. При этом совмещаются процессы образования формы и компактирования. В случае необходимости готовые изделия подвергают отделке – обрезке по контуру, удалению заусенцев, нанесению покрытий, термообработке.