6.4 Твердые сплавы и композиционные материалы

Метал локерамические твердые сплавы представляют собой твердый раствор карбидов вольфрама, титана и тантала (WC, TiC, ТаС) в металлическом кобальте (Со). Твердые сплавы (HRA 86...92) обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800... 1000 °С); они делятся на три группы: одно-, двух и трехкарбидные.

Однокарбидные твердые сплавы, которые содержат карбиды вольфрама, называют вольфрамокобалътовыми (группа ВК). В марках ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 цифра показывает процентное содержание кобальта, остальное – карбид вольфрама. Сплавы этой группы наиболее прочные, с увеличением содержания кобальта сплавы повышают сопротивление ударным нагрузкам, одновременно снижается износостойкость.

Двухкарбидные твердые сплавы помимо группы ВК содержат еще карбиды титана, поэтому их называют титановолъфрамокобальтовыми (группа ТВК). В марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбидов титана, после К – содержание металлического кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Эти сплавы менее прочны и более износостойки, чем сплавы первой группы.

Трехкарбидные твердые сплавы содержат еще и карбиды тантала и поэтому называются титанотанталоволь-фрамокобалътовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед К показывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после К – содержание металлического кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Сплавы обладают повышенными прочностью, износостойкостью и вязкостью.

Твердые сплавы изготовляют методами порошковой металлургии: сначала прессуют шихту, а затем проводят спекание при температурах 1500...1900 °С.

Для повышения износостойкости поверхностей или восстановления начальных размеров изношенных деталей машин применяют наплавку твердыми сплавами.

Первая группа сплавов (релиты) представляет собой смесь порошков карбидов вольфрама, углерода и вольфрама. Их помещают в железную трубку, расплавляемую при наплавочных работах.

Вторая группа сплавов (сормайты) состоит из углерода, хрома, никеля, кремния и железа; выпускаются в виде прутков.

Третья группа сплавов (сталлиниты) включает в состав феррохром, ферромарганец, чугун и уголь.

Сочетания химически разнородных исходных компонентов дают возможность конструировать новые композиционные материалы под конкретные машины и специфические условия их эксплуатации. Создание композитов является перспективным направлением весьма существенного упрочнения металлических и неметаллических материалов.

Основой композитов являются матрица и наполнитель. Матрица служит для удержания, равномерного распределения и изоляции наполнителя от внешней среды, а также для перераспределения возникающих внутренних напряжений. Тип матрицы определяют классы композитов: полимерные, металлические и керамические. Наполнитель придает композиционным материалам высокую прочность, жаропрочность, а также значительно снижает их склонность к хрупкому разрушению. В качестве наполнителей используются различные волокна (волокнистые композиционные материалы), дисперсные час гиды в виде порошков (дисперсные композиционные материалы), текстильные материалы (слоистые композиционные материалы). Композит, полученный путем введения в одну матрицу двух или нескольких типов наполнителей, называется гибридным.

Наибольшее применение нашли композиты (стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики) на полимерной матрице. Связующими могут быть термопластичные и термореактивные полимеры, чаще всего это эпоксидные, полиэфирные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и полиамидные смолы. К стеклопластикам относят композиты со стеклянным наполнителем. Они нашли широкое применение в промышленности.

Углепластики представляют собой композиты с углеродными наполнителями. Эти материалы используют в судостроении, автомобильной промышленности, в производстве подшипников, спортивного инвентаря и других изделий.

В боропластиках упрочнителем выступают материалы из бора, что обеспечивает им высокую усталостную прочность.

Синтетические волокна в полимерной матрице создают органопластики. Они отличаются стабильностью при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Это хорошие конструкционные материалы, используемые в различных отраслях народного хозяйства.

Композиты на полимерной матрицы характеризуются малой массой (плотность большинства композиционных материалов изменяется от 1,35 до 4,8 Мг/м³), химической стойкостью, прочностью и жаропрочностью, жесткостью, коррозионной стойкостью, долговечностью, термической стабильностью, технологичностью и экономичностью.

Композиты на металлической матрице представляют собой либо чистые металлы, либо сплавы на основе алюминия, магния, титана, армированные различными волокнами. В химической промышленности и в изделиях, эксплуатируемых в условиях повышенного трения, используются композиты с матрицами из меди, цинка, свинца и их сплавов. Металлическая матрица обеспечивает композитам хорошие физические (электрические, магнитные, акустические и др.) и механические свойства.

Волокна применяются двух типов: не подверженные пластическим деформациям (карбид кремния, оксид алюминия, бор, углерод, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений) и пластически деформируемые (бериллий, вольфрам, молибден, сталь). Первая группа композитов характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью и усталостной прочностью; вторая – лучшей технологичностью.

Композиты подобного типа характеризуются повышенной прочностью и упругостью, при этом работоспособность композита сохраняется почти до температуры плавления матрицы.

Матрицей в керамических композитах являются карбид кремния, нитриды кремния и бора, боросиликатные стекла, углерод и др. В качестве наполнителей чаще всего используются углеродные волокна.

Эти композиты имеют высокую прочность, стабильные характеристики при высоких температурах, низкую плотность, коррозионную стойкость, достаточную ударную вязкость и стойкость к перепадам температур.