- •Розділ 14 титан і його стопи
- •Марки й хімічний склад деяких спечених антифрикційних матеріалів
- •Розділ 16 неметалеві матеріали
- •2.16.1.1. Загальна характеристика пластмас
- •2.16.1.2. Термопластичні пластмаси
- •2.16.1.3. Термореактивні пластмаси
- •2.17.1.1. Дисперснозміцнені мкм на основі алюмінію
- •2.17.1.2. Дисперснозміцнені мкм на основі магнію
- •2.17.1.3. Дисперснозміцнені мкм на основі нікелю
- •2.17.2.2. Волоконні мкм на основі магнію
- •2.17.2.3. Волоконні мкм на основі титану
- •2.17.2.4. Волоконні мкм на основі нікелю
2.17.1.1. Дисперснозміцнені мкм на основі алюмінію
Представником цього найпоширенішого виду МКМ є матеріали типу САП (спечена алюмінієва пудра). Матрицею служить алюміній, зміцнювальним компонентом — частинки оксиду алюмінію А1,О3. Алюмінієва пудра з частинками завбільшки 1 мкм збагачується оксидом алюмінію під час її мелення в кульових млинах, де концентрація кисню менша, ніж в атмосфері. Виготовлення виробів з порошків А1 і А1,О, відбувається шляхом пресування й подальшого спікання.
Матеріали типу САП (САП-1, САП-2, САП-3) містять 6...17 % А1,О3 (таблиця 2.17.1). Зі збільшенням об'ємної концентрації оксиду алюмінію зростають міцність, твердість та жаротривкість і знижується пластичність САП. Навіть під час підвищення температури частинки А1,О3 не проявляють схильності до коагуляції й до розчинення в матриці. Тому при температурах експлуатації 300.„500 °С САП перевищують за жаротривкістю всі деформівні промислові стопи алюмінію.
220
Таблиця 2.17.1
Марки й механічні властивості САП
Матеріал |
Об'ємна концентрація А1,О,, |
σ0.2 |
|
δ |
% |
МПа Л |
% |
||
САП-1 САП-2 САП-3 |
6...9 9,1...13 13,1...17 |
200 230 340 |
300 320 400 |
8 4 3 |
САП добре деформуються у гарячому стані, обробляються різанням, легко зварюються. З них виробляють профільні напівфабрикати, листи, фольгу і штамповки. САП успішно застосовуються для деталей з високою питомою міцністю й корозійною тривкістю (штоки поршнів, лопатки компресорів, труби теплообмінників).
2.17.1.2. Дисперснозміцнені мкм на основі магнію
Дисперснозміцнені металеві композитні матеріали на основі магнію порівняно високоміцні (таблиця 2.17.2), легкі, відпірні до рекристалізації й достатньо пластичні (δ = 8...12 %). Зміцнювальним компонентом служить оксид магнію MgO (оптимальна концентрація 1,0 %), а іноді — оксид берилію ВеО. Оксид магнію утворюється під час мелення порошку магнію в контрольованій атмосфері. МКМ Mg — MgO не рекомендують застосовувати при температурах понад 400 °С з огляду на істотне зниження їх корозійної тривкості. Щоб її підвищити, магнієву матрицю легують 2...8 % берилію.
МКМ на основі магнію використовують у авіаційній, ракетній і ядерній техніці переважно для виготовлення корпусних деталей.
Таблиця 2.17.2 Механічні властивості дисперснозміцненого МКМ Mg — 1 % MgO
ί, |
σ0.2 |
σ., |
δ |
°С |
МПа |
% |
|
20 400 450 500 |
250...260 16...18 |
285...300 50...60 25...30 15...20 |
8 9 9 10...12 |
2.17.1.3. Дисперснозміцнені мкм на основі нікелю
Дисперснозміцнені МКМ на основі нікелю і його стопів відзначаються високою жароміцністю й використовуються для роботи при температурах понад 1000 °С. Матрицею служить нікель або стоп нікелю з 20 % хрому (ніхром), а зміцнюваль-
221
ним компонентом — оксиди торію ThO2, гафнію НГО2 або цирконію ZrOr Оксиди гафнію і торію дуже стабільні в нікелевій матриці навіть при високих температурах. Недоліком оксиду торію є його підвищена токсичність. 3.-поміж композитних матеріалів з нікелевою матрицею відомі ВДУ-1 (98 % Ni, 2 % ТЮ,) і ВДУ-2 (98 % Ni, 2 % НЮ2), а з нікель-хромовою матрицею — TD-ніхром (78 % Ni, 20 % Сг, 2 % ThO,). Жароміцність матеріалу ВДУ-1, зміцненого оксидом торію, вища від жароміцності ВДУ-2, зміцненого оксидом гафнію (див. таблицю 2.17.3). МКМ TD-ніхром високо міцний в інтервалі температур від кімнатної до 800 °С, проте при підвищених температурах його жароміцність нижча порівняно з ВДУ-1 і ВДУ-2.
Таблиця 2.17.3
Марки й механічні властивості дисперснозміцнених МКМ на основі нікелю
Матеріал |
t |
СТ0.2 |
|
<5 |
Ψ |
|
|
|
|
||
|
°С |
МПа |
/о |
||
|
20 |
400 |
555 |
22 |
72 |
|
200 |
330 |
450 |
22,5 |
— |
|
400 |
265 |
360 |
22,5 |
— |
ВДУ-1 |
600 |
220 |
290 |
22,5 |
45 |
|
800 |
155 |
210 |
15 |
30 |
|
1000 |
125 |
150 |
11,5 |
22 |
|
1200 |
105 |
125 |
8 |
17 |
|
20 |
425 |
525 |
13,5 |
— |
|
500 |
225 |
280 |
7 |
— |
ВДУ-2 |
800 |
200 |
215 |
4 |
— |
(листовий) |
1000 |
135 |
150 |
7,5 |
— |
|
1100 |
90 |
105 |
8,5 |
— |
|
1200 |
70 |
80 |
6,5 |
— |
|
20 |
625 |
925 |
23 |
— |
|
200 |
525 |
875 |
19 |
— |
|
400 |
475 |
800 |
17 |
— |
TD-ніхром |
600 |
375 |
500 |
10 |
|
(листовий) |
800 |
230 |
255 |
4,5 |
— |
|
1000 |
115 |
130 |
2.5 |
— |
|
1100 |
83 |
95 |
2,5 |
— |
|
1200 |
55 |
65 |
2,5 |
— |
2.17.2. Волоконні МКМ
Для металевої матриці найчастіше використовують алюміній, магній, титан, нікель, кобальт або стопи на їх основі. Армують МКМ високоміцними й високомодульними волокнами з бору, вуглецю, важкотопких оксидів, карбідів, нітридів, а також волокнами зі сталі, берилію, вольфраму. З огляду на істотну
222
відмінність властивостей матриці й волокон МКМ з однонапрямленими волокнами анізотропні й найміцніші вздовж волокон. Волокна за об'ємом займають в МКМ від 10 до 75 %, вони добре сприймають осьові напруження. У зв'язку з цим орієнтація волокон повинна збігатись з напрямком найбільших напружень.
Для виготовлення волоконних МКМ використовують рідкофазові (лиття) й твердофазові (деформування) процеси, порошкові технології тощо.
2.17.2.1. Волоконні МКМ на основі алюмінію
Застосування алюмінію і його стопів марок АМц, АМг2, АМгб, АДЗЗ, Д16, В95 та ін. для матриці пояснюється їх дешевизною, малою густиною, доброю корозійною тривкістю й здатністю багатьох з цих стопів до істотного зміцнення термічною обробкою.
Найпоширенішим серед МКМ є бороалюміній ВКА-1. За міцністю при кімнатній температурі він вдвоє перевищує конструкційні стопи алюмінію, а за жорсткістю — у 3,5 рази. Волокна бору, що займають у матеріалі ВКА-1 об'єм від 40 до 50 %, високоміцні (σ, = 2800...3500 МПа) і жорсткі при густині (2,50...2,65) · 103 кг/м3. їх недолік — підвищена крихкість і висока хімічна активність. Уже при температурі понад 400 °С волокна бору оксидуються, а при температурі понад 500 °С вони взаємодіють з алюмінієвою матрицею. Для захисту від хімічної взаємодії на борні волокна наносять тонкі покриття з карбіду кремнію чи карбіду або нітриду бору завтовшки 3...5 мкм. Волокна бору, покриті тонким шаром карбіду кремнію, називають борсиком. Густина бороалюмінію становить (2,63...2,65) ■ 10' кг/м3. З нього виготовляють деталі, що застосовуються в авіації.
У МКМ алюміній — вуглецеві волокна поєднуються низька густина матриці та арматури з високою міцністю й жорсткістю волокон, внаслідок чого композит характеризується значними питомими міцністю й жорсткістю. Окрім того, вуглецеві волокна добре проводять тепло й електричний струм. Міцність вуглецевих волокон становить 1500...3500 МПа і більше при густині (1,6... 1,8) · 103 кг/м3. їх недоліками є висока хімічна активність, крихкість і погана змочуваність розтопами основних конструкційних металів. Під час нагрівання волокон до температури понад 450 °С вони взаємодіють з киснем атмосфери, хоча в нейтральній атмосфері витримують температуру до 2200 °С. Щоб захистити вуглецеві волокна від хімічної взаємодії з киснем й матеріалом матриці, їх покривають боридами титану, нітридами титану й цирконію, карбідом кремнію, карбідом титану, хромом, молібденом і вольфрамом. Водночас нанесені покриття покращують змочуваність волокон матеріалом матриці.
Вуглецеві волокна отримують із синтетичних органічних волокон, термічно розкладаючи їх в інертному середовищі.
МКМ алюміній — вуглецеві волокна формують рідкофазовими методами зокрема литтям під тиском. Ці матеріали успішно застосовують в авіаші для виготовлення паливних баків сучасних винищувачів. МКМ алюміній — вуглецеві волокна дешевші й легші, ніж МКМ алюміній — борні волокна.
223
Армування алюмінієвих стопів безперервними волокнами з таких важко-топких матеріалів як бор, карбіди кремнію, оксиди алюмінію істотно підвищує жароміцність МКМ.
Із МКМ алюмінієвий стоп — волокна SiC виготовляють труби, фасонні деталі, танкові траки, поршні для двигуна автомобіля тощо.
МКМ алюмінієва матриця — металевий дріт відзначаються підвищеними міцністю, модулем пружності та втомною міцністю. Металевий дріт використовують у вигляді волокон і сітки. Звичайно застосовують дріт 0 20...1500 мкм, з високовуглецевих або легованих сталей з границею міцності стм = 1800...3150 МГТа. Границя міцності дроту з вуглецевих сталей зберігається до температур 350...450 °С. Сталевий дріт належить до найдешевших зміцнювачів.
Перспективним зміцнювальним компонентом є берилієвий дріт з високими питомими міцністю й жорсткістю. Границя міцності берилієвого дроту 0 50 мкм становить ои= 1450 МПа, а густина — 1,8 • 103 кг/м3.
Зі стопів алюмінію, армованих сталевим і берилієвим дротом, виготовляють деталі корпусів ракет й паливні баки літальних апаратів.
