2.17.2.2. Волоконні мкм на основі магнію

МКМ, матрицею яких є технічний магній чи його стопи, мають високу питому міцність, а також добру хімічну тривкість до більшості матеріалів волокон. Для армування матриці використовують волокна бору, вуглецю, оксиду алюмінію, карбіду кремнію, сталевий і титановий дроти.

Магнієві МКМ, армовані волокнами бору, мають стабільні механічні влас­тивості в інтервалі температур 20...400 °С. Матриця й волокна хімічно не вза­ємодіють.

В МКМ на основі магнію, армованих волокнами вуглецю, немає взаємодії між магнієм і вуглецем. При об'ємній частці волокон 42 % міцність такого композит­ного матеріалу становить ст_м = 450 МПа, а густина — у= 1,77 ■ 10³ кг/м³.

Відомі також магнієві композити, армовані волокнами SiC, дротом на основі титану або танталу. Всім їм властива висока хімічна стабільність.

МКМ на основі магнію, армовані сталевим дротом, відзначаються високою міцністю.

З волоконних композитних матеріалів на основі магнію виготовляють деталі літаків, космічних апаратів і ядерних реакторів.

2.17.2.3. Волоконні мкм на основі титану

Композитні матеріали на основі титану та його стопів зміцнюють волокнами зі стопів берилію, з вольфраму, молібдену, бору, карбіду кремнію та оксиду алюмінію. їх перевагою над МКМ з алюмінієвою й магнієвою матрицями є вищі температури оксидації та корозійна тривкість. До недоліків МКМ з титановою матрицею зараховують порівняно високі густину, вартість і технологічні труднощі, пов'язані з виготовленням виробів.

224

Найважливіші в техніці МКМ на основі стопу титану з алюмінієм і ванадієм (90 % Ті, 6 % А1, 4 % V), армовані волокнами бору, берилію, карбіду кремнію. Оскільки стопи титану навіть без армування відзначаються підвищеною питомою міцністю, головна мета армування — збільшення модуля пружності й підвищення температурного інтервалу експлуатації МКМ до 700...800 °С. Щоб захистити волокна бору від взаємодії з титаном, їх покривають карбідом кремнію.

Титано-берилієві МКМ відзначаються добрими пластичністю й техно­логічністю. Берилій не взаємодіє з матрицею до температури 700 °С.

Високу жорсткість мають МКМ титан — бор, які витримують темпера­туру до 540 °С.

Армування титанової матриці дротом з молібдену підвищує міцність МКМ вдвоє порівняно з міцністю матриці.

Технології виготовлення МКМ на титановій основі вимагають нагрівання їх складових до високих температур, внаслідок чого матриця з одного боку підвищує свою хімічну активність до зміцнювального компонента та довкілля, а з іншого — високі температури спричиняються до знеміцнення арматури. Тому вибираючи тип зміцнювального волокна, слід враховувати технологію й температурний чинник.

МКМ на основі титану призначені головним чином для виготовлення ло­паток вентилятора газотурбінних двигунів.

2.17.2.4. Волоконні мкм на основі нікелю

МКМ на основі нікелю мають вищу окалиновідпірність і жароміцність порівняно зі спеціальними нікелевими окалиновідпірними й жароміцними стопами. Зміцнювачами МКМ на нікелевій основі можуть бути волокна вуглецю, оксиду й нітриду алюмінію, карбіду й нітриду кремнію, карбіду бору та дріт з важкотопких металів. Враховуючи невисоку жароміцність МКМ на основі чистого нікелю, як матрицю жароміцних МКМ здебільш використовують промислові окалиновідпірні й жароміцні нікелеві стопи.

Структурну стабільність МКМ нікель — вуглецеві волокна підвищують покриваючи волокна карбідом або нітридом цирконію чи карбідом титану. Такі композити використовують при температурах до 1000 °С. Міцність ніке­левих МКМ з вуглецевими волокнами становить а = 800 МПа.

Міцність МКМ нікелева матриця — волокна із А1,О₃ при кімнатній темпе­ратурі істотно перевищує міцність матриці. Однак під час нагрівання матеріа­лу на повітрі утворюється оксид нікелю, який руйнує зв'язок між матрицею й волокнами, що призводить до знеміцнення МКМ. Щоб підвищити хімічну трив­кість волокон із А1,О₃ до 1000 °С, їх покривають вольфрамом, оксидами ітрію або торію, а для покращення змочуваності цих волокон нікелевою матрицею її легують титаном, цирконієм і хромом. Міцність волокон з оксиду алюмінію знаходиться в межах а = 1800...3700 МПа.

2.17.3. ПКМ з порошкоподібним зміцнювачем

Полімерна матриця порівняно з металевою має меншу густину, віщу корозійну тривкість, кращі технологічні, тепло- й електроізоляційні властивості,

225

а в окремих випадках міцніша й жорсткіша. Недоліком більшості полімерних композитних матеріалів є порівняно невисока міцність зв'язку між матрицею та зміцнювальним компонентом, втрата основних властивостей під час підви­щення температури до 100...200 °С й схильність до старіння в кліматичних умовах.

Матрицею є різні полімери: феноло-формальдегідні, епоксидні, поліефірні та деякі інші термореактивні смоли й такі термопласти як поліетилен, полі-пропилен, полістирол, поліаміди тощо. Порошкоподібними зміцнювальними компонентами, або наповнювачами служать тонкодисперсні частинки сажі, оксиду кремнію, деревинної муки, крейди, тальку, графіту, металів. Розмір частинок наповнювача, як правило, не перевищує 40 мкм. Порошкоподібний зміцнювач підвищує міцність, твердість і жорсткість, зменшує усадку, а в окремих випадках надає виробам з ПКМ специфічні властивості, зокрема задані тепло- й електропровідність.

Сажа є високодисперсним вуглецевим матеріалом, що утворюється під час неповного спалювання вуглеводнів. Вона займає проміжне положення між кристалічним графітом й аморфним вуглецем. Зміцнювальна дія сажі підви­щується зі збільшенням дисперсності частинок і шорсткості їх поверхні.

Оксид кремнію (SiO,) застосовується для зміцнення поліетилену, фторопла-стів, епоксидних смол.

Деревинна мука, що складається в основному з целюлози й лігніну, підви­щує міцність і електроізоляційну здатність ПКМ.

Крейда (СаСО₃) — один з найважливіших зміцнювачів для поліетилену й полівінілхлориду.

Тальк (3MgO · 4SiO, · Η,Ο) — порошок з розмірами частинок 3...5 мкм. Він збільшує міцність, жорсткість і електроізоляційну здатність ПКМ.

Графіт — практично чистий вуглець. Він підвищує міцність, твердість, тепло- й електропровідність та антифрикційні властивості ПКМ.

Порошки металів (заліза, міді, алюмінію, бронзи) при достатньо великій концентрації підвищують тепло- й електропровідність ПКМ.

2.17.4. Волоконні ПКМ

Матрицею служать епоксидні, феноло-формальдегідні, поліефірні та інші смоли. Зміцнювальним компонентом волоконних полімерних композиційних матеріалів є скловолокна, органічні волокна, вуглецеві волокна, борні волокна та металевий дріт.

Скловолокна мають високу міцність (ст_м = 3000...5000 МПа), задовільну теплотривкість (350...550 °С), добру корозійну тривкість, низьку тепло- й елек­тропровідність. Густина скляних волокон (2,4...2,6) ■ 10³ кг/м³. їх виготовляють шляхом протягання або витискання розтопленої скломаси через фільєри — пристрої з отворами спеціальної форми.

Органічні волокна виробляють з льону, бавовни, лавсану, капрону, нейлону та ін.

Про волокна вуглецеві, борні й металевий дріт йшлося у п. 2.17.2.1.

ПКМ об'єднують у групи за назвою армувального волокна. Наприклад, полімерні композитні матеріали зі скляними волокнами називають скловолок-

226

нішами, з органічними волокнами — органоволокнітами, з вуглецевими волок­нами — вуглеволокнітами, з борними — бороволокнітами тощо.

Найпоширенішими з них є скловолокніти. Вони підвищено міцні й дешеві. Не дивлячись на порівняно низький модуль пружності скляних волокон, скло­волокніти за питомою жорсткістю перевершують леговані сталі та стопи алюмінію й титану. Скловолокніти використовують у суднобудуванні, тран­спортному машинобудуванні, для виготовлення місткостей і труб.

Органопластики — це ПКМ, що складаються з полімерної матриці й синтетичних волокон. Порівняно зі скловолокнітами вони мають вищі ударну в'язкість, питому міцність і жорсткість. Водночас органоволокніти істотно пере­вищують вартість скловолокнітів. Більшість органоволокнітів витримує темпе­ратуру до 100... 150 °С, а окремі з них — до 200...300 °С. Органоволокніти засто­совують як електроізоляційні й конструкційні матеріали в електротехніці, в автомобіле- й літакобудуванні.

Вуглеволокніти — композити з полімерної (наприклад, епоксидно-феноль­ної матриці) й високоміцних вуглецевих волокон. Вони відзначаються високи­ми ударною в'язкістю, питомими міцністю і жорсткістю. Застосовуються в аві­аційній та космічній техніці, в автомобілебудуванні, для виготовлення спор­тивного інвентаря.

Бороволокніти — це ПКМ з полімерної матриці у вигляді епоксидної, полі-ефірної, феноло-формальдегідної та інших смол і волокон бору. Бороволокні­ти характеризуються підвищеними міцністю, жорсткістю, твердістю, тепло- й електропровідністю. Вони витримують температуру в межах від 100 до 300 °С. Вироби з бороволокнітів знайшли застосування в авіації й космічній техніці (панелі, лопатки гвинтів).

2.17.5. ВолоконніККМ

Особливістю волоконних керамічних композитних матеріалів є їх високі теплова й корозійна тривкість і водночас підвищена крихкість. Матрицею в ККМ служать нітрид й карбід кремнію, оксиди алюмінію й цирконію. Як зміц­нювальний компонент використовують волокна з вуглецю, з карбіду кремнію або з оксиду алюмінію. Для виготовлення ККМ можна використати порошкові, а також інші технології.

ККМ на основі нітриду кремнію Si,N₄, армований волокнами з карбіду крем­нію (40 % об'ємних) відзначається підвищеними теплотривкістю й густиною. Щоб запобігти оксидації границь зерен нітриду кремнію Si₃N₄, стадію гаря­чого пресування виконують в атмосфері азоту. Цей матеріал є перспективним для виготовлення деталей двигунів підвищеної економічності.

ККМ карбід кремнію (матриця) — вуглецеві покриті волокна характеризу­ється високими міцністю, жорсткістю й теплотривкістю (до 1000°С).

ККМ на основі оксиду кремнію SiO,, армовані волокнами з графіту, з SiC або з А1,О, знаходять широке застосування у космонавтиці для виготовлення теплозахисних елементів.

227

ЛІТЕРАТУРА

1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, І986. — 544с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1990. — 528 с.

3. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапое Г.Ф. и др. Материаловедение. —М.: Машностроение, 1986. — 384 с.

4. Мозберг Р.К. Материаловедение. — М.: Высшая школа, 1991. —448с.

5. Справочник по редким металлам. Пер. с англ. — М.: Изд-во Мир, 1965. — 946 с.

6. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник.

— М.: Металлургия, 1980. — 296 с.

7. Справочник по чугунному литью/Под ред. Н.Г. Гиршовича. — М.: Машиностроение, 1978. — 758 с.

8. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В. и др. Технология металлов и материаловедение. — М.: Металлургия, 1987. — 800 с.

9. Физическое металловедение/Под ред. Р.У.Кана и П.Т.Хаазена. ТІ. Атомное строение металлов и сплавов. Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1987. — 640 с.

10. ГОСТ 1497-84 (СТ СЭВ 471-77). Металлы. Методы испытаний на растяжение.

— М.: Изд-во стандартов, 1985. — 37 с.

11. ГОСТ 9012-59 (СТ СЭВ 468-77). Метод измерения твердости по Бринеллю. — М.: Изд-во стандартов, 1985. — 38 с.

12. ГОСТ 9013-59 (СТ СЭВ 469-77). Метод измерения твердости по Роквеллу. Шкалы А, В и С. — М.: Стандартгиз, 1979. — 6 с.

13. ГОСТ 2999-75 (СТ СЭВ 470-77). Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. — М.: Изд-во стандартов, 1987. — 29 с.

14. ГОСТ 9454-78 (СТ СЭВ 472-77). Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах. — М.: Изд-во стандартов, 1982. — 11 с.

15. ГОСТ 25.502-79. Методы механических испытаний металлов. Методы испытания на усталость. — М.: Изд-во стандартов, 1986. — 34 с.

16. Захаров A.M. Диаграммы состояния двойных и тройных систем. —М.: Металлургия, 1990. — 240 с.

17. Таран Ю.Н., Мазур ВИ. Структура эвтектических сплавов. — М.: Металлургия, 1978.— 311 с.

18. ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94). Сталь вуглецева звичайної якості. Марки. — К.: Держстандарт України, 1994. — 9 с.

19. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1989. — 24 с.

20. ГОСТ 1435-90 (СТ СЭВ 2883-81). Прутки, полосы и мотки из инстументальной нелегированной стали. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1990.--30 с.

21. ГОСТ 1412-85 (СТ СЭВ 4560-84). Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1985. — 5 с.

22. ГОСТ 1215-79 Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1979. — 8 с.

23. ГОСТ 7293-85 (СТ СЭВ 4558-84). Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1985. — 6 с.

24. Солнцев Ю.П., Веселов В.А., Демянцевич В.П. и др. Металловедение и технология металлов. — М.: Металлургия, 1988. — 512 с.

25. ГОСТ 5639-82 (СТ СЭВ 1959-79). Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. — М.: Изд-во стандартов, 1983. — 21 с.

228

26. ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1990. — 67 с.

27. ГОСТ 1459-79. Сталь ресорно-пружинная углеродистая и легированная. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1987. —18 с.

28. ГОСТ 801-78. Сталь подшипниковая. Технические условия. — М.: Изд-во стан­ дартов, 1979. — 20 с.

29. ГОСТ 5632-72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки и технические требования. — М.: Изд-во стандартов, 1977. — 49 с.

30. ГОСТ 5950-73. Сталь инструментальная легированная. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 48 с.

31. ГОСТ 19265-73. Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1990. — 37 с.

32. ГОСТ 5950-73 (СТ СЭВ 3895-82). Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. — М.: Изд-во стандартов, 1990. — 57 с.

33. Трент Е.М. Резание металлов. Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1980. —400 с.

34. Баранчиков В.И., Жаринов А.В., Юдина Н.Д. и др. Прогрессивные режущие инст­ рументы и режимы резания металлов. Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. —400 с.

35. Гольдштейн М.И., Грачев СВ., Векслер Ю.Г. Специальные стали. — М.: Металлургия, 1985. — 408 с.

36. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение). Справочник. Пер с нем.—М.: Металлургия, 1979. — 379 с.

37. Алюминий. Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1972. — 664 с.

38. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1979. — 640 с.

39. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы. Справочное руководство. — М.: Металлургия, 1972. — 552 с.

40. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. — М.: Металлургия, 1981. — 416 с.

41. Алюминий. Свойства и физическое металловедение. Справочник/Под ред. Дж. Е. Хэтча. Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1989. — 442 с.

42. ГОСТ 11069-74 (СТ СЭВ 951-78). Алюминий первичный. Марки. —М.: Изд-во стандартов, 1986. — 5 с.

43. ГОСТ 4784-74 (СТ СЭВ 730-77, СТ СЭВ 966-78). Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1983. — 9 с.

44. ГОСТ 1583-89 (СТ СЭВ 2623-80). Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1989. — 36 с.

45. Дриц М.Е., Бочвар Н.Е., ГузейЛ.С. и др. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди. Справочник. — М.: Наука, 1979. — 248 с.

46. ГОСТ 15527-70 (СТ СЭВ 379-86). Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1980. — 7 с.

47. ГОСТ 18175-78 (СТ СЭВ 377-76, СТ СЭВ 731-77). Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1981. — 11с.

48. ГОСТ 5017-74. Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1974. — 4 с.

49. ГОСТ 613-79. Бронзы оловянные литейные. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1979. --5 с.

50. ГОСТ 493-79. Бронзы безоловянные литейные. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1979. — 4 с.

51. Борисова Е.А., Бочвар Г. А., Брун М.Я. и др. Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов. — М.: Металлургия, 1980. — 464 с.

229

52. Либенсон Г.А. Основы порошковой металлургии. — М.: Металлургия, 1975. — 200 с.

53. Либенсон Г.А. Производство спеченных изделий. — М.: Металлургия, 1982. — 256 с.

54. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. и др. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. — М.: Металлургия, 1987. — 792 с.

55. Федорченко И.М., Францевич И.Н., Радомысельский И.Д. и др. Порошковая металлургия. Справочник. — К.: Наук, думка, 1985. — 624 с.

56. Степанчук А.Н., Билык И.И., Бойко П.А. Технология порошковой металлургии. — К.: Вища шк., 1989. — 415 с.

57. Киселев А.С. Инструментальные материалы//Станки и инструмент. 1988. № 9. — С.35—37.

58. Кудря Н.А., Зихманс Э.Ф. Современные направления совершенствования твердых сплавов для режущего инструмента//Станки и инструмент. 1986. № 6. — С.22—23.

59. Васильев СВ., Балков В.П. Международная конференция по режущим материалам и инструменту//Станки и инструмент. 1990. № 6. — С.37—40.

60. Мойсейкин А.С, Максимов А.А., Тихонова Г.Г. Перспективы развития режущей керамики//Станки и инструмент. 1990. № 10. — С.22—23.

61. ГОСТ 3882-74 (СТ СЭВ 1251-78, СТ СЭВ 5015-85). Сплавы твердые спеченные. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1986. — 18 с.

62. ГОСТ 26530-85 (СТ СЭВ 4658-84). Сплавы твердые спеченные безвольфра­ мовые. — М.: Изд-во стандартов, 1985. — 2 с.

63. ГОСТ 26630-85 (СТ СЭВ 4814-84). Материалы керамические инструмен­ тальные. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1985. — 2 с.

64. ГОСТ 19807-91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки. — М.: Изд-во стандартов, 1991. - 5 с.

65. Уайтэтт О., Дыо-Хьюз Д. Металлы, керамики, полимеры. Пер с англ. — М.: Атомиздат, 1979. — 580 с.

66. Николаев А.Ф. Технология пластических масс. — Л.: Химия, 1977. — 368 с.

67. Каменев Е.И., Мясников Г.Д., Платонов М.П. Применение пластических масс. Справочник. — Л.: Химия. 1985. — 448 с.

68. Ватаманюк Н.М., Гупало О.П. Високомолекулярні сполуки. Навчальний посібник. — К.: НМК ВО, 1993. — 244 с.

69. Божок О. П., Вішпонів I. С. Деревинознавство з основами лісового товарно- знавства. Навчальний посібник. — К.: НМК ВО, 1992. — 320 с.

70. Божок О.П., Вінтонів І.С Практикум з деревинознавства та лісового това­ рознавства. — Львів: ЛЛТІ.1992. — 216 с

71. Полубояринов О.И. Плотность древесины. — М.: Изд-во лесная промышле­ нность, —1976. — 159 с.

72. Карпинос Д.М., Тучинскип Л.И., Сапожникова А.Б. и др. Композиционные материалы в технике. — К.: Техніка, 1985. — 152 с.

73. Пилиповскип Ю.Л., Грудина Т.В., Сапожникова А.Б. и др. Композиционные материалы в машиностроении. — К.: Техніка, 1990. — 141 с.

74. Композиционные материалы с металлической матрицей. Т1/Под ред. К.Крейдера. — М.: Машиностроение, 1978. — 503 с.

75. Композиционные материалы. Справочник/Под ред. Д.М.Карпиноса. — К.: Наук, думка, 1985. — 592 с.

76. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные мате­ риалы. Справочник. — М.: Машиностроение, 1990. — 512 с.

77. Кашин ВВ., Корчагин В.А. Композиционные материалы и эффективность ин­ женерных решений в машиностроении. Учебное пособие, — К.: Вища шк., 1989. — 88с.

78. Матеріалознавство. Лабораторний практикум / За ред. В.В.Поповича. — Львів: НТШ, 1997. — 109 с.

79. ГОСТ 3443 — 87. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методи опредиления структуры. — М.: Изд-во стандартов, 1987. — 13 с.