книги из ГПНТБ / Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами

Рис. 36 Упрочнение высокопрочных нержа­ веющих сталей в процессе холодного воло­ чения [28]

1 — сталь 2Х15Н5АМЗ: 2 — Х15Н9Ю; 3 —

Х18Н9ТЮ; 4 — Х18Н9Т

Рис. 37. Упрочнение проволоки из стали 2Х15Н5АМЗ в процессе волочения [28]

Волочение: I — холодное (20° С); 2 — при 350° С;

3 — при 540° С

Степень деформации,0/,

Рис. 38. Упрочнение стали 2Х15Н5АМЗ при комишшрованном волочении [28]

Волочение: 1 холодное при 20° С; 2 — при 350° С

Рис. 39. Диаграмма упрочнения стали 2ХІ5Н5АМЗ при волочении с промежуточным и окончательным отпусками [28]

Рис. 40. Изменения механических свойств стали ЗХІЗ от температуры отпуска

[28]

Гзак = 1050° С, время отпуска — 1 ч

Рис. 41. Схемы получения металлических волокон [23]

а — метод экструзии и обдувки: 1 — плавильное устройство, 2 — вентиль, 3 — эжек­ торная труба, 4 — фильера, 5 — струйка расплавленного металла, 6 — сопло; б — цен. тробежиый метод: / — плавильное устройство, 2 — вентиль, 3 — головка, 4 — эжектор­ ная труб'/а, 5 — сопло, 6 — отверстие, 7 — сферическая поверхность, 8 — охлаждающий блок, 9 — электродвигатель, 10 — плита; в — формирование волокон с использованием камеры охлаждения: 1,2 — штуцера, 3 — обогреваемый сосуд, 4 — сопло, 5 — трубка, 6 — вентили, 7 — камера, 8 — вытяжной зонт, 9 — бункер

в стеклянной изоляции. Улитовский механизировал и намотку обра­ зующейся нити с помощью специального устройства с быстровраща­ ющейся катушкой, что впервые позволяло получать проволоку диа­ метром 1—30 мкм и длиной несколько километров. Впервые уста­ новка Улитовского была продемонстрирована в 1958 г. на нацио­ нальной выставке.СССР в Нью-Йорке (США). Метод производства проволок в стеклянной изоляции заинтересовал многих зарубеж­ ных ученых, которые его усовершенствовали (рис. 42). Усовершен­ ствованная установка построена доктором Никсдорфом в Беттелевском институте в г. Франкфурте-на-Майне (ФРГ) [33].

Тщательно была изучена зависимость между диаметром получаю­ щейся проволоки и скоростями вытягивания (рис. 43). Из равен­ ства объемов можно установить зависимость между диаметром про­ волоки d„, скоростью вытяжки Ув, скоростью подачи стержня

41

/ -

Ѵд, м/MUH

Рис. 42. Схема установки для получения металлических волокон в стеклянной изоляции [33]

1 — металлический стержень в стеклянной оболочке; 2 — механизм подачи; 3— радиа­ ционный нлн индукционный нагрев; 4 — намоточное устройство

Рис. 43. Связь между параметрами, определяющими диаметр микропроволоки в стеклянной изоляции [33]

Цифры у крнвых — скорость перемещения стержня, мм!мин

Ум и диаметром заготовки D3

Усовершенствованным методом Улитовского уже получены тонкие проволоки Sn, Pb, As, Ag, Au, Cu, Ni, Co, Fe, Pt, Ir, Mo, Si, Ge, латуни, Cr—Ni-стали, Nb—Sn и т. д.

В целях изучения прочностных свойств волокон стекло удаляли:

После освобождения от стекла пучки металлических волокон име­ ли гладкую поверхность. Указывается, что установка позволяет получать десятки килограммов волокна в день, что открывает оп­ ределенные перспективы для использования его в композитных ма­ териалах. Волокна имели следующую прочность (в кГ/мм2) [33]: олово— 15; серебро — 65; медь — 40; платина — 50; платинародий — 150; железо — 280.

На ряде сплавов устойчиво создавалась прочность от 200 до 300 кГ/мм2, причем разброс ее не превышал 10—15%. Имеются воз-

42

можности поднять эти значения выше 300 кГІмм2. По некоторым сведениям, на отдельных волокнах железа, полученных таким спо­ собом, уже наблюдали прочность, близкую к 1000 кГ/мм2.

Другим интересным свойством этих тонких металлических ни­ тей является изменение их пластичности в зависимости от скорости намотки. Так, для проволоки диаметром 10 мкм из стали типа 18-8 изменение скорости намотки от 300 до 20 м/мин вело к увеличению пластичности от 0 до 37% при, естественно, снижении прочности от ПО до 60 кГІмм2. Микропроволока, получаемая по этому спосо­ бу, сравнительно дешевая, и при усовершенствовании метода есть основание надеяться, что волокна (а таким способом думают по­ лучать даже волокна молибдена) будут конкурировать с усами.

В. Волокна с аморфной структурой

Стеклянные и кремнеземные волокна. Свойство размягченного стекла вытягиваться в волокна было известно еще в древнем Егип­ те; ими украшали кувшины и вазы. В средние века в Венгрии по­ лучали стеклянные цветные волокна путем быстрого растяжения размягченного стеклянного стержня, Но это еще не были настоя­ щие стеклянные волокна. В России патент на производство волокон был взят в 1840 г. (Шамо). В 30-х годах были предложены способы выработки волокна путем вытягивания размягченных концов стек­

волокон диаметром менее 8 мкм.

Большой производительностью отмечается метод изготовления волокна из стекломассы, получаемой при плавлении стеклянного боя в пламенных стеклоплавильных печах (рис. 45). Этим методом получают волокна диаметром 14—30 мкм.

В настоящее время в СССР и за границей распространен про­ мышленный способ выработки непрерывного волокна путем пере­

Теперь имеются печи непрерывного получения стеклянных воло­ кон одностадийным методом. Все операции по дальнейшей пере­ работке волокон в нити механизированы (агрегат СПА). На рис. 46 [34] показана схема одной из основных частей этого аппарата.

Волокна кварца (кремнеземные) впервые были получены около 1840 г. (Годин). Бойс применил эти волокна в торсионных весах. Попытки изготовления кварцевых волокон в промышленном масш­ табе тормозились недостатком стержней из прозрачного кварца без примесей. В настоящее время имеется несколько схем получения непрерывных тонких кварцевых волокон (рис. 47) [23]. Широко

43

распространен способ выщелачивания стеклянных нитей в разбав­

540° С для удаления связанной воды.

Прочность стеклянных и кварцевых волокон зависит от многих факторов (рис. 48): 1) от диаметра и длины нити; 2) от условия испытания (вакуум, воздух, влажная атмосфера); 3) от времени до начала испытания; 4) от температуры испытания и длительности ее воздействия на волокна.

На рис. 48, а представлены наиболее надежные данные1 о масштабной зависимости волокон кварца и стекла. Подобные за­ висимости имеют место и для длины. Так, средняя прочность стек­ лянных нитей длиной 5 мм достигала 150 кГІмм12, а волокон длиной 1500 мм — только 72 кГІмм2. Для волокон одного диаметра и од­ ной длины всегда наблюдается некоторое статистическое распределе­ ние прочностей отдельных волокон. Модули упругости кварцевых и стеклянных волокон не зависят от диаметра (рис. 48, б).

Зависимость прочности кварцевых волокон от температуры (см. рис. 48) имеет сложный характер, в то время как прочность стеклянных волокон постепенно падает с увеличением температуры.

щиеся полимерными матрицами и имеющие сравнительно низкую стоимость (0,45 — 7 долл./фунт) [36, 37].

Стеклянные волокна с успехом применяются при создании ком­ позиционных материалов с платмассовой матрицей. Производство их достигло 500 тыс. т в год; оно хорошо механизировано и позво­ ляет получать дешевые волокна. Для упрочнения металлов их труд­ но использовать (хотя такой опыт и имеется [36]) из-за определен­ ной нестабильности свойств стеклянных волокон при воздействии среды, высокой температуры и механических нагрузок.

Стеклянные и кремнеземные волокна с металлическим покры­ тием. Особо следует сказать о стеклянных и кремнеземных волок­ нах, покрытых металлами, ибо это покрытие имеет большое значе­ ние для технологии получения композиционных материалов, поз­ воляет получить лучшую связь в композите между волокном и мат­ рицей, повысить стойкость волокон к истиранию и изгибу, увеличить их прочность на растяжение.

Разработано несколько способов нанесения металлических по­ крытий на стеклянное и кварцевое волокна (рис. 49) [23]. Кроме перечисленных методов металлизации кремнеземных волокон имеет-

1Есть сведения [35], что в некоторых случаях прочность кварцевых нитей до­ стигала 2500—3700 кГІмм2, при прочности массивного кварца а = 7 ~ 8 кГІмм-.

45

ся и множество других: электрохимические, разложение карбонилов металлов и т. д. Стеклянные волокна покрывали цинком, никелем, медью, сталью. Указывается [23], что металлизированное волокно отличается повышенной эластичностью и высокой прочностью.

Кроме металлов на поверхность волокон могут быть нанесены и химические соединения, например трехокись хрома, которая при дальнейшем нагревании волокна превращается в полуторную окись хрома. Процесс нанесения хромового покрытия прост: стекловолокно погружают в водный раствор трехокиси хрома при комнатной температуре на время, достаточное для его смачивания. Температура размягчения поднимается до 1600° С. Эффективность таких покрытий зависит от концентрации раствора и диаметра во­ локна (табл. 10).

46

4

выходное отверстие, 15 — труба, 16 — печь, 17 — камера плавления, 18 — сформованная масса, 19 — нить

47

Рис. 48. Изменение прочности (а) и модуля упругости (б) кварцевыхи стеклян­ ных волокон в зависимости от диаметра волокна; изменение прочности кварцевых нитей [35, 36] от температуры (в) и времени нагрева (г)

1 — кварцевые; 2 — базальтовые, 3 — алгомоборосилнкатиые, 4 — натриіі-кальциено- силнкатные (на рис. б — две верхние кривые — по Журксюу, нижняя — по Рейнкоберу)

Нанесение тугоплавких покрытий на стеклянные волокна по­ зволило расширить область их применения.

Кроме непрерывных кремнеземных волокон в послевоенные годы было разработано большое количество различных типов дискрет­ ных волокон (методом раздувания струи жидкого расплава и после­ дующей обработки полученных волокон). Вот некоторые из них. Рефразил— стеклянные нити, обработанные кислотами (кроме пла­ виковой и фосфорной) с последующей дегидратацией. Чтобы умень-

43

а

крывают кислотостойким водонепроницаемым слоем (фенолформаль­ дегидная смола), который не препятствует прохождению кислоты. Файберфракс (кремнекислый алюминий), каовул, кионит — смеси глинозема и кремнезема.

В СССР [24] разработан (ИМП АН УССР) метод получения воло­ кон муллита (3Al20 3-3Si02) из стеклообразных расплавов, содержа­ щих А1о03и SіО-2 ,при медленном охлаждении и длительной выдержке при низких температурах (чтобы не было трещин). Диаметр кристаллических волокон 0,3—1 мкм, длина 0,25—1 мм. Для раство­ рения стеклофазы, расположенной между кристаллами муллита, использовали HF. Температура плавления волокон 1900° С, прочность

170 кПммг.

49