книги из ГПНТБ / Колпашников, А. И. Армирование цветных металлов и сплавов волокнами

Таблица 30

Химический состав различных марок бериллия типа QMB [71], % (по массе)

Таблица 31

Заготовки из бериллия под волочение получают ме­ ханически — вытачиванием из торячепреесованных в ва­ кууме прутков (или брикетов) либо выдавливанием штабиков при температуре 4*54—1037°С (максимальное от­ ношение площадей заготовки и выдавленного ~ штабика при низшей из указанных температур равно 10, а при высшей — 20). Диаметр заготовок 6,35—19,05 мм. Если заготовку получают прессованием из порошка, волоче­ ние проволоки усложняется в связи с необходимостью введения дополнительной операции — промежуточного отжига, кроме того, деформация проволоки происходит с большей опасностью обрывов при волочении. Тончай­ шую проволоку можно получать только из заготовки, прессованной из слитка.

Значительная прочность бериллия и тяжелые усло­ вия трения при волочении вынуждают прибегать к раз­ личным мерам облегчения процесса, самыми распростра­ ненными из которых (применительно к бериллию) явля­

102

ются волочение с подогревом и волочение в металличе­ ской оболочке (чаще всего в 'никелевой).

М/аксималь'ная пластичность у бериллия при темпера­ туре 427°С, волочение осуществляют обычно при темпе­ ратурах 480—40'0°;С. В указанном интервале пластич­ ность бериллия находится примерно на уровне малоугле­ родистых сталей.

При волочении бериллиевой' проволоки ,в никелевой оболочке толщина последней составляет около. 3,5—4% от общего диаметра заготовки с оболочкой. Например, при волочении бериллиевого прутка диаметром 9,525 мм его (после предварительной очистки контактирующих поверхностей) вводят в полость никелевой трубки с тол­ щиной стенки 0,381 мм.

Заготовку перед волочением подвергают восстанови­ тельному отжигу при температурах 790—805°С с выдер­ жкой 0,5— 1,0 ч. Во время отжига заготовки покрывают асбестовым покрывалом. Свойства заготовок после от­ жига приведены в табл. 32.

Таблица 32

Заготовку очищают от окалины, отличающейся вы­ сокой плотностью, в расплаве сидридной соли NaH при температуре 480°С в течение 30—90 мин с последующей промывкой в воде или слабом растворе серной кислоты. Затем заготовку можно подвергать травлению в раство­ ре смеси фтористоводородной и азотной кислот (по

20% ) .

(Проволочная заготовка с трудом подвергается обычному острению, и предпочтительно эту операцию осуществлять химическим стравливанием в концентриро­ ванном растворе фтористоводородной кислоты.

В качестве волочильных смазок используют: раствор коллоидального графита в воде, раствор коллоидально­ го графита в масле, графитовый порошок с добавкой ди-

103

сульфида молибдена, графитовый порошок с добавкой дисульфида молибдена и связки из фенольной смолы.

Волочение .высокопрочной бериллиевой проволоки производят с применением твердосплавных волок с уг­ лом волочения 6°. Волоки подогревают до ЗБО—375°С.

Деформацию ведут на цепном стане с тянущим уси­ лием ^ 3 тс со скоростью 0,3—3 м/мин до диаметра 1,85 мм, затем на однократном ‘барабанном стане до ди-

Рис. 42. Схема стана для волочения бериллиевой проволоки. Направление волочения показано стрел­ кой (71]:

шарниром; 8 — суппорт

аметра 0,51 мм. Барабанный стан для производства бе­ риллиевой проволоки требует значительных изменений—

104

ж иг)— 3,02—2,63—2,06 (отжиг) — 1,98—1,71—1,48 (от­ жиг) — 1,285—1,11—0,965 (отжиг) — 0,836—0,724—0,627 (отжиг)— 0,5436 (возобновление оболочки)— 0,47— 0,409 (отжиг) — 0,353—0,307—0,267 мм.

(Волочение ведут с единичными обжатиями 12—35%. После превышения суммарного обжатия 85% единичные обжатия должны быть примерно равны 12%. С этими об­ жатиями производят волочение до диаметра 0,1 мм*.

Скорость волочения бериллиевой проволоки превы­

Отжиг для восстановления пластичности производят при более высоких температурах (787,7—815,5°С), но с меньшей выдержкой (30 мин).

Главным путем увеличения прочности тонкой берил­ лиевой проволоки является снижение температуры де­ формации до 260°С. После волочения при указанной тем­ пературе бериллиевая проволока характеризуется следу­ ющими свойствами (табл. 33).

можно будет получать тонкую бериллиевую проволоку с пределом прочности 1(582 М(Н/м2 (158,2 кгс/мм2).

Для удаления оболочки проволоку электролитически обрабатывают в двунормальном растворе BNO,3 с не­ большой добавкой КС1. Обработку ведут при плотности тока 3 А/см2 в течение 8 с [74].

Оболочка на проволоке имеет неравномерную толщи­ ну, поэтому после ее удаления необходимо сглаживание

* Пат. (США), кл. 72—286, № 3349597, 1967.

105

бериллиевой проволоки. Сглаживание калибровочной протяжкой может приводить к растрескиванию малопластичной проволоки, поэтому его производят химиче­ ским способом с применением ультразвука при темпера­ турах 22—38°С.

Составы растворов для сглаживания следующие:

1) 25% фосфорной кислоты+7% серной кисло­

ной воды.

Удаление оболочки и отлаживание поверхности бериллиавой проволоки повышают ее предел текучести на

50—140МН/м2 (5—14 кгс/мм2 [72].

При производстве бериллиевой проволоки специально для армирования металлов и сплавов нет необходимости удалять оболочку. В этом случае в качестве материала оболочки удобно использовать тот металл, который со­ ответствует матричному материалу или сплаву на его основе, либо материал, облегчающий соединение (как подслой) бериллия и матричного материала.

Проволока из вольфрама и молибдена

Проволочные волокна малых сечений являются отлич­ ными упрочнителямн жаропрочных материалов вследст­ вие высокого предела прочности и модуля упругости их при различных температурах (рис. 44) и в результате различных вариантов обработки (рис. 45). Армированные материалы медь — вольфрам и никелевые сплавы — воль­

106

о вольфрам добавок рения либо молибдена (~ 5 % ) позволяет дополнительно повысить механические свойства вольфрамовой проволоки [76]. Сплав вольфра­ ма с 5% рения ВАР-5 более прочен, чем вольфрам, и сплав вольфрама с 5% молибдена BAM-i5 в деформиро-

| 2 5 0 0 (150)

^£2000(100)

ванном состоянии, но после отжига при темшературах 1100—1500°С уступает этим материалам. Сплав ВАР-5 имеет наиболее стабильную прочность в широком темпе­ ратурном интервале и после отжига при различных тем­ пературах. После отжига при температуре 1500РС и вы­ держки при температуре 1200°С в течение 4—100 ч пре­ дел, прочности вольфрамовой проволоки не изменяется. Контакт вольфрама с никелем при 800°С вызывает рез­ кое охрупчивание проволоки, а при 1200°С приводит к заметному росту зерен на поверхности проволоки и их ос­ лаблению.

В работе [77] исследовано влияние различных леги­ рующих добавок на способность вольфрамовой тонкой проволоки диаметром 0,113—1,72 мм упрочнять различ­ ные матричные материалы. Наилучшими среди многочи­ сленных исследованных составов являются вольфрам без каких-либо добавок, сплавы вольфрама с рением (5— 26%) сплав вольфрама с 0,6% ниобия, сплав вольфрама с 0,5% титана, а также вольфрам + 0,6—3,0% окиси то­ рия.

Технологическая -схема получения вольфрамовой -про­ волоки включает следующие основные стадии:

107

1)прессование смеси порошков с получением штаби-

ко'в;

2)спекание штабиков в атмосфере водорода;

3)глубокий прогрев металла с целью сварки штаби­ ков при температуре, весьма близкой к температуре плавления;

4)высокотемпературная обработка давлением (рота­ ционная ковка, прокатка на планетарном стане, гидро­ статическое выдавливание) с целью получения компакт­ ной прутковой заготовки. Ротационная ковка вольфрама производится; в две стадии (на первой стадии 8—10 пере­ ходов, на второй 20—30 переходов) с промежуточным от­

жигом при температуре 2200°С в течение 16 мин (диа­ метр I O m im ) . Заготовки, полученные ротационной ковкой, могут иметь расслоения, поэтому в последние годы ин­ тенсивно исследуются оптимальные условия получения заготовок из тугоплавких материалов планетарной про­ каткой и гидроэкструзией;

5)волочение заготовки диаметром 2,75 мм без пред­ варительного отжига;

6)волочение на барабанных станах с промежуточны­ ми отжигами.

Предел прочности вольфрамовой проволоки возраста­ ет с ее утонением (рис. 46) [78]. Предел прочности тон­ чайшей вольфрамовой проволоки составляет 4500— 5000 МН/м2 (450—500 кпс/мм2). Волочение начинают

108

при температуре 900—1000°С, заканчивают-*-лри 600°С. Волочение ведут с коэффициентами вытяжки по перехо­ дам Цед= 1,17-М,21. При этом используют графитовые смазки.

Первый промежуточный отжиг (окислительный) про­ изводят на воздухе в газовом пламени при температуре 900—1000°С. Когда проволока достигает диаметра 0,5 мм, ее отжигают. Затем производят еще два глубоких отжига проволоки диаметром 0,3 мм и 120 мкм. Темпера­ туру отжига варьируют в зависимости от фактических свойств проволоки. В результате каждого отжига предел прочности может снижаться .на 30%.

После окончания волочения (минимальный диаметр обычно составляет 20 мкм) вольфрамовую проволоку, как правило, отжигают. При температурах отжига выше ЮО0°€ прочность проволоки заметно снижается [79].

'.Поверхность вольфрамовой проволоки очищают от смазки электролитической обработкой. Поэтому произво­ дят нитевой отжиг при температуре 900—ЗОСКНС в атмо­ сфере увлажненного водорода со скоростью 2,5 м/мин при расходе водорода 300 л/ч.

Производство молибденовой проволоки характеризу­ ется технологической схемой, весьма сходной с рассмот­

Молибденовая проволока имеет предел прочности при

Молибденовую проволоку отжигают при температу­ рах 800°С в атмосфере водорода в течение 3—8 мин во избежание разупрочнения проволоки (рис. 47).

Помимо тянутых проволочных волокон, для армиро­ вания можно использовать другие виды металлических волокон. В частности, для этой цели производят металли­ ческую шерсть — волокна с сечением остроугольного треугольника, получаемые шевингованием проволоки.

109

При шевинговании проволока проходит ряд строгающих блоков. Получаются нити длиной до 30 м. Этот вид инструментальных волокон легче оцепляется с матрицей [80], но реальная прочность таких волокон ниже, чем у проволоки. Кроме того, металлическая шерсть дороже проволочных волокон.

Металлические волокна можно получать также рез­ кой (шлицеванием) фольги.

Наконец, металлические волокна можно получать не­ посредственно из расплавов. Например, волокна из рас­ плавов алюминия, меди, магния, свинца, цинка, серебра и олова, сплавов на основе этих металлов и сталей экструди­ руют на вращающийся барабан или диск. -Под действием центробежных сил волокна вытягиваются до диаметра 4—75 мкм и приобретают совершенную поверхность.

Все перечисленные новые процессы получения воло­ кон, к сожалению, пока мало производительны.

4. ОКИСНЫЕ, КАРБИДНЫЕ И ДРУГИЕ ВОЛОКНА. ВОЛОКНИСТЫЕ МОНОКРИСТАЛЛЫ

Поликристалл'ические волокна сравнительно недоро­ ги, имеют большую длину и высокие прочностные харак­ теристики, несколько уступающие характеристикам во­ локнистых монокристаллов [81]. Этот вид волокон полу­ чают из окиси алюминия, нитрида бора, окиси хрома, дву­ окиси кремния, окиси железа, двуокиси титана, двуокиси урана, силиката циркония, цирконата бария, титаната бария, углерода, графита и др.

По существу все процессы получения волокон включа­ ют три основные стадии [2]:

4) приготовление суспензии либо коллоидального раствора;

2)экструдирование вязкой массы (формовка);

3)термическая обработка (обжиг) для удаления вла­

ги и органического связующего компонента, а также стабилизации кристаллической структуры волокна.

Второй стадии иногда не бывает. Рассмотрим пример получения окисных волокон в две стадии (первую и третью). На первой стадии растворяют металлы (Al, Fe, Mn, Ni, Cr, Со, Nb, Та, Th, Zr, Hf и др.) в уксусной,

лимонной, муравьиной, молочной, малеиновой илищтаконовой кислоте свозможной добавкой минеральных кислот до рН = 4. После предварительной фильтрации раствор выливают на лист стекла и нагревают до 80°С. По мере ис­

110