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

Выращивание «усов» происходит по трем основным механизмам:

а) из жидкой фазы (растворов или расплавов); б) из паровой фазы посредством химической реак­

ции либо возгонки; в) из твердых фаз путем диффузии.

Наиболее распространены в области производства армированных материалов волокнистые монокристаллы окиси алюминия. Эти волокна получают при контроли­ руемом окислении металла. При пропускании влажного водорода над алюминиевым порошком [окиси алюминия или интерметаллида, содержащего алюминий (темпера­ тура нагрева 1300—1500°С)] образуются иглообразные прозрачные волокнистые (Монокристаллы, которые ох­ лаждаются в холодной зоне печи.

При взаимодействии влаги с алюминием или водо­ рода с окисью алюминия ' устанавливается равновесие

= А120 з+4А1. Скорость последней реакции должна быть

туры медленно; они сохраняют высокие прочностные ха­ рактеристики до 1200°С (рис. 53) [2].

Помимо совершенства строения монокристаллов, прочность их зависит от поперечного размера (рис. 54— 56). Несмотря на то что с увеличением сечения прочность

121

Рис. 54. Влияние поперечного размера на прочность волок­

монокристаллов снижается, она остается на более вы­ соком уровне, чем у поликристаллических волокон (рис..

57) [2].

Графитовые волокнистые монокристаллы растут в виде (плотноскрученной фольги, т. е. имеют микрокри­

Z ^ 7

* Правильный шестиугольник.

122

Рис. 55. Изменение предела прочности «усов» А12Оз в зависимости от их поперечного размера [1]

123

тока между графитовыми электродами в атмосфере инертного газа под высоким давлением.

Весьма распространенными волокнами для армиро­ вания являются «усы» карбида кремния, имеющие вы­

В герметичной трубке из плавленого кварца при тем­ пературе 1300°С проводят пиролиз влажного этилена, в результате которого получают бесцветные волокнистые монокристаллы (3-SiC.

Рис. 58. Прочность волокнистых монокристаллов карбида кремния

Еще один способ получения «усов» SiC заключается

ввосстановлении силикатов углеродом при 1700—2000°С.

ВИнституте проблем материаловедения АН УССР разработан процесс получения монокристаллов кремния методом сублимации технического карбида кремния в

124

125

Глава III

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА МАТЕРИАЛОВ, АРМИРОВАННЫХ ВОЛОКНАМИ

В этой главе изложены основные стадии различных технологических процессов производства армированных материалов. С момента зарождения идеи армирования материалов волокнами с высокими физико-механически­ ми свойствами и до настоящего времени главными труд­ ностями считаются именно технологические. Технология производства армированных материалов имеет много общего с технологией получения других составных мате­ риалов, например биметаллов. Однако обработка высо­ комодульных, высокопрочных, сверхпроводящих и дру­ гих волокон с особыми свойствами значительно сложнее обработки биметаллов по многим признакам: большие ограничения в режимах деформации сборных заготовок, трудности подготовки волокон к введению в матрицу из-за их малой пластичности, малых сечений, а иногда и их дискретности (прерывности), многообразие и сложность способов введения волокон в матрицу при получении сборной заготовки, трудности при проведении отделочных операций вследствие наличия как минимум двух составляющих с различными физико-химическими свойствами, трудности обеспечения непрерывности об­ работки в технологических линиях из-за повышенной жесткости армированных изделий большой длины, на­ конец, трудности обработки (в том числе механической) полуфабрикатов и сборки изделий.

Как будет показано ниже, армированные волокнами полуфабрикаты (полосы, .профили, прутки, трубы, пли­ ты, ленты, листы-карточки, проволоку) можно получать различными способами в зависимости от их размеров, гвогметрии сечения, природы составляющих. Однако для всех технологических процессов общей остаются стадия подготовки поверхности волокон и элементов из мат­ ричного материала й сборки составной заготовки, за исключением получения композиций литьем.

1. ОЧИСТКА ПОВЕРХНОСТИ КОМПОНЕНТОВ АРМИРОВАННОГО МАТЕРИАЛА И СВОРКА ЗАГОТОВОК

Очистка поверхности волокон и матричных элемен­ тов-—важная стадия технологического процесса произ­ водства армированных материалов, так как степень

12?

чистоты контактных (в сборной заготовке) поверхностей в числе других факторов определяет качество, а иногда и возможность соединения компонентов, а значит, и ра­ ботоспособность материала. Следует иметь в виду, что при получении армированных материалов в отличие от слоистых биметаллов компактный полуфабрикат из сборной заготовки часто получается вследствие дефор­ мации только одной или преимущественно одной, более пластичной составляющей — матрицы, так как волокна обычно имеют значительно большую (на 1—3 порядка) прочность и сопротивление деформированию.

Кроме того, важность качества очистки поверхности компонентов, обусловлена назначением армированных полуфабрикатов и изделий — применением в высоконагруженных и других ответственных изделиях.

Очищать поверхность матричных плоских элементов можно всеми основными способами: мойкой, химической и электрохимической очисткой, ультразвуковой очист­ кой, механической очисткой и очисткой в органических растворителях. Трубчатые матричные элементы и во­ локна очищают всеми указанными способами, за исклю­ чением последнего.

Процессы мойки имеют разновидности — погружение в ванну, струйная очистка, очистка паром, очистка цир­ куляцией моющего раствора, комбинированные процес­ сы мойки с использованием ультразвуковых колебаний, мойка с предварительной или совмещенной механической очисткой щетками.

Погружением в' ванну можно обрабатывать полосы матричного материала и непрерывные нити волокон, но при этом, скорость обработки невелика. Более высокие скорости обработки поверхности возможны при струйной очистке.

В качестве моющей среды применяют растворы солей щелочных металлов, поверхностно активных веществ, растворы смесей указанных веществ и эмульсии, кис­ лотные растворы.

Щелочные моющие растворы (рН>10,6) целесооб­ разно использовать при температуре 70—90°С при со­ держании солей 45—75 г/л. Обработка при погружении в ванну длится 3—10 мин, при струйной очистке — ме­ нее 2,5 мин. Следует отметить, что в последнем случае можно применять более разбавленные растворы солей

127

(2—7 г/л), так как отмьгвку облегчает давление струи 5_20 Н/'см2 (0,5—2,0 кгс/см2). При струйной скоростной

очистке полос их ширина весьма ограниченна.' Основные компоненты щелочных моющих растворов

приведены в табл. 40.

На практике почти всегда применяют растворы сме­

ного .осаждения. Присутствие силиката предотвращает разъедание поверхности из ал эминия, меди и стали.

При, очистке поверхности матричных элементов для предупреждения разъедания их поверхности в щелочной раствор вводят ингибиторы. Например, при обработке алюминиевых полос рекомендуются такие ингибиторы:

а) соли хромовой кислоты (лучше кислые, концент­ рация 6—15%);

б) азотная кислота (концентрация 20%).

Нейтральными моющими растворами являются раст­ воры органических моющих средств (синтетических мыл). Вследствие значительной стоимости такие растворы при­ меняются крайне редко. Чаще синтетические мыла используют в качестве поверхностно активных добавок к щелочным растворам. Содержание их в растворе при очистке погружением 5—10%, при струйной очистке

0,25-2,0% .

128

В качестве поверхностно активных добавок можно использовать синтетические моющие неионогенные пре­ параты ОП-7 и ОП-Ю, «Новость», относящийся к алкилеульфатам R—S 0 4Na, а также алкиларилсульфО|Наты

где R содержит 8, 10, 12 или 14 атомов углерода), и др. [89].

Кислотные моющие растворы применяют также для очистки металлических поверхностей, в частности раст­ воры фосфорной кислоты с добавками поверхностно активных веществ. Авторы в процессе проведения ком­ плексных исследований процессов армирования алю­ миния и его сплавов стальной высокопрочной проволо­ кой для очистки последней чаще всего использовали кипящий 2%-ный раствор соляной кислоты с весьма незначительными добавками хромового ангидрида.

Процессы очистки мойкой экономичны, позволяют производить последующую промывку в воде, не связаны с использованием токсичных веществ, а также редких препаратов. К отрицательным сторонам этих процессов относятся: необходимость подогрева растворов, длитель­ ность очистки, необходимость перемешивания раствора, некоторая возможность химического взаимодействия очищаемой поверхности и раствора.

Химическую и электрохимическую очистку произво­ дят с целью удаления окалины и омыления жиров в кислотных или щелочных ваннах.

Основные средства химической очистки:

3)растворы органических кислот и специальные кис­ лотные растворы с добавлением поверхностно активных веществ;

4)щелочные растворы с органическими реагентами;

5)расплавы щелочей.

Химическая очистка производится погружением,, про­ тиркой, струйным способом с применением ультразвуко­ вых колебаний. Достоинства химической очистки — дос­ таточная эффективность, экономичность. Недостатки — коррозия очищаемой поверхности, потери металла, воз­ можная .водородная хрупкость металла.

Процессы химической и электрохимической очистки проволочных волокон подробно освещены в литературе

[31,52,61].

Электрохимическая очистка более производительна, чем химическая. Для большинства распространенных металлов и сплавов предпочтительнее применять анод­ ную или биполярную очистку, для подготовки поверх­ ности никеля лучше использовать катодную очистку.

Основные параметры электрохимической очистки различных материалов приведены в табл. 41.

Таблица 41

Параметры электрохимической очистки материалов [90]

Механическую очистку применительно к кампонентам армированных материалов можно использовать только при подготовке поверхности матричных элементов (в первую очередь плоских) и только в сочетании с дру­ гими метода1.ми очистки.

При проведении лабораторных исследований в ка­ честве подготовки поверхности образцов матричных эле­ ментов можно применять шлифование, в полупромыш­ ленных процессах — дробеструйную (мокрую) очистку и очистку вращающимися проволочными щетками. Сле­ дует заметить, что огрубление поверхности мягкого матричного материала в результате механической очист­ ки может положительно воздействовать на качество соединения, так как множество микронеровностей умеиь-

130