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

выми волокнами позволяет повысить предел прочности при 'высоких температурах в 2—16 раз, в то .время как армирование дискретными произвольно ориентированны­ ми волокнами— ее более чем в 1,7 раза (рис. 99) [81].

Рис. 99. Упрочнение горячепрессованных жаропрочных ма­ териалов волокнами из вольфрама. Температура испыта­ ний 1090°С; диаметр волокон 0,25 мм:

Прессование стальных профилей, армированных не­ прерывными волокнами, расположенными в форме спи­ ралей на поверхностях раздела матричных слоев, позво­ ляет значительно повысить их механические свойства при повышенных температурах (табл. 44 и 45) [95].

Прессование профилей с объемной долей волокон до 50% производят с обжатием по сечению 90—92%. Тем­ пературу нагрева и время выдержки меняли с изменени­ ем объемной доли волокон. Например, заготовки е 16% волокон нагревали до 1060°С и выдерживали 20—30 мин, заготовки с 50% волокон нагревали до 1200°€ и выдер­ живали в течение 1—3 ч. Прессование вели на прессе с усилием. 600 тс со стеклянной смазкой. При введении 50% волокон матрицы выдерживали только одну прес­ совку.

По тем же режимам можно получать горячепрессо­ ванные стальные профили и прутки, армированные мо­ либденовой проволокой, превосходство которых над мат­ ричным материалом увеличивается до температуры 983°С, а затем снижается (табл. 46), в то время как превосход­ ство армированного вольфрамовыми волокнами матери­

172

ала над матрицей увеличивается неуклонно с повышением температуры испытания.

Рассмотренные армированные материалы «а основе нержавеющей стали могут применяться при температу­ рах ^1093°С (при больших температурах из-за взаимодиффузии на границе матрица — волокно материал охрупчивается, снижаются ого прочностные характери­ стики) либо кратковременно при более высоких темпера­ турах.

Таблица 44

Совершенно особый процесс получения полуфабрика­ тов, армированных волокнами,— это обработка горячим прессованием некоторых двухфазных сплавов. Если во всех случаях, рассмотренных выше, матричные и арми­ рующие элементы сначала получали отдельно, затем собирали заготовку и ее подвергали деформации, то в данном случае волокнистый материал получают дефор­ мацией трехкомпонентных двухфазных сплавов при вьгсо-

173

Таблица 45

Характеристики армированного материала нержавеющая сталь — вольфрам в сравнение с характеристиками матрицы

_____ (нержавеющей стали). Объемная доля волокон 22% [95]______

Таблица 46

Характеристики армированного материала нержавеющая сталь — молибден в сравнении с характеристиками матрицы

(нержавеющей стали). Объемная доля волокон 18% [95]

174

ких температурах, когда частицы упрочняющей иятерме- таллич-еской фазы становятся пластичными и способны вытягиваться при прессовании в дискретные волокна. В частности, этим способом получают волокнистые материалы систем Си—Fe—А1 и Си—Fe—Сг Г112]. Упрочняю­ щими фазами в сплавах этих систем являются соответст­ венно ферриты алюминия и хрома. При высокотемпера­ турном прессовании (оптимальная температура 850— 950°С для сплава системы Си—Fe—А1 и 950°С для сплава системы Си—Fe—Сг) частицы упрочняющей фазы ока­ зываются настолько пластичными, что вытягиваются в в армирующие нити. Особенно сильно проявляется этот эффект в осевой зоне прессованных полуфабцркатов и з части профиля, прилегающей к прессоетатку,— по всему сечению.

Температуру прессования в данном случае выбирают главным образом исходя из способности упрочняющей фазы пластически деформироваться. Для интерметал,ли­ да FeAl3 интервал максимальной пластичности состав­ ляет 0,4—0,75 Гпл.

После прессования при 850—900°С с графитовой или стеклянной смазкой прочность прутков из сплавов систе­ мы Си—Fe—А1 достигает 1040 МН/м2 (104 кгс/мм2), последующая холодная деформация позволяет довести предел прочности до 1150 МН/м2 (115 кгс/мм2) при доста­ точно высокой пластичности (относительное удлинение 7,5%) либо до 1230 МН/м2 (123 кгс/мм2) при относитель­ ном удлинении 2,5%.

В табл. 47 показано влияние химического состава сплавов системы Си—Fe—А1 и режимов их обработки на механические свойства прессованных полуфабрикатов.

Получение прессованных полуфабрикатов из сплава Си—Fe—Сг основано на том же принципе. Кроме того, при термообработке сплавов этой системы отжиг мат­ ричной фазы (практически чистая медь) по температуре совмещается со старением волокон феррита хрома. Эта операция производится после прессования. Оптимальная температура термической обработки сплава (12% Fe и 8,86% Сг) 480°С. Отожженные полуфабрикаты легко деформируются волочением без нагрева заготовок.

Влияние режима обработки на механические -свойст­ ва тонких прутков из указанного сплава системы Си— Fe—Сг представлено в табл. 48.

Весьма перспективно получение армированных полу-

178

Таблица 47

Механические свойства (в долевом направлении) прессованных полуфабрикатов из сплавов системы Си—Fe—Сг

176

Таблица 48

Механические свойства тонких прутков ( 0 12 мм) и проволоки из сплава на основе меди с 12% железа и 8,86% хрома

изводства этим способом биметаллических слоистых из­ делий, что позволило успешно осуществить получение армированных полуфабрикатов. Сваркой взрывом, в ча­ стности, получали листы из алюминия и алюминиевого сплава марки АМгб, армированные высокопрочной сталь­ ной проволокой [113].

Технологическая схема получения листов в этом слу­ чае включала следующие основные этапы:

1)очистка поверхности матричных пластин и воло­

кон;

2)сборка пакета;

3)сварка взрывом;

4)отжиг армированного листа;

5)холодная поперечная прокатка (по отношению к направлению волокон) армированного листа на оконча­ тельную толщину.

После проведения сварки взрывом для снятия напря­ жений, возникающих в результате взрывного нагруже-

177

ния, и частичного восстановления пластичности матрич­ ного материала армированные листы отжигали при тем­ пературе 150°С в течение 1 ч. Последующую холодную прокатку армированных листов производили е щелью выравнивания и некоторого упрочнения. Положительная сторона рассматриваемого процесса — значительное упрочнение матричного материала. Например, предел прочности алюминия после сварки взрывом увеличива­ ется почти вдвое с 50—55 до 100 МН/м2 (с 5,0—5,5 до 10 игс/мм2), а сплава марки АМгб—с 270—280 до 350— 360 МН/м2 (с 27—28 до 35—36 кгс/мм2) .

Тем не менее предел прочности листов, армированных при прокатке, не уступает по значениям пределу прочно­

100) после сварки взрывом, отжига и холодной прокатки

с небольшим обжатием, в то время как горячекатаные армированные листы из того же сплава с той же .объем­ ной долей стальных волокон той же прочности [2800 МН/м2 (280 кгс/мм2)] имеют предел прочности 490— 540 МН/м2 (49—54 кгс/мм2) [115]. Учитывая, что предел

178

прочности сплава марки АМгб после 'горячей прокатки не выше 300—320 МН/м2 (30—32 кгс/мм2), а также ра­ венство в прочности армированных листов, получаемых сваркой взрывом я прокаткой, можно предполагать, что сварка взрывом, имеющая преимущество в упрочнении матрицы, уступает прокатке либо :в способности сохране­ ния прочности волокон, либо в возможностях образова­ ния прочных и надежных связей на контактных поверх­ ностях волокно — матрица.

Значительное упрочнение достигается при армирова­ нии сваркой (Взрывом листов из алюминия (рис. 101), причем относительное упрочнение особенно значительно при малых объемных долях волокон, когда предел проч­ ности армированных листов даже превышает расчетные (по правилу смеси) значения. Например, при введении 5% стальной проволоки с пределом прочности 2800 МН/ м2 (280 кгс/мм2) расчетный предел прочности армирован­ ного листа 173 МН/м2 (17,3 кгс/мм2), а действительный 187 МН/м2 (18,7 кгс/мм2), а при введении 3% проволоки соответственно 115 (11,5) и 155 МН/м2 (15,5 кгс/мм2).

В случае армирования алюминия и его сплавов про­ волокой из высокоуглеродистых сталей с сорбитной структурой выявляется положительное влияние ее на ме­ ханические свойства армированных листов. Нагрев до 100—200°С с выдержкой .1 ч вызывает отдых матричного металла, что несколько повышает пластичность, в то же время при указанных температурах наблюдается неко­ торое увеличение прочности армированных листов за счет дополнительного упрочнения волокон при этом ре­ жиме термической обработки [116].

Таким образом, сварку взрывом можно считать весьма перспективным процессом при получении армированных полуфабрикатов. Он не требует высокотемпературной деформации и термической обработки, что опасно из-за возможностей образования интерметаллических хрупких соединений в граничных участках матрица — волокно, а также из-за возможной рекристаллизации волокон. Кроме того, сварка взрывом обеспечивает достаточно прочное соединение компонентов [114] и не приводит к частым разрушениям и сильным ослаблениям волокон (максимальное разупрочнение стальных волокон в ре­ зультате сварки взрывом сборного плоского пакета со­ ставляет 20%) [116].

17Q

4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ И КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В предыдущей части главы рассматривались различ­ ные процессы получения армированных материалов пу­ тем пластической деформации заготовок. Достоинства этих процессов заключаются в значительном упрочнении матрицы, в отсутствии химического взаимодействия на границе матрица — волокно при правильно выбранном режиме, в высокой производительности (особенно при по­ лучении армированных материалов прокаткой и волоче­ нием).

Однако достаточно широко применяются и металлур­ гические процессы получения армированных материа­ лов — спекание порошка матрицы с волокнами, пропитка пучка или каркаса волокон расплавом матричного мате­ риала, заливка фасонного каркаса волокон матричным расплавом при изготовлении армированных фасонных отливок, получение армированных отливок направленной кристаллизацией расплава эвтектических сплавов.

Достоинство этих процессов — обеспечение прочного сцепления неметаллических волокон с матрицей за счет химического взаимодействия на граничных участках (с некоторым вынужденным ослаблением волокон). Метал­ лургические процессы целесообразны также при введе­ нии малопластичных'волокон любой природы, которые ■при совместной пластической деформации разрушаются. При армировании дискретными или достаточно пластич­ ными и непрерывными [волокнами можно комбинировать металлургические процессы армирования с последующей пластической деформацией.

На практике комбинированные процессы армирова­ ния металлов и сплавов применяют более широко, чем чисто металлургические процессы. .Наиболее часто ком­ бинируют спекание порошков или пропитку параллель­ ного пучка волокон с прессованием и прокаткой. Техно­ логическая схема комбинированных процессов такова:

1)приготовление порошка матричного материала;

2)введение волокон в матрицу путем засыпки смеси порошка и волокон в металлический стакан либо засып­ ки каркаса волокон, находящегося в металлическом ста­

кане, матричным порошком*.

* Второй вариант введения волокон в заготовке предпочтитель­

нее.

180