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

лов, карбидов и др. Для улучшения их сцепления с мат­ рицей обычно используют легирующие присадки к мат­ рице или на волокна наносят покрытие, что вызывает, в конечном счете, реакции взаимодействия на поверхности раздела, которые, улучшая схватывание, понижают прочность материала из-за ухудшения свойств волокон.

Надо отметить, что в литературе имеются весьма ог­ раниченные данные о влиянии взаимодействия волокна и матрицы на свойства армированных материалов.

При исследованиях металлических композиций и создании армированных материалов можно руководство­ ваться данными о поведении разнородных материалов в биметаллах, о чем имеется достаточно сведений.

Из наиболее известных работ следует отметить ис­ следования, проведенные Петрасеком и Уитоном [26, 27], которые изучали влияние реакций, обусловленных легированием, на прочность композиций при их армиро­ вании металлическими волокнами. Они легировали медь элементами с различной растворимостью в вольфраме и полученными сплавами пропитывали пучки вольфрамо­ вых волокон. Это позволило сравнить влияние легирую­ щих элементов на прочность и микроструктуру компо­ зиций. Матричные двойные сплавы получали легирова­ нием меди алюминием, никелем, хромом, кобальтом, ни­ обием и др. Данные испытаний показали, что свойства полученных композиций были хуже, чем при пропитке вольфрамовых волокон чистой медью. Отсюда было сде­ лано заключение, что это ухудшение свойств композиций обусловлено поверхностными реакциями е участием ле­ гирующих добавок.

Исследованиями было установлено, что на поверхно­ сти раздела волокно—матрица возможны реакции сле­ дующих типов: 1) диффузия легирующего элемента в волокно и рекристаллизация зерен на периферии воло­ кон; 2) выпадение вторичной фазы на периферии воло­ кон без рекристаллизации; 3) образование твердого ра­ створа без рекристаллизации волокон.

Композиции на основе легированной меди, как уже отмечалось выше, имели меньшую прочность по сравне­ нию с композициями с нелегированной матрицей. Иссле­ дованиями установлено, что падение прочности вызвано главным образом ухудшением свойств вольфрамовых волокон, обусловленным диффузией легирующих эле­ ментов из матрицы в волокно и последующей рекристал-

зо

лизацией волокна на периферии. С увеличением глуби­ ны диффузионного проникновения и объема рекристаллизованной зоны в волокне возростало и снижение проч­ ности, причем прочность снижалась сильнее, чем это можно было ожидать, исходя из одного увеличения пло­ щади рекристаллизованного волокна. Ухудшение меха­ нических свойств композиции было приписано влиянию трещин, поскольку известна чувствительность вольфрама к такого рода дефектам.

Поскольку рекристаллизованный вольфрам при ком­ натной температуре чрезвычайно хрупок, можно считать, что рекристаллизованная зона в волокне разрушается первой, создавая эффект надреза (трещины) по перифе­ рии.

О подобном снижении прочности в армированных вольфрамом сплаве Рене-41, кобальте, кобальтовом сплаве и нихроме упоминается в работе [28].

При выборе состава армированного материала необ­ ходимо сопоставлять данные по действительной прочно­ сти волокон. Необходимо помнить, что более прочные и легкие волокнистые монокристаллы и поликристалдические волокна графита окислов, карбидов и других в от­ сутствие реакций взаимодействия на границах раздела не соединяются с 'матричными материалами, а иницииро­ вание этих реакций существенно ослабляет волокна. Кроме того, указанные упрочнители малопластичны, и их повреждения при производстве композиции совместной пластической деформацией компонентов, объединенных в сборную заготовку, более чем вероятны. Металлические волокна во многих случаях более неприхотливы в обра­ ботке и являются более надежными упрочнителями.

В заключение необходимо отметить, что к настояще­ му времени изучены многие методы упрочнения метал­ лов и сплавов различными видами волокон и установле­ ны общие зависимости физико-механических характери­ стик композиций от основных факторов, что позволяет во многих случаях считать реальным создание промыш­ ленной технологии производства армированных полуфаб­ рикатов и изделий.

В ближайшем будущем наиболее актуальными те­ мами для исследований, очевидно, будет изучение ха­ рактера течения металла при деформировании заготовок армированных полуфабрикатов и изделий, исследование технологических параметров схватывания компонентов

31

определение действительных показателей материалов в зависимости от состава компонентов, наличия и состава промежуточных 'материалов (-«подслоев») и пр., т. е. изу­ чение массы частностей, знание и статистическая обра­ ботка которых могут дать подвод к более глубоким обобщениям.

Необходимо отметить также, что непрерывное разви­ тие процесса армирования находится .в прямой связи с исследованием путей повышения физико-механических и технологических характеристик волокон, с'Созданием но­ вых видов волокон,, а также с созданием специализиро­ ванной .технологической.оснастки и оборудования' для получения и обработки армированных материалов.

Глава II

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ВОЛОКНА ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Как показано в предыдущей главе, свойства армиро­ ванных материалов главным образом определяются "ха­ рактеристиками волокон.

Для армирования матриц можно использовать мно­ жество видов волокон из различных материалов — про­ волочные волокна из сталей, вольфрама, молибдена, ти­ тана, бериллия, ниобия и их сплавов; никелевых и ко­ бальтовых сплавов и т. д.-, стекловолокно, графитовые и угольные волокна, кремнеземные волокна, волокна бора, волокнистые монокристаллы окислов алюминия,' крем­ ния; тория, железа и других металлов, карбидные моно­ кристаллы и т. д.

Применение тех или иных монокристаллов для арми­ рования какого-либо матричного материала обусловлено -областью применения конкретного армированного изде­ лия или полуфабриката.. Армированные материалы в этом смысле имеют несомненное преимущество перед обычными материалами, так как при их производстве заготовка составляется из таких компонентов и таким образом, чтобы получить наибольший эксплуатационный эффект данного изделия.

Одним из самых доступных видов-волокон является высокопрочная металлическая .проволока, которая по конструктивной прочности не уступает; а часто превосхо­

32

дит другие виды волокон и, кроме того, более выгодна с экономической точки зрения и более надежна в эксплу­ атации.

Ниже рассмотрены металлы и сплавы, используемые для производства высокопрочной проволоки, особенности технологии производства и свойства проволоки.

1. ВЫСОКОПРОЧНАЯ НЕРЖАВЕЮЩАЯ ПРОВОЛОКА, ЕЕ СВОЙСТВА И ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА

‘Высокопрочная проволока из нержавеющих сталей — один из наиболее распространенных упрочнителей раз­ личных матриц при создании конструкционных армиро­ ванных материалов, работающих при температурах от —.196 до + 350°С. Преимущество проволоки из нержаве­ ющей стали над проволокой из углеродистых сталей за­ ключается в наличии пассивной поверхности, с трудом вступающей во взаимодействие не только с атмосферой, но и.с матричными материалами.

Вопросы металловедения и термической обработки высокопрочных нержавеющих сталей широко освещены в работах отечественных и зарубежных авторов [29,30]. Вопросы теории деформирования волочением и совре­ менной технологии производства проволоки из нержаве­ ющих сталей подробно изложены в монографии авторов [31], отдельные вопросы освещены в статьях других ав­ торов [32, 33].

Высокопрочные нержавеющие стали обычно класси­ фицируются по структуре матричной фазы после терми­ ческой обработки для получения однофазной структуры на следующие три группы:

1)стали, имеющие мартенситную (или в основном мартенситную) структуру после, закалки с температур, обеспечивающих однофазную структуру, а также после отпуска (старения);

2)стали, имеющие аустенитную (или в основном аустенитную) структуру после закалки из однофазной

области и мартенситную структуру после специальной термической обработки (дестабилизирующего, нагрева и окончательного отпуска), обработки в области отрица­ тельных температур (обработки холодом) или .после хо­ лодной пластической деформации;

3) стали, имеющие аустенитную структуру после за­ калки, подразделяющиеся на две подгруппы: стали с не-

стабильным в условиях деформации аустенитом; стали со стабильным аустенитом.

Проволока из мартенситных сталей

Восокопрочная проволока производится из нержаве­ ющих сталей мартенситного класса следующих марок: 3X13, 4X13, Х17Н2, 13Х14НЗФА, 17НС-60, 17НС-90, 17-4РН, VJM, W, 431 и др., состав которых указан в табл. 1. Как правило, высокие механические свойства проволоки из этих сталей обеспечиваются в результате окончательной термической обработки — закалки с вы­ соких температур и отпуска в окончательном размере. Повышение температуры закалки с 950 до 1050°С обес­ печивает возрастание механических (и прочностных и пластических) характеристик проволоки из сталей марок

3X13 и 4X13 (табл. 2).

Таблица 2

Высокопрочная проволока из стали марки Х17Н2 про­ изводится реже, чем из сталей марок ЗХ'Ш и 4X13, так как эта сталь содержит 6-феррит и чувствительна к от­ пускной и тепловой хрупкости. Интервал отпускной хруп­ кости находится в .пределах 450-^550ч€. В то же время коррозионная стойкость проволоки из стали марки Х17Н2 выше благодаря более высокому содержанию хрома. При производстве проволоки полуфабрикат в де­ формированном, состоянии имеет невысокие механиче­ ские свойства, так как степень деформации при волоче­

нии невелика. Проволока поставляется обычно после двухступенчатого отпуска.

В результате закалки с более высоких температур уве­ личивается количество остаточного аустенита, в связи с чем оптимальной температурой закалки следует считать 1050°С. Очень высокая прокаливаемость сталей марок 3X13 и 4X13 .позволяет получать высокопрочную прово­ локу в широком интервале размеров.

Отпуск проволоки из рассматриваемых сталей обес­

20

О

200 400 600

Тем п ерат ура

от п у с к а , °С

локи и прежде всего прочность. Так, например, для стали марки 3X13 наибольшую прочность [2000 МН/м2 (200 кгс/мм2) ] приобретает проволока, отпущенная при температуре 200°С.

Упрочняющая термическая обработка заключается в закалке с температуры 1020—1060°С в масле или на воз­ духе и последующем отпуске при температурах 250— 400°С (оптимальный интервал температур отпуска 300— 350°С). Наиболее высокое упрочнение обеспечивается при охлаждении до отрицательных температур за счет распада остаточного аустенита. Лучшие механические свойства имеют полуфабрикаты из сталей с 17% Сг и более высоким содержанием углерода (табл. 3).

Сталь марки Х17Н2 и близкие ей по составу могут приобретать высокие механические свойства в результа­ те обработки, общепринятой при производстве высоко­

36

прочной нержавеющей проволоки из аустенитных и аустенито-мартенситных сталей, — холодного волочения и окончательного отпуска, но этот способ обработки мартенситных сталей не типичен в сталепроволочном

производстве, так как экономически выгоднее произво­ дить деформацию .волочением этих сталей при невысоких значениях прочности и впоследствии обеспечивать высо­ кие механические свойства упрочняющей термической обработкой.

Проволока из сталей марок W и 17-4РН производит­

высокопрочной нержавеющей проволоки из сталей мар­ тенситного класса в различных отраслях техники.

Широко применяется высокопрочная проволока из мартенситных нержавеющих сталей и за рубежом. На­ пример, на заводах ГДР получают проволочные полу­ фабрикаты из сталей с содержанием углерода ^0,22% , приобретающие очень высокие механические свойства после полной упрочняющей термической обработки.

'Предел прочности проволоки из мартенситных ста­

лей, производимых на заводах ГДР [36], приведен ниже. МН/м2:

37

Фирма «International Nickel Company» [35] разрабо­ тала дисперсионно твердеющую мартенситную сталь со­ става: 0,03% С, 0,1% Si, 0,1% Мп, 17—19% -Ni, 7—8% Со, 4,6—б,Т% Мо, 0,3—0,6% Ti с небольшими добавками бора и циркония. Сталь легко подвергается горячей де­ формация. Предел прочности в результате старения по­ вышается с 950—1000 до 1750—1950 МН/м2 (с 95—100

до 175—190 кгс/мм2), а пластичность остается высокой

стали, а также проволоку промежуточных диаметров в зависимости от структурного класса стали подвергают различным видам термической обработки, назначение которой — создать запас пластичности, необходимой для волочения.

Катанку из сталей мартенситного класса вследствие того,, что при охлаждении на воздухе после горячей про­ катки в структуре ее имеются более или менее значитель­ ные количества мартенсита, следует непосредственно по­ сле горячей прокатки подвергать смягчающему отжигу для отпуска мартенсита и снятия части внутренних на­ пряжений.

Катанку из сталей марок 3X13 и 4X13 можно подвер­ гать отжигу по одному из двух различных режимов: от­ жигу с нагревом до температур ниже температуры аусте­ нитного превращения (760—780°С) или отжигу с нагре­ вом до температуры выше температур аустенитного пре­ вращения структуры (800—850°С). В последнем случае для обеспечения высокой пластичности стали необходи­ мо медленное охлаждение с высоких температур в обла­ сти температур распада аустенита (обычно охлаждение проводят с печью до температуры 600°С). Высокотемпе­ ратурный отжиг с медленным охлаждением позволяет получить наиболее высокую пластичность стали. Одна­

39