РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 8. Антифрикционные, порошковые и композиционные сплавы

ля, других металлов и используют для изготовления деталей приборов, которые работают в паре со сталью. Это спеченные алюминиевые сплавы (САС1

–25–30 % Si, 5–7 % Ni, остальное – Al); Tраб = 20–200 °С.

3.Магнитная металлокерамика двух видов – ферриты и магнитоди-

электрики.

Ферриты получают спеканием при 1 100–1 300 °С мелких порошков оксидов железа Fe2O3 и MnO, MgO, ZnO, NiO. Есть ферриты цинковые (ZnFe2O4), марганцевый (MnFe2O4). Плотность ферритов 3 000–5 000 кг/м³. Чем выше плотность, тем выше магнитные свойства. Ферриты – это ферромагнетики и магнитные полупроводники, поэтому их применяют в магнитных полях высокой частоты, где потери малы. Также ферриты используют в радиотехнике (ферритовые антенны), СВЧ-технике (вентили), в вычислительной технике (элементы оперативной памяти), в магнитофонах (покрытие пленок и дисков).

Магнитодиэлектрики – это композиция магнитных и изоляционных материалов (последние разделяют металлические частицы и являются связкой). Изоляционные материалы – фенольные смолы, полихлорвинил, каучук и другие, а их количество в магнитодиэлектрике – 5–15 %.

4. Металлокерамика с высокой коррозионной и электрокоррозионной стойкостью. Первую группу этих материалов изготавливают на основе вольфрама и молибдена с медью (МВ20, МВ80), с серебром (СМ30, СМ80, СВ30, СВ80), оксидом кадмия (ОК8, ОК15) и применяют для контактов в приборах, которые имеют высокую прочность, электрокоррозионную стойкость.

Материалы второй группы получают на основе меди или серебра с углем. Их назначение – токосъемники.

8.3. Композиционныематериалы

Композиционные материалы (композиты) – это искусственные материалы, состоящие из компонентов, разделенных выраженной границей, нерастворимые друг в друге и резко отличающиеся по свойствам. Компонент, непрерывный во всем объеме композита (КМ) называют матрицей, а прерывистый компонент, разделенный в композиции, – это армирующий элемент.

Свойства КМ резко отличаются от свойств компонентов, его образующих и превосходят их.

Классификация, строение и свойства КМ. Композиционные мате-

риалы, имеют более высокий предел прочности, предел выносливости, модуль упругости, более низкую склонность к трещинообразованию, более высокую жаропрочность, чем обычные материалы. Так как удельная прочность композитов (отношение предела прочности к удельному весу) в 2,5 раза выше, а коэффициент их использования в 1,8 раза больше, чем у сталей, то детали машин из КМ менее материалоемки. Классифицируют композиционные материалы по следующим признакам:

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 8. Антифрикционные, порошковые и композиционные сплавы

•материалу матрицы – на композиты с металлической матрицей и неметаллической;

•виду наполнителя – на композиты, упрочненные волокнами (волокнистые КМ); тонкодисперсными частицами (дисперсионно упрочненные КМ); слоистые КМ (рис. 8.3).

•структуре (в зависимости от взаимного расположения армирующих элементов) – на изотропные и анизотропные.

Изотропные – дисперсионно-упрочненные и хаотично армированные отрезками волокон. Анизотропные – с волокнами, ориентированными в различных направлениях (рис. 8.4).

Рис. 8.3. Схемы строения композиционных материалов: а –дисперсионно упрочненные; б –волокнистые; в – слоистые

Рис. 8.4. Расположение волокон в матрице композита: а – короткие волокна; б, в – непрерывные волокна, ориентированные в различных направлениях

Содержание наполнителя в композитах с ориентированными непрерывными волокнами – 60–80 % (объемных), а с хаотично расположенными дисперсными волокнами – менее 30 %. Диаметр волокон – от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше упрочнение. Свойства КМ регулируют содержанием волокна и взаимным их расположением (параллельное расположение непрерывных волокон придает максимальную прочность и жесткость).

Дисперсный упрочнитель – это чешуйки, сферы арматуры-наполнителя. Чем мельче частицы и меньше расстояние между ними, тем прочнее композит. Дисперсные частицы тормозят развитие дефектов в композитах. Высокую прочность придают частицы размером 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и содержанием 5–10 % об.

По применению композиционные материалы делят:

•на конструкционные (несущие конструкции, кузова, трубы);

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 8. Антифрикционные, порошковые и композиционные сплавы

•жаропрочные (энергетические установки);

•теплозащитные;

•фрикционные и антифрикционные (для узлов трения);

•материалы со специальными свойствами (электромагнитные, сверхпроводящие, оптические и т.д.).

Композиционные материалы с металлической матрицей (метал-

локомпозиты). Это материалы с матрицей из алюминия, магния, никеля и их сплавов. Армирующий упрочняющий элемент – это высокопрочные волокна (волокнистые КМ) или тонкодисперсные тугоплавкие частицы, нерастворимые в металле матрицы (дисперсионно упрочненные КМ). Композиционные материалы с металлической матрицей повышают жесткость конструкций и снижают ее металлоемкость.

Они являются конструкционными материалами:

•в авиации для изготовления высоконагруженных деталей (обшивки лонжеронов, панелей), двигателей (лопатки компрессоров и турбин);

•в автомобилестроении (кузова, рессоры, рамы, панели кузовов, бам-

перы;

•в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбай-

нов);

•в промышленном и гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений).

Основной компонент таких материалов – матрица, которая несет нагрузку. Эффект упрочнения достигается торможением дислокаций дисперсными частицами упрочняющей фазы. Максимальная прочность достигается при размере частиц упрочняющей фазы 10–500 нм, расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном их распределении в матрице. Оптимальный объем упрочняющей фазы – 5–10 % об.

Дисперсионно­упрочненные металлокомпозиты применяют на основе прежде всего алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок). Алюминий при этом является матрицей ячеистого строения, в которой распреде-

лены дисперсные частицы Аl2О3 – упрочнителя. Так как Аl2О3 не взаимодействует с матрицей, то прочность САП мало изменяется при нагреве (проч-

ность при 20 ºС ниже, чем у дуралюминов, а при 200–300 °С – выше). Содержание Аl2О3 в САП составляет от 6–9 до 13–22 %, при этом пре-

дел прочности повышается от 300 до 400 МПа, а относительное удлинение уменьшается от 8 до 3 %.

Плотность САП равна плотности алюминия, пластичность удовлетворительная, а коррозионная стойкость не уступает алюминию, поэтому они могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при рабочей температуре 250–500 °С. Из сплавов САП (САП-1 и САП-2) после спекания получают листы, прутки разного профиля или штамповки, которые используют как жаропрочные для работы на 30–50 °С выше, чем деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 8. Антифрикционные, порошковые и композиционные сплавы

Никелевые дисперсионно-упрочненные металлокомпозиты имеют высокую жаропрочность. Она максимальна в сплавах на основе никеля с 2–3 % об. двуоксида тория (ВДУ 1) или двуоксида гафния (ВДУ 2). Матрица в этих спла-

вах – γ твердый раствор Ni + 20 % Cr; Ni + 15 % Mo; Ni + 20 % Cr и Mo. Наибо-

лее распространены сплавы ВДУ 1, ВДУ 2 и ВДУ 3 (матрица Ni + 20 % Cr, упрочнённая оксидом тория). Это сплавы c высокой жаропрочностью (ВДУ 1 –

до 1 200 °С).

Армирующий компонент в этих композитах – тугоплавкие химические соединения (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворимые в матрице. Это обеспечивает высокую прочность металлокомпозитов до 0,9–0,95 Тпл.

Эти композиты имеют хорошую электро и теплопроводность, влагостойкость, широкий интервал рабочих температур, повышенную жёсткость и прочность в поперечном направлении и при сдвиге, если армированы однонаправленными волокнами.

Для обеспечения таких свойств матрица в композите должна окружать волокна, не давая им контактировать друг с другом, поэтому ее содержание должно быть 15–20 %. Кроме того, матрица не должна взаимодействовать с упрочнителем, иначе снизится прочность материала.

Волокнистые металлокомпозиты. Металлические волокна (стальная проволока) придают металлокомпозиту высокие электро и теплопроводность.

В металлокомпозитах на основе алюминия, магния и их сплавов упрочнителями являются борные (σв = 2 500–3 500 МПа) и углеродные (σв = 1 400–3 500 МПа) волокна, волокна тугоплавких соединений (карбиды, нитриды, бориды, оксиды) с высокими прочностью и модулем упругости. Например, волокна карбида кремния диаметром 10 мм имеют σв = 2 500–3 500 МПа, а Е = 450 ГПа. В качестве волокон для таких композитов могут использовать и проволоку из высокопрочных сталей.

Титан и его сплавы армируют молибденовой проволокой, волокнами сапфира, карбида кремния и борида титана.

Никелевые сплавы упрочняют вольфрамовой и молибденовой проволокой для повышения жаропрочности, а алюминиевые, магниевые и титановые сплавы – непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида, кремния, диборида титана и оксида алюминия. Скорость разупрочнения таких волокнистых материалов во времени при повышенных температурах очень мала. Ведутся работы по созданию высокопрочных металлокомпозитов с нитевидными кристаллами оксида и нитрида алюминия, карбида бора, которые име-

ют σв = 15 000–28 000 МПа и Е = 400–600 ГПа.

Недостаток одноосных волокнистых металлокомпозитов – резкая анизотропия физических свойств, которая отсутствует в композитах с объёмным армированием.

Разработаны следующие металлокомпозиты: алюминиево борный (ВКА-1А), магниево борный (ВКМ-1), алюминиево углеродный (ВКУ-1),