ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия

печь на спекание или сматывается в рулон. Таким образом, процесс прокатки можно рассматривать как непрерывное формование с постепенным уплотнением от сыпучего состояния материала до жесткого пористого тела.

Для повышения плотности и улучшения механических свойств спеченную ленту подвергают дальнейшей многократной холодной прокатке с промежуточными отжигами. После этих операций лента по своим свойствам не отличается от полученной из слитков. Порошковую ленту можно прокатывать в вертикальном и горизонтальном направлениях в зависимости от расположения прокатных лент.

Прокаткой порошка можно получать биметаллические и многослойные ленты и полосы. Для получения биметаллической ленты в бункер вставляется перегородка, которая нижним срезом доходит до зоны деформации и разделяет подаваемые порошки (рис. 9.6, а). Аналогичным способом можно получать и многослойные ленты. В этом случае в бункер устанавливаются несколько перегородок по числу слоев ленты (рис 9.6, б). Немного отличается от этой методики получение биметаллической ленты из компактного металла и порошкового слоя. В этом случае прокатка порошка проводится совместно с компактной подложкой. После прокатки заготовка спекается или подвергается дополнительной горячей прокатке. Так изготовляют тормозные стальные ленты, с фрикционным металлокерамическим слоем.

Прокаткой порошков можно получать не только листы и ленту, но и простейшие профили: прутки, проволоку и т. д.

9.1.3. Спекание

При спекании увеличивается поверхность контакта частиц, а также плотность материала и его прочность.

Температура спекания зависит не только от химического состава прессовки, но и от фракции порошка. В прессовках из тонких порошков частицы имеют большую внутреннюю и внешнюю (в связи с пористостью) поверхность, температуры спекания таких прессовок ниже, чем температуры спекания прессовок из порошков более крупной фракции того же состава.

Твердофазное спекание однокомпонентных прессовок производится при температуре около 0,7–0,9 их абсолютной температуры плавления. В начальной стадии спекания (рис. 9.7, а) снимаются наклеп и остаточные напряжения (возникшие при прессовании), что сопровождается ослаблением физического контакта между частицами, при этом относительная плотность остается практически неизменной (рис. 9.7, б). По достижении температуры, составляющей примерно половину температуры плавления, развиваются процессы восстановления оксидов и удаления из прессовки газообразных продуктов; снижение или повышение плотности на этом этапе зависит от начального количества оксидов и характера порообразования, препятствующего (при закрытых порах) или способствующего (при открытых порах) удалению газов. На последнем − высокотемпературном – этапе спекания идет

ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия

диффузионная рекристаллизация с полным развитием металлических контактов, что сопровождается уплотнением материала (рис. 9.7, в, г).

Твердофазное спекание двух- и многокомпонентных прессовок производится при температуре несколько ниже точки плавления наиболее низкоплавкого компонента в порошковой смеси.

Жидкофазное спекание многокомпонентных прессовок производится при нагреве несколько выше температуры плавления самого легкоплавкого компонента, вводимого в смесь порошков в качестве связующего, или точки плавления эвтектики этого компонента с другими компонентами порошковой смеси. От взаимной растворимости компонентов и их способности образовывать химические соединения зависит, будет полученный после спекания материал однофазным или многофазным.

Прессовки имеют, как правило, большую удельную поверхность и склонность к окислению, поэтому спекание производят чаще в нейтральной или восстановительной среде (вакуум, угольные засыпки, водород, азот).

Если на поверхности частиц находятся оксиды, не восстанавливающиеся водородом, то в шихту вводят сжатый углерод, восстанавливающий при нагреве металлы из оксидов (оксиды титана, магния, хрома, тантала, ниобия).

а б

Рис. 9.7. Схема объединения структурных элементов порошковой заготовки при уплотнении и спекании: а − сближение; б − соприкосновение;

в − начало объединения; г − полное объединение заготовок

Для спекания при температурах до 1100 °С применяют электрические печи сопротивления с нихромовыми элементами, при температурах до 1500 °С − с молибденовыми элементами, до 2500 °С − с вольфрамовыми элементами. Для спекания при более высоких температурах применяют высокочастотный нагрев или пропускают через заготовку электрический ток.

Температура спекания изделий конструкционного назначения из порошков на основе железа − 1100−1200 °С, на основе меди − 800−950 °С.

Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке при повышенных температурах. Обработка давлением позволяет снизить

ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия

пористость материалов и повысить их пластичность. Например, у спеченных заготовок вольфрама с исходной пористостью 38−40 % после ковки пористость снижается до 2−5 % и металл приобретает пластичность, необходимую для протяжки через фильеры или прокатки. Для снятия напряжений перед прокаткой заготовки из вольфрама подвергают промежуточному отжигу при температурах выше 1200 °С. После протяжки вольфрама в проволоку диаметром 0,05 мм пористость его снижается до 1 %.

9.1.4. Изделияизпорошковыхкомпозиционныхматериалов

Изделия из металлокерамических твердых сплавов − пластинки к ре-

жущему инструменту, к инструменту для буров при бурении горных пород, а также фильеры для волочения. Некоторые мелкие режущие инструменты (сверла, развертки, фрезы) изготовляют целиком из твердых сплавов.

Металлокерамические твердые сплавы очень тверды (82−92 HRA) и способны сохранять режущую способность до температур 1000−1100 °С. Основной составляющей таких сплавов являются карбиды вольфрама, титана, тантала. В качестве связующего применяют кобальт.

Антифрикционные и фрикционные изделия. Антифрикционные сплавы содержат дефицитные цветные металлы (олово, свинец, сурьма). Такие сплавы не могут работать в условиях сухого трения, при большой скорости скольжения, в агрессивных средах и при температурах выше 350 °С.

Для изготовления подшипников скольжения, вкладышей, втулок, уплотнителей все более широкое применение находят спеченные антифрикционные материалы, которые могут работать в названных выше условиях. Эти материалы характеризуются также низким коэффициентом трения, высокой износоустойчивостью и хорошей прирабатываемостью. Относительная пористость этих материалов (18−25 %) обеспечивает необходимую масловпитываемость; для пропитки маслом изделия обрабатывают в масляной ванне при температуре 100−120 °С.

Спеченными антифрикционными материалами являются железографит, железографит-медь, железомедь, бронзографит.

Фрикционные спеченные материалы применяют для прокладок в тормозных дисках машин, для тормозных лент и колодок в самолетах, тракторах и т. д. В состав их входят медь, железо, олово, графит, кремний. Эти материалы выдерживают давление до 7 МПа и нагрев до температуры 550 °С.

Фильтры, спеченные из порошков металлов и металлоподобных соединений, по сравнению с фильтрами из других материалов (из бумаги, фибры, фетра, металлической проволоки, фторопластовых и нейлоновых пористых материалов), имеют бóльшие прочность и стабильность формы, теплостойкость и теплопроводность, а также способность регенерироваться в

ГЛАВА 9.ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.1. Порошковая металлургия

процессе работы. Различные фильтры задерживают частицы размером от 10 до 1 мкм.

Фильтры изготовляют из порошков железа, стали, бронзы, титана. Они могут иметь форму лент, труб, стаканов.

Получение спеченных изделий включает калибровку и окончательную термическую обработку.

Традиционно для получения деталей используют порошки с размерами частиц от 400 до 20 мкм. Для некоторых специальных изделий необходимы тонкие порошки с частицами от 2 до 0,1 мкм. Это обусловливает переход от механических способов получения порошков к химическим и электрохимическим методам (восстановление в газовой и жидкой фазах, электролиз).

9.1.5. Проектированиетехнологичныхзаготовок

При проектировании порошковых деталей следует максимально уменьшать количество изменений толщины или диаметра заготовки вдоль оси, если это не противоречит конструктивной необходимости (поз. 1 на рис. 9.8). Толщина стенки изделия диаметром 10−15 мм и высотой 15–20 мм должна быть не менее 1,2–1,5 мм. У более крупных заготовок минимальная толщина стенки возрастает примерно по 0,8 мм на каждые 25 мм длины. Толщина данной части глухих отверстий должна быть не менее 2–3 мм. Отверстия располагаются на расстоянии не менее 2–3 мм от края заготовки и друг от друга.

В конструкциях изделий следует избегать:

•резких изменений толщины стенок (поз. 2 на рис. 9.8);

•узких и длинных выступов (поз. 3 на рис. 9.8) и выемок (поз. 4 на рис. 9.8); обратной конусности (поз. 5 на рис. 9.8);

•острых углов (поз. 6 на рис. 9.8) и других форм, приводящих к ослаблению пресс-форм;

•радиальных канавок (поз. 8 на рис. 9.8), выемок и отверстий, расположенных перпендикулярно к оси прессования (поз. 9 на рис. 9.8).

При сопряжении поверхностей следует предусмотреть радиус закругления не менее 0,25 мм для внутренних и не менее 2,5 мм для наружных поверхностей. Рекомендуется заменить фигурные отверстия в деталях круглыми (поз. 7 на рис. 9.8), что упрощает конструкцию пресс-формы.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс

Экструзия состоит в выдавливании расплава полимера через мундштук с отверстием, сечение которого определяется формой изделия. При обработке методом экструзии получают стержни, трубы, листы и пленки из термопластов (реже из реактопластов), а также из резиновых смесей (в резиновом производстве экструзию чаще называют шприцеванием).

На рис. 9.9 приведена схема работы экструдера. Порошкообразный или гранулированный полимер (или смесь сырой резины) засыпают в бункер, откуда он попадает на шнек 4 (вращающийся от электродвигателя винтовой ротор), который перемещает полимер в осевом направлении своими винтовыми поверхностями (как в мясорубке); при вращении шнека сжатие материала происходит вследствие уменьшения шага винта или глубины винтовой канавки. Перемещаемый в цилиндрическом кожухе питателя сыпучий материал проходит зону обогрева 3 с температурой от 100 до 400 °С в зависимости от обрабатываемого полимера. Расплав полимера концом шнека выталкивается в головку с мундштуком 2. Форма профиля фиксируется в результате охлаждения (термопласты), соединения функциональных групп (реактопласты) или вулканизации (резиновые смеси). При необходимости отверстия в изделиях образуются дорном 5. Полученное изделие 1 подхватывается транспортером 6.

Методом экструзии получают основную массу изделий из термопластов, резины и эбонита. Этот метод применяется также для получения некоторых видов изделий из термореактивных смол и композиций.

Метод раздувки применяют при изготовлении пустотелых изделий (рис. 9.10) и пленок.

Заготовка из термопласта в виде трубки 1 помещается между полуформами 3 (рис. 9.10, а). Формы смыкают и подают сжатый воздух через головку экструдера 2 (рис. 9.10, б). Сжатый воздух придает изделию 5 (рис. 9.10, в) нужную конфигурацию, которая фиксируется с помощью холодного воздуха, подаваемого по каналам 4.

Пленки и другие изделия из некоторых термопластов (полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола, целлулоида) получаются при раздувании труб.

6 5 4

Рис. 9.9. Горизонтальный экструдер: 1 − изделие; 2 – мундштук; 3 – нагреватель; 4 – шнек; 5 − дорн (оправка); 6 – транспортер

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс

Сжатый воздух

2 3

Рис. 9.10. Схема раздувки полых изделий: а – форма разомкнута; б – подача воздуха в форму; в – извлечение изделия

2 I

1

9

Сжатый

воздух

Рис. 9.11. Схема получения пленки методом раздувки: 1 – экструдер; 2 – формующая головка; 3 − рукав пленки; 4, 6 – направляющие ролики; 5 – тянущие ролики; 7 – рулон с пленкой; 8 − дорн (канал для подачи сжатого воздуха); 9 – канал для подачи расплавленного полимера

Cхема получения пленки методом раздувки представлена на рис. 9.11. Термопласт из рабочего цилиндра 1 экструзионной машины поступает в головку 2 и выдавливается через кольцеобразную щель 9, составленную мундштуком и дорном 8, в результате чего получается труба. Эта труба раздувается воздухом, поступающим к головке 2 по магистрали через дорн 8; пленка проходит холодильник, обдувающий ее снаружи холодным воздухом, а затем между направляющими роликами 4, 6 и через тянущие ролики 5, которыми трубчатая пленка складывается в плоский рукав. При надобности рукав срезается по краям, и тогда пленка наматывается рулоном 7 в виде двойной ленты шириной до 1400 мм. Давление воздуха внутри пузыря для получения рукава данного диаметра (а следовательно, и толщины пленки) остается постоянным. Изменение давления определяет соответствующее уменьшение или увеличение диаметра рукава.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс

Прессование пластмасс производят на гидравлических этажных прессах и в закрытых пресс-формах.

Прессование на этажных прессах применяют для получения листов и плит из ПВХ и слоистых фенопластов. Пленки термопластов или листы наполнителей, пропитанных термореактивной смолой, помещают в этажный гидравлический пресс между стальными плитами 1 (рис. 9.12), имеющими внутренние каналы для проточной воды или пара. Технологический режим прессования (температура, давление, продолжительность выдержки) зависит от вида полимера, толщины прессуемого изделия, вида и количества наполнителей.

Прессование в закрытых пресс-формах делится на обычное и литьевое.

Обычное прессование реактопластов (рис. 9.13) бывает горячим и холодным; оно требует весьма точной дозировки загружаемого пресс-материала, так как лишь очень незначительное количество его выдавливается между пуансоном 1 и матрицей 3. Излишки материала, выдавленные из матрицы при получении изделия 2, называют гратом или облоем.

Горячее прессование имеет большее распространение. Для прессования композицию (в виде гранул или ткани, пропитанной смолой) помещают в нагретую пресс-форму, где она разогревается и становится пластичной. При постепенном смыкании пресс-формы пресс-композиция заполняет все ее углубления и полости. Изделия выдерживают под давлением до отверждения. Часто пресс-композицию перед загрузкой в форму подогревают до температуры 80−150 °С (особенно при больших сечениях изделия): это обеспечивает повышение производительности и дает возможность снизить давление при прессовании. Подогрев производят токами высокой частоты, обеспечивающими выделение тепла внутри материала. Пресс-форму нагревают паром, газом, перегретой водой или электрическим током до 135−160 °С; давление при горячем прессовании − 10−55 МПа.

1

Методом горячего прессования перерабатывают в основном композиции на основе фенолоальдегидных смол и аминопласты, а также армирован-

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс

При штамповке пластмасс применяют два метода формования: направленной и свободной вытяжки.

Форма изделия при направленной вытяжке задается рабочими поверхностями матрицы и пуансона или только матрицы с применением давления воздуха или вакуума. На рис. 9.15 приведена схема направленной вытяжки с помощью формы, состоящей из пуансона 1 и матрицы 3. Для штамповки лист термопласта закрепляется в зажимах 2. Изделие 4 остается в форме до охлаждения.

Свободную вытяжку применяют для получения крупных изделий. Вытяжка производится по вакуумному или пневматическому методу, причем изделие не трется о стенки штампа, что особенно важно для получения гладких поверхностей оптических, прозрачных изделий. На рис. 9.16 приведена схема свободной вытяжки по вакуумному методу. Нагретая листовая заготовка зажимается между протяжным 2 и прижимным 4 кольцами с помощью зажимов 3. При откачивании воздуха из вакуум-камеры 1 заготовка 5 протягивается через кольцо 2. Величина вытяжки контролируется указателем 6.

Формование крупногабаритных изделий. Для изготовления из пластмасс крупногабаритных корпусных изделий (судовых корпусов, автомобильных кузовов) рассмотренные выше методы формования неприемлемы, так как требуют громоздкого и сложного оборудования. Для получения таких изделий применяют способ контактного формования и способ мешка.

По способу контактного формования (рис. 9.17) наполнитель (арми-

рующий материал) укладывают в форму 1 и смачивают кистью или из пульверизатора жидким связующим 2 (иногда в несколько слоев). Затем компо-

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.2. Способы формования изделий из пластмасс

выравнивают и сжимают (давление − 200−300 кПа). При нагреве в граничном слое макромолекулы переходят в пластичное состояние, приобретают подвижность, что способствует взаимной диффузии и свариванию частей.

Пластмассы, имеющие высокие диэлектрические свойства (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен и полистирол), не свариваются токами высокой частоты. Для сварки твердого поливинилхлорида применяют также нагрев трением, а для мягкого − нагрев паяльником, горячей лентой.

Поверхностные покрытия. Полимеры широко используют для поверхностных покрытий по металлу, дереву, бумаге, пластмассам с целью защиты от коррозии, эрозии и для декорирования. Покрытия делят на высыхающие при испарении растворителя и полимеризующиеся или окисляющиеся с образованием пленки на воздухе.

Покрытия из термопластов наносят также способом горячего напыления, при котором пластик в виде пасты или порошка пропускается через воздушно-ацетиленовое пламя. Размягченные частицы пластика попадают на защищаемую поверхность и покрывают ее сплошным ровным слоем.

Операции механической обработки пластмасс применяют преимущественно для удаления литников, облоя, заусенцев, приливов и снятия галтелей и фасок. Выполнение этих операций для реактопластов и жестких термопластов производится шлифованием электрокорундовыми кругами, а также резцами, фрезами, зенковками, причем для обработки заготовок с наполнителями, вызывающими абразивный износ (песок, стекловолокно), целесообразно использовать инструменты с твердыми сплавами, алмазом и эльбором.

Для удаления облоя используют также перфорированные шести или восьмигранные галтовочные барабаны, сделанные из листов поливинилхлорида или полиэтилена высокой прочности. Загруженные в барабан заготовки при его вращении соударяются между собой и со стенками барабана, в результате чего облой скалывается.

Доработка заготовок из эластичных полимеров производится преимущественно резцами и сверлами из быстрорежущей стали. Широкое применение для отделения литников системы имеет вырубка заготовок штампом.

Механическая обработка сверлением, точением, фрезерованием, шлифованием применяется также в тех случаях, когда прессованием или литьем под давлением не достигается необходимая точность размеров отдельных элементов изделий.

Для уменьшения шероховатости поверхности производят полирование заготовок войлочными кругами, на поверхность которых наносят пасту из смеси пемзы и воды; после мокрого полирования заготовки подвергают сухому полированию с использованием абразивной пасты из оксида хрома с парафином.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3. Композиционныематериалы. Классификация

Композиционными материалами (КМ) называют сложные материалы, в состав которых входит сильно отличающиеся по свойствам, нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Основой КМ (матриц) служат металлы или сплавы (КМ на металлической матрице), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. В матрице равномерно распределены остальные компоненты – упрочнители, их часто назы-

вают наполнителями или армирующими компонентами.

Требования к матрице:

•защищать от механических повреждений и окисления;

•обеспечивать высокую прочность и жесткость.

Волокна, используемые в качестве упрочнителя, должны обладать следующими свойствами:

•высокой температурой плавления;

•малой плотностью;

•высокой прочностью во всем интервале рабочих температур;

•технологичностью, минимальной растворимостью в матрице;

•высокой химической стойкостью.

Композиционные материалы получают следующими технологическими методами:

жидкофазным методом: пропитка и направленная кристаллизация сплавов;

твердофазным методом: прокатка, экструзия, ковка, штамповка, уплотнение взрывом, диффузионная сварка и др.;

методом осаждения – напыления: матрица наносится на волокна из растворов солей или других соединений, из парогазовой фазы, из плазмы и т.

п.;

комбинированным методом: последовательное или параллельное применение нескольких методов.

Композиционные материалы являются многофункциональными материалами. Тем не менее выделяют КМ:

широкого назначения (несущие конструкции, например, судов); жаропрочные (камеры сгорания); термостойкие (изделия, работающие в условиях теплосмен); фрикционные (тормозные колодки); ударопрочные (броня самолетов);

теплозащитные со специальными свойствами (магнитными, электри-

ческими и т. д.).

В настоящее время наука и производства, связанные с разработкой новых композиционных материалов, развиваются наиболее динамично.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3. Композиционные материалы. Классификация

Специалистами разработано и исследовано огромное количество КМ. Для того чтобы систематизировать КМ по различным признакам, грамотно реализовать процедуру их выбора для изготовления различных деталей, упорядочить терминологию в области материаловедения композитов, необходима обоснованная классификация этих материалов.

Единой общепринятой классификации КМ нет. Это объясняется рядом причин. Одна из них заключается в том, что КМ представляют собой широкий класс материалов, объединяющих металлы, полимеры и керамику. Современные технологии позволяют реализовать различные, считавшиеся ранее экзотическими сочетания исходных материалов. Разнообразие исходных материалов, сложность реальных структур в ряде случаев затрудняют классификацию получаемых КМ. К тому же вызывает трудности определение понятия «композиционный материал». Ниже рассмотрено несколько подходов к классификации КМ.

Деление композитов может осуществляться по ряду признаков.

Классификация КМ по размеру и геометрии наполнителя:

•КМ с нуль-мерными компонентами имеют в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы) и, следовательно, не имеют ни одного размера, соизмеримого с характерным размером элементарного образца КМ. В качестве примеров композитов такого типа можно привести дисперсно-упрочненные сплавы, металлы и сплавы, армированные частицами,

иматериалы на основе керамики, содержащие короткие нитевидные кристаллы, длина которых много меньше размера элементарного образца КМ;

•КМ с одномерными компонентами содержат армирующие компо-

ненты, один из размеров которых значительно превышает два других размера

исоизмерим с характерным размером элементарного образца КМ. Примеры КМ этой группы: волокнистые КМ на основе металлов и полимеров, армированные керамическими, борными, стеклянными волокнами;

•КМ с двумерными наполнителями содержат компоненты, имеющие два размера, значительно превосходящих третий размер и соизмеримых с характерным размером элементарного образца КМ. Примером материалов этой группы являются слоистые КМ, состоящие из чередующихся слоев Ti и Al и их сплавов;

•комбинированные КМ содержат два или три компонента различной размерности. Примером такого КМ служит пластик на основе эпоксидной смолы, армированный углеродными волокнами и короткими нитевидными кристаллами карбида кремния.

Классификация КМ по расположению наполнителя, т. е. по схеме армирования:

•КМ с одноосным (линейным) расположением армирующего компо-

нента. В таких КМ армирующие компоненты в виде волокон или ориентированных цепочек нитевидных кристаллов располагаются в матрице параллельно друг другу;

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3.Композиционные материалы. Классификация

•КМ с двухосным (плоскостным) расположением армирующего ком-

понента. Армирующие компоненты в виде волокон, фольг, матов из нитевидных кристаллов расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу;

•КМ с трехосным (объемным) расположением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в материале.

Существуют комбинированные КМ, армированные одновременно компонентами различной геометрии.

Классификация КМ по природе компонентов (матриц и наполни-

телей). По данному признаку КМ делят на четыре группы:

•с компонентами из металлов и сплавов;

•с компонентами из неметаллических элементов (например, углерода);

•с компонентами из неорганических соединений (окислов, карбидов,

нитридов);

•с компонентами из органических соединений.

В соответствии с этим признаком КМ углерод-углерод относится:

по природе матрицы − к группе КМ с матрицей из неметаллических элементов;

по природе армирующего компонента − к группе КМ со вторым компонентом из неметаллических элементов.

Углепластики относятся: по природе матрицы − к группе КМ с матрицей из органических соединений; по природе армирующего компонента − к группе КМ со вторым компонентом из неметаллических элементов.

Рис. 9.19. Примеры композиционных материалов: а – полиматричные; б – полиармированные

Дополнениями к группам являются комбинированные композиционные материалы. Полиматричные КМ (рис. 9.19, а) состоят из чередующихся слоев двух или более композиций с матрицами различного химического состава. Полиармированные КМ (рис. 9.19, б) содержат два и более различных наполнителя.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3. Композиционные материалы. Классификация

Если КМ состоят из трех или более компонентов, они называются

гибридными.

Классификация КМ по материалу матрицы (материаловедческий принцип). Общее название КМ, как правило, происходит от материала матрицы, поэтому различают:

металлические композиционные материалы (МКМ) − КМ с металли-

ческой матрицей;

полимерные композиционные материалы (ПКМ) − КМ с полимерной матрицей;

неорганические композиционные материалы − КМ с неорганической матрицей.

На рис. 9.20 приведен один из наиболее простых вариантов разделения композитов по типу матричного материала.

Рис. 9.20. Классификация КМ по материалу матрицы

Названия полимерных КМ обычно состоят из двух частей. В первой части называется материал волокна, во второй приводится слово «пластик» или «волокнит». Например, ПКМ, армированные стекловолокном, называют

стеклопластиками или стекловолокнитами. Для характеристики металли-

ческих композиционных материалов чаще используют двойное обозначение: вначале пишут материал матрицы, затем материал волокна. Например, обозначению Cu−W соответствует композиционный материал, в котором матрицей является медь, а волокнами – вольфрам.

В некоторых случаях для обозначения КМ используют одно сложное слово, например бороалюминий или углеалюминий.

Классификация КМ по структуре и расположению компонентов

(матриц и наполнителей):

скаркасной структурой. К ним относятся, например, псевдосплавы, полученные методом пропитки;

сматричной структурой. Такую структуру имеют дисперсно-упроч- ненные и армированные композиционные материалы;

со слоистой структурой. К материалам данной группы относятся композиции, полученные из набора чередующихся слоев фольги или листов материалов различной природы или состава;

скомбинированной структурой. К ним относятся материалы, имеющие комбинацию первых трех групп.

ГЛАВА 9. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

9.3. Композиционные материалы. Классификация

Кроме того, по ориентации и типу арматуры все КМ можно разделить на следующие группы:

изотропные − КМ, которые имеют одинаковые свойства во всех направлениях;

анизотропные − КМ, свойства которых зависят от направления армирующего компонента;

хаотично-армированные − КМ, которые содержат армирующие элементы в виде дисперсных включений, дискретных или непрерывных волокон;

упорядоченно-армированные:

однонаправленные (одноосно-армированные); двухосно-армированные (с плоскостным расположением арматуры); трехосно-армированные (с объемным расположением арматуры).