Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Состав и назначение дисперсно-упрочненных композитов.

При дисперсном упрочнении частицы блокируют процессы скольжения в матрице. Эффективность упрочнения при условии минимального взаимодействия с матрицей зависит от вида частиц, их объемной концентрации, а также от равномерности распределения в матрице.

Применяют дисперсные частицы тугоплавких фаз типа А1₂0₃, Si0₂, BN, SiC, имеющие малую плотность и высокий модуль упругости. Композиты обычно получают методом порошковой металлургии, важным преимуществом которого является изотропность свойств в различных направлениях.

В промышленности обычно применяют дисперсно-упрочненные композиты на алюминиевой и реже — никелевой основах. Характерными представителями этого вида композитов являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра), которые состоят из алюминиевой матрицы, упрочненной дисперсными частицами оксида алюминия. Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного металла с последующим измельчением в шаровых мельницах до размера около 1 мкм в присутствии кислорода. С увеличением длительности помола пудра становится мельче, в ней повышается содержание оксида алюминия.

Дальнейшая технология производства изделий и полуфабрикатов из САП включает в себя холодное прессование, предварительное спекание, горячее прессование, прокатку или выдавливание спеченной алюминиевой заготовки в форме готовых изделий, которые можно подвергать дополнительной термической обработке.

Сплавы типа САП удовлетворительно деформируются в горячем состоянии, а сплавы с содержанием А1₂0₃ 6…9% — и при комнатной температуре. Из них холодным волочением можно получить фольгу толщиной до 0,03 мм. Эти материалы хорошо обрабатываются резанием и обладают высокой коррозионной стойкостью.

Марки САП, применяемые в России, содержат 6…23% А1₂0₃. Различают САП-1 с содержанием 6…9%, САП-2 с 9… 13%, САП-3 с 13… 18% А1₂0₃. С увеличением объемной концентрации оксида алюминия возрастает прочность композитов. При комнатной температуре характеристики прочности САП-1 следующие: о_в = = 280 МПа, а_0>2 = 220 МПа; САП-3: о_в = 420 МПа, а_0>2 = 340 МПа.

Материалы типа САП обладают высокой жаропрочностью и превосходят все деформируемые алюминиевые сплавы. Даже при температуре 500 °C они имеют а_в не менее 60 МПа. Жаропрочность объясняется тормозящим действием дисперсных частиц на процесс рекристаллизации.

Характеристики прочности сплавов типа САП весьма стабильны. Испытания длительной прочности сплавов типа САП-3 в течение 2 лет практически не повлияли на уровень проявления их свойств, как при комнатной температуре, так и при нагреве до 500 °C. При 400 °C прочность САП в 5 раз выше прочности стареющих алюминиевых сплавов.

Сплавы типа САП применяют в авиационной технике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, работающих при температурах до 500 °C. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников.

Синтегран. Слово «синтегран» означает синтетический гранит. Синтегран используют для изготовления инструмента, специальной оснастки, ответственных деталей измерительных комплексов, высокоточных и специальных станков (точность обработки которых составляет 0,001 мкм), шпал для метрополитена, изделий бытового и мемориального назначения, а также многих других деталей.

Работы по созданию синтеграна в нашей стране были начаты в 1983 г. в Экспериментальном НИИ металлорежущих станков при непосредственном участии специалистов Российского университета дружбы народов.

Поскольку состояние современного литейного производства не позволяет поставлять чугунные отливки конструкционных элементов металлорежущих станков требуемого качества, станкостроительные заводы вынуждены использовать при изготовлении станин станков альтернативные материалы. В частности, даже для изготовления станин универсальных станков стали использовать модифицированные бетоны.

Для изготовления элементов станков, обладающих особо высокой точностью и работающих в области высокочастотных колебаний (расточные, шлифовальные станки, станки для физикохимических методов обработки и др.), целесообразно использовать синтегран, который на данном этапе развития станкостроения является безальтернативным материалом.

Синтегран состоит из полимерного связующего и высокопрочных минеральных наполнителей и заполнителей.

Полимерное связующее состоит из смолы и отвердителя. От вида связующего, его содержания зависят свойства и физико-механические характеристики композита.

Наполнители — это мелкодисперсные порошки с размером частиц менее 100 мкм и имеющие удельную поверхность порядка 1 000 см²/г. Количество наполнителя в синтегране определяют опытным путем.

При изготовлении синтеграна в качестве наполнителя используют кислотоустойчивый порошок марки ПК-1, который представляет собой помол переплава габбро-диабаза и пироксенового порфита с удельной поверхностью 2 300…2500 см²/г.

Заполнители — это различные фракции минерального вещества (щебня) с размерами зерен 6,3…20 мм. От вида, количества и размера фракций заполнителя зависят прочностные свойства материала. При изготовлении синтеграна используют щебень габбро-диабаза.

Поводом для разработки синтеграна послужило то, что многие конструкции высокоточных станков, оснастки и инструмента, выполненные из металла, не соответствуют предъявляемым требованиям, а изготовление их из натурального камня, например гранита, весьма трудоемко и экономически невыгодно. Существуют конструкции, которые из натурального минерала выполнить технически невозможно.

Использование же синтеграна снимает перечисленные проблемы.

По сравнению с чугуном, который традиционно применяется при изготовлении несущих элементов станков, синтегран имеет ряд преимуществ:

• • более высокие демпфирующие способности;
• • высокая тепловая стабильность и нечувствительность к кратковременному перепаду температур;
• • высокая временная стабильность геометрических размеров из-за малых внутренних напряжений;
• • высокая стойкость к действию агрессивных сред;
• • малая усадка, позволяющая изготавливать детали без последующей механической обработки;
• • высокий коэффициент использования материала (практически равный 1);
• • простота и малые габаритные размеры используемого оборудования, высокая производительность при малых энергозатратах;
• • возможность полной автоматизации технологического процесса изготовления.

Замена изделий из чугуна на изделия из синтеграна позволяет значительно повысить точность изготавливаемых станков, измерительных комплексов и отдельных узлов и деталей, а также снизить трудовые и материальные затраты (табл. 2.5).

При производстве высокоточного оборудования в таких странах, как Германия, США, Франция, Швейцария, Великобритания, Япония целенаправленно используют материалы, аналогичные синтеграну и серийно выпускают станки, измерительные комплексы, приспособления и оснастку с элементами, выполненными из композитов.

В зависимости от назначения различают три основных типа синтеграна:

• • для изготовления корпусных деталей станков — синтеграны, которые обладают высокой жесткостью, прочностью, стабильностью размеров и физико-механических характеристик во времени. К этому типу материалов не предъявляют дополнительные требования по высокой износостойкости, низкому коэффициенту трения и т. п., поскольку эти детали не подвергаются механической обработке, а их рабочие поверхности выполняют из других материалов;
• • изготовления корпусов инструмента и специальной оснастки, а также деталей измерительных машин и приборов — синтеОбласти применения синтеграна в станкостроении и инструментальной промышленности

CD.

СО граны, обладающие перечисленными свойствами, а также обладающие высокими износостойкостью и термостабильностью и возможностью механической обработки;

• изготовления деталей оснастки и станков для физико-химических методов обработки — синтеграны, обладающие повышенной стойкостью к агрессивным средам, а также имеющие специальные свойства, например диэлектрические.

Кроме того, изготавливаемые детали отличаются друг от друга по размеру, массе, толщине стенок, что также влияет на состав синтегранов.

Поскольку компонентами синтегранов являются наполнители, заполнители и полимерное связующее, то от их свойств и соотношения решающим образом зависят и свойства готового материала.

Заполнители выполняют роль своеобразного скелета синтеграна и определяют свойства материала в целом. В качестве заполнителей рекомендуют применять твердокаменные породы — базальты, граниты, габбро-диабазы в виде щебня с размерами зерен от 60 мкм до 20 мм.

В зависимости от коэффициента технологичности К_т синтеграны можно разбить на 5 групп: сверхжесткие, К_т = 1,1… 1,2; жесткие, К_т = 1,25… 1,45; нормальные, К_л = 1,5… 1,7; пластичные, К_т = = 1,75… 1,9; сверхпластичные, К_т = 2,0…2,1.

Сверхжесткие и жесткие смеси в своем составе имеют очень малое количество связующего и их формование затруднено из-за необходимости создания избыточного давления. Такие смеси не используют для изготовления ответственных деталей.

Сверхпластичные смеси, наоборот, имеют большое количество связующего, вследствие чего они не обладают оптимальными физико-механическими характеристиками и используются, в основном, при изготовлении второстепенных изделий.

Для изготовления ответственных деталей оснастки и инструмента используют нормальные и пластичные смеси с содержанием связующего 6… 10 и 7,5… 13% соответственно.

Количество связующего оказывает большое влияние на свойства композиционного материала: чем его больше, тем более упрощается технологический процесс и повышаются демпфирующие способности, но снижается модуль упругости, повышается усадка, ведущая к внутренним напряжениям, снижается стабильность размеров во времени.

При увеличении размеров максимальной фракции заполнителя повышаются прочностные характеристики, но повышается трудоемкость изготовления и снижается технологичность.

Разработанные применительно для станкостроения составы синтегранов обладают достаточно высокими физико-механическими характеристиками и не уступают материалам, предназначенным для аналогичных целей, например гидробетонам. КомпоФизико-механические характеристики чугуна, натурального гранита и синтеграна.

зиционные материалы позволяют в 6—15 раз снизить радиоактивное излучение по сравнению с традиционно применяемыми для этих целей материалами при одинаковых габаритах конструкции. Сравнительные физико-механические характеристики чугуна, натурального гранита и синтеграна приведены в табл. 2.6; синтеграна и гидробетона — в табл. 2.7.

Сравнительные характеристики синтеграна и гидробетона Таблица 2.7.

Области применения синтеграна

Более чем двадцатилетний опыт применения синтеграна в России показал, что область его использования весьма обширна и не ограничивается только станкостроением (табл. 2.8).

Из синтеграна строят бункеры и контейнеры как для наземного, так и для подземного захоронения радиоактивных отходов (табл. 2.9, рис. 2.6 и 2.7).

Таблица 2.9.

Эффективность защиты от радиоактивного излучения различными материалами при коэффициенте ослабления 14

Рис. 2.6. Вариант подземного захоронения радиоактивных отходов

Рис. 2.7. Вариант наземного захоронения радиоактивных отходов.

В настоящее время полностью отработаны технологии изготовления из синтеграна изделий, конструкций оснастки и литейных форм, имеется полный комплект конструкторской и технологической документации, санитарные сертификаты и многолетний опыт эксплуатации изделий.