В волокнистых материалах матрица скрепляет волокна в единый монолит, защищая их от повреждений. Она является средой, передающей нагрузку на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перераспределяет напряжения.
Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных волокон в. пластичной матрице. Объемная доля волокон может колебаться от 15 до 25%. Поверхности раздела в волокнистых композиционных материалах рассматриваются как самостоятельный элемент структуры в которой происходят процессы растворения, образования и роста новых фаз. Здесь формируется связь между упрочняющим волокном и матрицей. От совершенства такой связи зависит уровень свойств волокнистых композиционных материалов.
В качестве методов получения композиционных материалов используются горячее прессование, пропитку жидким металлом, электроосаждение, экструдирование и прокатку, сварку взрывом, эвтектическую кристаллизацию.
В настоящее время наиболее широко применяются волокнистые композиционные материалы на основе алюминия, магния, титана и никеля.
На основе алюминия можно получить волокнистые композиции алюминий-сталь, алюминий-молибден, алюминий-карбид кремния, алюминий-углерод и другие.
Композиционный материал алюминий-сталь получают сваркой взрывом или горячим прессованием. Упрочняющим материалом является высокопрочная стальная проволока.
Разработана технология получения композиционных материалов на основе алюминия, легированного магнием и кремнием, армированного нитевидными кристаллами.
Технология получения композиции алюминий-углерод состоит в пропитке волокон углерода жидким металлом. Для обеспечения смачивания и ограничения взаимодействия между матрицей и волокном используют покрытия из борида титана, никеля, меди, тантала и других соединений. Покрытые волокна протягивают через расплав. Композиционные материалы, полученные пропиткой волокон углерода, покрытые боридом титана имеют σB = 1120 МПа .
Композиционные материалы на магниевой основе получают методами горячего прессования или диффузионной сварки, непрерывного литья, пропитки жидким металлом, плазменного напыления с последующим прессованием, методом сварки взрывом.
Для армирования магния применяют высокопрочную стальную и титановую проволоку, волокна бора и углерода, нитевидные кристаллы карбида кремния.
Магниевые сплавы как матрицы композиционных материалов практически не реагируют с основными классами армирующих волокон, что позволяет применять для получения композиционных материалов жидкофазные технологии и является большим преимуществом этих сплавов.
Титановые композиционные материалы изготавливаются при довольно высоких температурах (800-1000 °С). Наиболее распространенными упрочнителями для титановой матрицы являются волокна бора, молибдена, бериллия, карбида кремния, оксида алюминия.
Никелевые композиции изготавливают методами обработки давлением, пропитки раствором и порошковой металлургии.
В качестве матрицы чаще всего служат жаростойкие никелевые сплавы типа ХН60В и ХН77ТЮР, а упрочнителей - вольфрамовые волокна. Наиболее распространенным методом изготовления никелевых композиционных материалов является горячая прокатка.
5.1.2 Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Карбоволокниты. Карбоволокниты представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Они сохраняют прочность при очень высоких температурах, а также при низких температурах.
Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте могут длительно работать при температуре до 200°С.
Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, водо- и химически стойкие, имеют высокую прочность, легкие (плотность 1,4т/м3), имеют очень высокую ударную вязкость (50кДж/м2).
Высокая стоимость этих материалов сдерживает их широкое применение. Но в современной военной авиации уникальные свойства боевой техники достигаются широким их применением.
Бороволокниты. Они представляют собой композиции полимерного связующего и упрочнителя - борных волокон. Отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, теплопроводностью и электропроводимостью.
Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С.
Изделия из бороволокнита применяют в авиационной технике.
КМБ-1к - плотность 2,0т/м3, ударная вязкость 78кДж/м~.
Органоволокниты. Представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон. Они устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая.
Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости.
Л Е К Ц И Я № 15
5.2. Материалы порошковой металлургии
В настоящее время на практике применяется большое количество спеченных порошковых материалов. Наибольшее применение получили конструкционные спеченные материалы, фрикционные, антифрикционные, пористые и другие порошковые материалы.
5.2.1. Антифрикционные порошковые материалы
Спеченные антифрикционные материалы применяются при изготовлении подшипников скольжения, вместо литых материалов на основе меди, работающих в условиях трения. Работоспособность таких подшипников находится в прямой зависимости от скорости скольжения, нагрузки и режимов эксплуатации. Они должны обладать высокими антифрикционными свойствами, характеризующимися самосмазываемостью, хорошей прирабатываемостью, износостойкостью и прочностью.
Существует большое количество спеченных антифрикционных материалов, которые нашли широкое применение в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях, и в изделиях специального назначения, эксплуатируемых в сложных условиях. Наиболее распространенными антифрикционными спеченными материалами на основе железа являются:
пористое железо;
железографитовые материалы.
Пористое железо является самым простым типом антифрикционного материала, свойства которого приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Свойства пористого железа
| Материал | Плотность, г/см3 | Временное сопротивление, МПа | Относительное удлинение, % | Твердость НВ, МПА | Ударная вязкость, кДж/м2 |
| Пористое железо | 5,1 – 6,6 | 100 – 220 | 5 – 13 | 350 –800 | 30 – 100 |
Наличие пор создаёт постоянный резервуар масла, которое обеспечивает низкий коэффициент трения. Способность пористых подшипников самосма-зываться позволяет в ряде случаев отказаться от подвода масла извне, что очень важно для труднодоступных узлов машин, а также в тех случаях, когда попадание смазки от масленок и трубопроводов на продукцию производства недопустимо (пищевая, фармацевтическая продукция).
5.2.1. Железографитовые материалы
Железографитовые материалы нашли широкое применение в машиностроительной и металлургической промышленности, электрической и сельскохозяйственной отраслях для изготовления деталей, работающих в узлах трения.
Основными компонентами железографитовых материалов являются железный порошок, графит и в небольших количествах медь, сера и фосфор. В железографитовых материалах находится от 1 до 4% графита. Графит в этих материалах выполняет двойную роль. Растворившийся в процессе получения деталей графит увеличивает прочность металлической основы, а нерастворившийся - играет роль твердой смазки.
Железографитовые материалы имеют перлитно-ферритную структуру. Соотношение структурных составляющих (феррита и перлита) влияет на эксплуатационные свойства железографитовых материалов. Количество ферритной составляющей зависит от исходного содержания графита, условий спекания и не должно превышать 50%. Наибольшей износостойкостью обладает перлитная структура.
В табл. 5.2 приведены некоторые свойства спеченных железографитовых материалов.
Таблица 5.2
Свойства антифрикционных спеченных железографитовых
материалов
| Содержание графита, % | Пористость, % | Твердость НВ, МПа | Временное сопротивление на разрыв, МПа | Временное сопротивление на сжатие, МПа | Ударная вязкость, кДж/м" |
| 0,5-0,8 | 6-26 | 650-800 | 98-470 | — | 200-500 |
| 0,8-1,5 | 1,4 - 27 | 600-1850 | 180-600 | 500-800 | 100-300 |
| 1,5-2,3 | 15-35 | 550- 1300 | 80-355 | 400 - 800 | 50-150 |
| 2,3-3,0 | 17-35 | 300-1450 | 70-280 | 500 - 700 | 20- 100 |
| 5,0 | 16- 19 | 800 - 980 | 230-260 | 500-700 | 70-90 |
| 7,0 | 18-25 | 250-750 | 150-190 | 500 - 600 | 15-60 |
В антифрикционных материалах самосмазываемость происходит за счет масла, выступающего в процессе трения из поровых каналов. Появление масла на поверхность трения объясняется различным объёмным тепловым расширением масла и металлической основы материала. Эффект самосмазывания обуславливает образование на поверхности трения граничных слоев масла, сплошность которых зависит от температуры процесса. Повышение температуры поверхности трения подшипников, пропитанных маслом до 60 - 70°С, приводит к неустойчивому режиму трения, к разрыву масляных граничных слоев и интенсивному износу.