Леонов В.В., Артемьева О.А., Кравцова Е.Д. Материаловедение и технология композиционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

3.3.1. Свойства и применение металлических

нитей

Применение металлических нитей определяется их механическими и

физическими свойствами, а также ценностью металлов, из которых они

изготовляются. Свойства и экономика производства – это два определяющих

фактора применения. Вот чем объясняется широкое применение стальных

нитей.

Кроме массового производства и сравнительно небольшой стоимости

стали следует отметить очень высокую

прочность стальных нитей – до 400

кг/мм

. Наряду с совершенно новыми высокопрочными нитями для

армирования материалов успешно применяются нити из нержавеющей стали.

Например, алюминиевый сплав, армированный этими нитями, - один из

лучших материалов для конструкции металлических аппаратов. Прочность

проволоки из нержавеющей стали – 200-300 кг/мм

, а из этих же нитей

микронных размеров – до 350-370 кг/мм

3.3.2. Нити из чистых металлов и сплавов

Механические свойства нитей из некоторых металлов и сплавов

приводятся в Таблица 3. Нетрудно заметить, что тонкие нити гораздо

прочнее, чем объемные металлы.

Таблица 3

Прочность объемных металлов и нитей, получаемых из них

Металл Прочность на разрыв кг/мм

Диаметр нити, мкм

объемный металл нити

Медь

Бронза

Золото

Никель

Вольфрам

Молибден

105

100

135

430

224

Сталь

Высокопрочная

сталь

150

200

350

420

Причин различия в свойствах несколько:

1. масштабный фактор – чем меньше диаметр нити, тем больше его удельная

прочность;

2. волокнистая структура тонких нитей более упорядочнена и вытянута, чем

толстых;

3. для нитей применяют более чистый металл, не содержащий инородных

включений;

4. поверхность тонких нитей более гладкая, чем у толстых;

5. длинные волокнистые зерна структуры нити обусловливают ее гибкость и

др.

Таблица 4

Физические свойства некоторых материалов

Материал

Плотность, г/см

Удельное

электросопротивление

при 21С, мкомсм

Теплопроводность,

кал/смсекград

Коэффициент

линейного расширения

при 20С, 10

-6

град

-1

Предел прочности при

растяжении, кг/мм2

Модуль Юнга,

кг/мм

Удельная прочность,

10 км

Удельный модуль,

км

Алюминий 2,71 2,65 0,53 23,6 9,1 (технический)

29,4 (техническая

проволока,

твердая)

1,08

2,6

Бериллий 1,85 4,0 0,35 11,6 21

112 (техническая

проволока,

твердая)

6,05

17,3

Медь 8,9 1,67 0,94 16,5 22 (техническая)

42 (техническая

проволока,

твердая)

0,47

1,5

Свинец 11,34 22 0,083 29,4 1,1 1,8

Ниобий 8,57 14,6 0,13 7,1 35 11

Тантал 16,6 12,45 0,13 6,6 34 19

Титан 4,51 42 0,04 8,41 55 12

Вольфрам 19,3 5,65 0,397 4,6 102

294 (проволока,

твердая)

1,52

1,8

Нержавеющая

аустенитная

сталь класса

304

7,9 71 0,038 8,5 70

232 (проволока

твердая)

2,94

0,45

Волокно из

высокоэластич-

ного нейлона

1,1

4,510

0,003 84 0,5 7,6 0,45

Кремний

(волокно)

2,5

 10

1050

(максимально)

7,3 42 2,9

Асбестовое

волокно

2,5

изолятор

595 19 24 7,6

Примечания: Данные для проволок, кроме бериллиевой, заимствованы из Proc. SAMPE

Filament Winding Conference, 1961, Azusa, Califonia. Диаметр проволоки во всех

случаях составлял 0,15 мм. Данные для бериллиевой проволоки (диаметром 1,8

мм) заимствованы из статьи Гросса Gross A. J., Trans. ASM, 57, 355 (1964).

Остальные данные взяты со следующих источников: 1) Rare Metals Handbook,

ed. By C.A. Hampel, Reinhold Publishing Corp., N.Y., 1961 (есть в

переводе:Справочник по редким металлам, изд-во «Мир» М., 1965); 2) Metals

Handbook. ed.by T. Lyman, ASM, Metals Park, Ohio, 1961; 3) Kelley A., Davis G.J.,

Met. Rev., 10, 37 (1965); 4) American Institute of Physics Handbook, 2

ed.,

McGraw-Hill, N.Y., 1963.

CFRD_2D

PRC

CFRD_U

кВт

час/кг

CFRD_2D

PRC

CFRD_UD

100

120

кВт час

дм 3

CFRD_2D

CFRD_UD

200

400

кВт

час/дм3

Н/мм2

Рис. 30 - Сравнение энергозатрат на производство стали, алюминия,

поливинилхлорида и углепластиков с учетом энергозатрат при

добыче сырья. CFRP, UD - однонаправленный углепластик; CFRP,

2D – углепластик, армированный в плоскости; PRC –

поливинилхлорид

Рис. 31 - Сравнение свойств углепластиков со стандартными

конструкционными материалами

Как видим из Таблица 4, вольфрамовая нить наиболее резко, в 4 раза,

превосходит прочность исходного металла. Применение W и Mo в

производстве электровакуумных приборов обусловлено не только их

тугоплавкостью. Эти металлы хорошо и надежно соединяются со стеклом.

Поэтому из W и Mo проволоки делают вводы в различных электронных

лампах и приборах. Причем такой спай (соединение) не нарушается

при

нагревании и охлаждении изделий, так как коэффициенты термического

расширения (и сжатия) названных металлов и стекла одинаковы. Из

молибденовой проволоки делают держатели вольфрамовых нитей радиоламп,

осветительных и других ламп.

Армирование материалов микропроволокой W и Mo значительно

упрочняет их, особенно в условиях нагрева. При температуре 1100С кобальт

и нихром, армированные вольфрамом, имеют прочность

34 кг/мм

, а не

армированные – соответственно в 2 и 6 раз меньше.

Если армировать молибденом титановый сплав, он станет прочнее в 5,5

раза. Даже алюминиевый сплав, армированный вольфрамом, выдерживает

нагрузку 25 кг/мм

при температуре 300С, в то время как прочность

обычного алюминиевого сплава - 7 кг/мм

, в 3,5 раза меньше. Такое

повышение прочности достигается прибавлением всего лишь 8% W.

Способом волочения изготавливают алюминиевую проволоку

диаметром не менее 80 мкм. Более тонкая проволока из алюминия

разрывается в момент протяжки через волоку. Из сплава алюминия делают

микоропроволоку диаметром до 30 мкм, но электропроводность их несколько

ниже электропроводности алюминиевых проводов, а прочность в  2

раза

выше.

В число лучших проводников тока входит и бронза, особенно хороший

проводник – кадмиевая бронза. При содержании в меди 0,9% кадмия

проводимость ее составляет 95% проводимости чистой меди, а проволока из

этого сплава в 2 раза прочнее медной.

Из тонкой медной, а также латунной, серебрянной, мельхиоровой (80%

меди и 20% никеля) проволоки делают металлические кружевные изделия

Небольшие куски проволоки аккуратно наклеивают на бумагу. Потом

кисточкой в местах стыков накладывается суспензия: смешанный с водой

серебряный припой. Кружевной узор прокаливают паяльной лампой, и

кружево готово. После пайки кружеву придают желаемую форму и

припаивают его к изделию (например, к подстаканнику, вазочке и др.).

Продукцию с металлическими кружевами закупают и

зарубежные страны:

Польша, Канада, Франция, Англия, Чехия, Германия, Бельгия и др.

Изготовление художественных узорчатых изделий из металлической

проволоки называется филигранно, а русское название металлического

кружева – скань. Русское ювелирное искусство (скань) зародилось еще в

крепостном праве. Изделия Красносельского завода (Костромская обл.)

известны уже более 300 лет. Особенно славятся украшенные сканью кубки,

броши, кольца

, брелоки, подстаканники и другие поделки.

Есть предположенье, что искусство филиграни появилось тогда, когда

люди начали делать и применять тонкую проволоку.

Металлические проволоки иногда покрывают различными лаками или

золотом для предотвращения их окисления.

3.3.3. Способы производства проволок

Проволоку получают из объемных слитков, предварительно

их проковав или отлив слитки маленького сечения. Наружный

слой можно механически срезать или

волочить. Проволоку

тонкую можно получать электролизом или напылением. Сделать

можно проволоку разными способами, но вопрос только в том:

что дешевле.

Уже известны десятки способов изготовления

микропроволоки. Они зарегестрированы в качестве изобретений. Однако

применяют пока только твердое волочение и жидкое волочение (метод А.В.

Улитовского). Была попытка заменить старую технологию (твердое

волочение

) новой, но это удается только в ограниченных масштабах.

3.3.4 Нити волочильного производства

Технология волочильного производства проволоки существует уже

много столетий. Но сущность ее остается прежней. Мы рассмотрим этот

способ в основном применительно к производству микропроволоки.

Тонкую металлическую нить (микропроволоку) делают обычно из

проволоки диаметром 3 мм и более.

При раскопках в районе

Душанбе обнаружены нити из золота, ткани

шитые золотом, изготовленные в 8-7 веках до Новой Эры. Волочение

проволоки с помощью ворота и длинной специальной скамьи применялось в

10 веке в Киевской Руси. Проволоку из мягкой стали на Руси начали делать в

конце 12-начале 13 веков. В течение столетий совершенствовались

технология волочения, с большим трудом

осваивалось производство все

более тонкой проволоки.

Волочение – это обработка металлов давлением. При этом способе

производства проволоки заготовка протягивается через воронкообразное

отверстие, поперечное сечение которого, естественно, меньше поперечного

сечения заготовки или исходной проволоки, уже подвергнутой волочению

(процесс этот многократный). Длина заготовки при каждой очередной

протяжке увеличивается пропорционально уменьшению сечения.

В 19-ом

веке это делали вручную или при помощи клещей и

простейших механизмов. Волоки изготовляли из камня, например из яшмы.

В волочительном камне было несколько последовательно уменьшающихся

отверстий (до 5).

В эпоху железа применяли железные волочильные доски с десятком

отверстий. В 10-ом веке такие доски-пластины начали делать из

углеродистой стали, предварительно подвергнутой закалке. Чтобы проволока

при волочении хорошо деформировалась, волоки надо изготовлять из

твердого материала, а отверстия должны быть идеально гладкими. Кроме

того, следует применять различные смазки. Проволоку из некоторых

твердых

металлов перед волочением нагревают.

Вообще волоки делают из твердых сплавов – победитов (сплавы

вольфрама с кобальтом и другими металлами). Волоки же с отверстиями

диаметром от 0,3-0,2 до 0,005-0,004 мм изготовляют из природных и

сентетических алмазов.

Обработка алмазных волок – дело сложное. Микроскопические

отверстия в них сверлят электролитическим способом или пробивают

лазерным лучом. Отверстие

обязательно полируют, придают им строго

определенный профиль (опять-таки алмазным, т.е. самым твердым

порошком). Так же непросто проверить качество полировки и профиль

отверстия, диаметр которого в 10 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Для этого сотрудник ВНИИалмаз создали специальный оптический прибор.

Сверление отверстий волок сфокусированным электронным лучем, или

лучем лазера, - высшее достижение

современной техники. В микронном

объеме плотность энергии луча достигает 1 млн. Вт/мм

. В микрообъеме

алмаза осуществляется нагревание до 8000С. Алмаз при такой температуре

превращается в графит и испаряется, что сопровождается увеличением

объема вещества, разрушаются и выбрасываются микроскопические

частички. Луч фокусируется в образовавшемся углублении и просверливает в

алмазе отверстие.

Ход волочильной машины очень плавный, что предотвращает обрыв

микропроволоки. Важнейщая особенность производства микропроволоки –

максимальная

чистота заготовки. Особенно вредны неметаллические

включения: оксиды и карбиды. Для проволоки больших диаметров

непластичные включения порой почти безвредны, но по мере обжатия они

перемещаются к центру, вытягиваются в одну линию и приводят к обрывам

микропроволоки, что недопустимо. При изготовлении микропроволоки

диаметром менее 30 мкм присутствие карбидов вообще недопустимо.

Приведенная схема получения

проволоки слиток – прокат – волочение

– процесс очень сложный и включает около 100 операций. Мы перечислили

лишь некоторые основные: плавка металла, получение слитка, обработка

слитка или нагревание и прессовка (если металл цветной), нагревание слитка,

прокатка, волочение (многократное), отжиг (многократный), подготовка

поверхности проволоки к волочению (многократное травление, очистка,

промывка), электролитическое травление до заданного диаметра (

меньше 10

мкм), нанесение покрытий (или изоляции).

Мы не назвали здесь операции и переходные процессы, которые

выполняются при волочении микропроволоки. Например, при изготовлении

микропроволоки из твердых металлов (вольфрама, молибдена) диаметром 10

мкм осуществляется около 80 переходных операций. Если же делают

микропроволоку еще меньшего диаметра, то производят и травление.

А вот производство микропроволоки по методу А.В. Улитовского

включает всего 2 операции: плавку металла и волочение, точнее говоря,

волочение жидкого металла и вытяжку стеклянной оболочки. Кстати,

стеклянная оболочка

самая надежная изоляция микропроволоки и прежде

всего микропроводов

3.3.5 Нити, получаемые по методу

А.В. Улитовского (микрометаллургия)

За несколько десятилетий изобретено немало способов получения

тонких металлических нитей или проволоки непосредственно из жидкого

металла. Однако настоящее внедрение получили изобретения А.В.

Улитовского:

1. изготовление микропроволоки в стеклянной изоляции методом

вытягивания из “жидкого

” металла;

2. изготовление тонкой литой проволоки методом фонтанирования жидкого

металла.

Из зарубежных работ известны опыты Тейлора по растягиванию

вручную жидких легкоплавких металлов в стеклянной оболочке (1924).

Метод заключается в том, что металл помещается в стеклянную трубку,

которая разогревается до полного расплавления металла и размягчения

стекла. Быстрым движением трубка вытягивается в микрокапилляр, который

также очень быстро заполняется жидким металлом. Точнее говоря, металл

растягивается вместе со стеклом и распределяется по длине капилляра. В

1946 г. метод усовершенствовал Ф.А. Маковский. Суть усовершенствования

состоит в том,что длина растягивания увеличена благодаря применению

специального механизма. Но то было однократное мгновенное растягивание,

при котором получали нити с металлической

жилой диаметром 1-2 мкм

(иногда и менее) и общей длиной до 10-15 м. В то время это считалось

большим достижением, такие нити были уникальными.

Попытки получить тонкую проволоку непосредственно из расплава

фонтанированием жидкого металла начали предприниматься у нас и за

рубежом примерно в одно и тоже время. Известны опыты Таммана по

фонтанированию

некоторых легкоплавких металлов (1935 г.). В институте

прикладной физики Ленинградского государственного университета в 1932-

37 г.г. под руководством А.В. Улитковского проводились эксперименты с

целью усовершенствования металлургических процессов, в том числе

фонтанирования алюминия, чугуна и никель-алюминиевых сплавов.

В этой же лаборатории в 1955 г. начались научные исследования с

целью получить литые металлические

нити в стеклянной изоляции.

Руководил всей группой микрометаллургии А.В. Улитовский.

Методы А.В. Улитковского завоевали право на жизнь благодаря

высокой эффективности нитей. Микропровода в стеклянной изоляции, даже

самые тонкие, - надежные проводники тока.

Рис. 32 - Установка ITMF-1 для литья микропровода методом

Улитовского-Тейлора (Ulitovsky-Taylor)

Здесь проводится описание только производства литых металлических

нитей, не касаясь других изделий и направлений микрометаллургии,

разработанных А.В. Улитовским. Но самое ценное то, что уже налажено

промышленное производство нитей в стеклянной изоляции. Микропровода и

изделия на их основе изготоваляются во многих городах СССР

Школа А.В. Улитовского достигла больших успехов в создании

микропроводов в стеклянной изоляции. По оценке специалистов, самый

экономный метод изготовления металлического волокна – получение его

прямо из расплава.

3.3.6. Литые нити в сплошной стеклянной

изоляции

У тончайших нитей, так же как и у частичек твердых тел, очень

большая удельная поверхность, и они

способны перемещаться в потоке

воздуха. По закону Стокса частицы величиной, например, 5 мкм падают со

скоростью 7,5 мм/с (в спокойном воздухе), а частицы в 1 мкм со скоростью

всего лишь 0,2 мм/с. Более же мелкие частицы даже не падают, а фактически

переносятся воздушными течениями с места на место и чрезвычайно

медленно оседают.

Поэтому и нить диаметром 5 мкм может парить в воздухе и, поскольку

протяженность ее большая, при хорошем дневном освещении и подходящем

фоне она может быть замечена не вооруженным глазом.

Выражение А.В. Улитовского “в сплошной стеклянной изоляции”

означает, что как механические, так и электрические свойства тончайших

проводников тока весьма надежны. Хорошая защитная

изоляция особенно

нужна микронным проводам. Относительно толстая изоляция особенно

нужна микронным проводам. Относительно толстая и прочная оболочка

надежно защищает металлическую жилу и придает прочность микропроводу.

Чем тоньше микропровод, тем меньше его обсолютная прочность. С учетом

этого выбирают относительную толщину стеклянной оболочки. При

диаметре жилы 5 мкм и менее толщины стеклянной оболочки,

или вернее,

внешний диаметр ее (и микропровода), больше, как правило, в 2,5-5 раз. При

диаметре жилы 10-5 мкм – в 2-2,5 раза, а при диаметре жилы 10-200 мкм –

примерно в 1,5-1,4 раза. Но, например, для микропроводов слаботочных и

другиих элементов вполне пригодна стеклянная изоляция толщиной 1 и даже

0,5 мкм. При соответствующих режимах выработки микрокапилляра стекла

вместе с

металлической жилой фактически можно получить оболочку любой

толщины, а также и любую металлическую жилу (диаметром 0,5 мкм и

менее).

Стеклянная изоляция настолько эффективна, что изолируют даже

тонкие провода фильерного производства. Способ остекловывания тонких

проводов разработан в 1955 г. в лаборатории П.К. Ощепкова и затем

внедрены в опытном производстве.

В Кишеневском политехническом институте

имени С. Лазо

остекловыванию подвергают провода диаметром 8-500 мкм. На специальной

установке их протягивают через стеклянную трубу, конец которой

расплавляют.

Особенности получения литых нитей

Главная особенность в том, что металл плавят во взвешенном

состоянии. Такой метод плавки применяется также в металлургии редких

легкоокисляющихся металлов (Ti, V, Nb, Ta, Ru, Mo, W и другие металлы, а

также сплавы). Чтобы

чистота металлов была высокой, бестигельная плавка

осуществоляется в специальной вакуумной камере, куда вводят индуктор от

генератора токов высокой частоты. При этом металл ни с чем не

соприкасается и находится в защищенной среде.

Индуктор разработан с таким рассчетом, что небольшая (до 30 г)

навеска металла плавится, устойчиво поддерживается высокочастотным

магнитным полем (в виде

шара), и металл плавно разливается в изложницу.

Вторая основная особенность получения литых остеклованных нитей

заключается в замечательном свойстве стекла. Стекло пластично в широком

диапазоне температур ( 600-1200С), что дает возможность получать из

трубок стекла тончайшие капиллярные нити.

100

Принципиальная схема получения микропроволоки в стеклянной

изоляции показана на Рис. 33. Плавленный индуктор создает магнитное поле

и обеспечивает устойчивое положение расплавляемой навески металла. В

центре индуктора 1 устанавливается стеклянная трубка 2, затем в нижний

конец трубки помещается навеска металла 3, которая под действием

высокочастотного магнитного поля расплавляется и превращается в

шаровидную каплю диаметром 8-10 мм.

Рис. 33 - Схема получения литой микропроволоки в стеклянной

изоляции

Если конец трубки запаян, то металл загружается сверху. Если же он не

запаен, то снизу накладывается листок слюды, и металл загружается также

сверху. Но можно с открытого конца стеклянной трубки через кольцо

индуктора пропустить металлический стерженек, наплавить металла сколько

надо и закрыть

трубку снизу размягченным стеклом.

Жидкая капля металла удерживается во взвешенном состоянии тоже

благодаря наличию магнитного поля индуктора. Расплавленный металл

разягчает стекло трубки, капля обволакивается стеклом не только снизу

(здесь трубка зажимается), но и сверху. Под действием высокочастотного

магнитного поля капля жидкого металла хорошо перемешивается и

вращается, наволакивает пленку стекла поверху

и таким образом