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

Подождите немного. Документ загружается.

101

предохраняет себя от излишнего окисления кислородом воздуха. Оператор

подводит снизу затравку (стеклянную палочку), и, как только произойдет

припайка, он оттягивает конец трубки вниз. Как видно на рисунке, из

стеклянной трубки образуется микрокапилляр 4, который и заполняется

металлом из капли. Оттянутый быстрым движением микрокапилляр

набрасывают на вращающуюся катушку 5 (или бобину), и он наматывается

на нее в виде микропроволоки, причем витки распределяются по всей длине

катушки.

После полной намотки катушки автомат переключается на вторую

катушку, и процесс повторяется. Подаваемый из трубки 6 воздух охлаждает

оболочку стекла, и вязкость стекла повышается. Полностью микропроволока

охлаждается (кристаллизуется) в зоне трубки 7, где протекает струя

жидкости (вода, эмульсия, масло) или

иногда воздух.

На пути движения микропроволоки установлен блок радиоконтроля 8 с

антеной передатчика 9 и антеной приемника 10. В процессе выработки

микропроволоки (при непрерывности стеклоизоляции) металлическая жила

может обрываться. Обнаруживают обрывы при помощи радиосигнализации.

Оператор легко обнаруживает обрывы металла (жилы) и начинает

наматывать нить на другую катушку.

По мере расхода стекла механизм 11 медленно подает

трубку 2 в зону

нагрева. В заводских условиях применяются также непрерывное питание

ванны металлом. Это осуществляет механизм подачи 12 металлического

прутка – проволоки 14. Скорость подачи трубки и металла – шихты

регулируются с большой точностью.

Особенности процесса литья микропроволоки обусловливаются тем,

какие металлы и сплавы для этого применяются. Параметры процесса

определяются главным образом характером взаимодействия

металла со

стеклом и температурой плавления металла. При производстве

микропроволоки надо применять стекло, имеющее большую вязкость, также

большой коэффициент поверхностного натяжения, достаточную

термическую стойкость и высокую температуру размягчения. В ходе

развития микрометаллургии разработано и внедрено в производство

специальное стекло для микропроводов. При литье микропроволоки из

некотрых металлов и сплавов используется промышленное

стекло. Самую

лучшую остеклованную микропроволоку делают с применением стекла

боросиликатной группы: стекла марок С39-1 и П-15. Стекло С39-1

химически более стойкое и температура размягчения его выше (640-650С).

Температура плавления меди равна 1083С.

Основные параметры микропроволоки при изготовлении из меди и

стекла С39-1 следующие:

Внешний диаметр трубки – 10-12 мм,

Толщина стенок – 1-1,2

мм,

Вес металла жидкой капли – 3-5 г,

Время расплавления металла – 20-30 с,

102

Температура капли металла – 1150-1300С,

Температура стекла – 900-1100С,

Скорость подачи стеклянной трубки – 2-6 мм/мин,

Скорость подачи медного стержня – 10-20 мм/мин,

Диаметр медного стержня – 2 мм,

Диаметр металлической жилы микропроволоки – 3-30 мкм,

Толщина стеклянной оболочки микропроволоки – 1-5 мкм и более,

Скорость приема микропроволоки (макс) – 5-300 мм/мин,

Давление воздуха для обдува (охлаждения) – 10-20 мм вод.ст.,

Давление

жидкости для охлаждения микропроволоки – 500-100 см вод.ст.,

Как видим, температура капли металла более чем на 200С выше

температуры стекла трубки. Перепад температур поддерживается воздушным

охлаждением: струя воздуха направляется на “луковицу” стекла от

подведенной трубки. Это дает возможность повысить вязкость и

регулировать температуру стекла, а также предотвратить чрезмерное

оползание стекла и

отрыв его от трубки. После выхода из зоны обогрева

капилляр с металлом проходит через струю охлаждающей жидкости и

наматывается на катушку. Поскольку диаметр микропроволоки небольшой,

то она менее чем за одну сотую секунды охлаждается от 1000 до комнатной

температуры (1000/0,01=10

к/с).

Величина напряжения сжатия в стеклянной изоляции микропроволоки

зависит от способа охлаждения. Максимальное напряжение (до 20-25 кг/мм

и более) создается при охлаждении водой, минимальное (5-7 кг/мм

) – при

охлаждении воздухом. Эта особенность производства микропроволоки в

стеклянной изоляции способствует повышению ее прочности. Следует

напомнить, что микропроволока в стеклянной изоляции упрочняется также и

потому, что почти у всех металлов КТР больше, чем у стекла. Следовательно,

при охлаждении больше усадка жилы и оболочка находится в состоянии

сжатия.

Во время плавки

и выработки микропроволоки медь не реагирует со

стеклом трубки, но, как и все металлы, немного окисляется. Кислород и так

есть в стекле трубки, а при высокой температуре он тем более проникает в

стекло, прежде всего через верхнюю тонкую пленку “луковицы”, и окисляет

медь. При изготовлении микропроволоки из других металлов иногда сверху

засыпают микрообъемный флюс.

Как и микропроволока, микрообъемы металлов имеют большую

относительную поверхность. Поэтому они сильно окисляются и полностью

сгорают. Известно, что при плавлении навесок до 10 г в открытом тигле все

металлы и сплавы сгорают моментально. К тому же при интенсивном

поверхностном окислении выделяется много тепла (при сгорании 1 г меди –

590 кал

, а 1 г железа – 1260 кал), а из-за этого еще больше окисляются

следующие слои. Микронные же частички металлов погибают от кислорода

воздуха даже при комнатной температуре.

103

Как выяснилось в дальнейшем, благодаря частичному окислению меди

микрокапилляр стекла значительно лучше заполняется металлом из капли.

Но это частный случай, и поэтому защита малых объемов металлов от

окисления остается все-таки задачей микрометаллургии.

Как правило, металл прежде всего окисляется с поверхности. В нашем

примере образующаяся на поверхности капли закись меди очень

хорошо

смачивает стекло, т.е. хорошо растекается по поверхности и проникает во все

поры. Во время процесса если поднять каплю металла выше оптимального

уровня электромагнитным полем индуктора, то закись меди продолжает

образовываться и наносится в виде тонкой пленки, видимой даже

невооруженным глазом в микрокапилляре.

Известно, что жидкие металлы не заполняют

узкие каналы. Больше

того: определены для металлов и сплавов минимальные сечения, которые

может заполнить тот или иной металл. Поэтому и не удивительно, что

подобные методы предлагают не металлурги, а физики и другие

специалисты. Канал диаметром 0,5 мм легко заполняют почти все жидкие

металлы при давлении 2-3 ат. Но если диаметр капилляра 0,5 мкм, не

поможет ни какое давление. При таком отверстии жидкость не может

преодолеть силу трения. Однако природа нас выручила: такие каналы

заполняются жидкостью сами благодаря капиллярным силам (конечно,

медленно и при смачивании).

По форме капли жидкого металла на рис. 3 видно, что в момент

оттягивания капилляра стекла под каплей создается разрежение, которое

также

облегчает заполнение металлом конуса стекла. Но главное условие –

смачивание стекла металлом, что обеспечивается наличием закиси меди.

Если ее до 5%, обычно образуется поверхностная оксидная пленка на

металлической жиле. При более высоком содержании меди она растекается

по всему объему микропроволоки. Наличие закиси в микропроволоке

повышает удельное сопротивление меди. Металл, расплавленный в зоне

магнитного

поля индуктора высокой частоты под действием сил

поверхностного натяжения принимает форму шара. Сила поверхностного

натяжения в некоторой степени препятствует входу металла в конус стекла.

Большую роль играет и сила поверхностного натяжения самого стекла,

которая почти не зависит от температуры. В то же время вязкость стекла при

температуре размягчения до 1000С

снижается примерно на 6 порядков,

стекло делается пластичным. В этом состоянии силы поверхностного

натяжения превышают силы внутреннего трения стекла, что и вызывает

большое сжатие трубки и формирование тончайшего капилляра под каплей

жидкого металла.

Благодаря хорошему смачиванию и силам трения в зоне

соприкосновения стекло преодолевает действие магнитного поля, и

поверхностное натяжение металла

увлекает расплав движущейся вниз

пленкой стекла. Если расплав металла заполнил конус трубки, то можно

считать, что микропроволока получена.

104

Далее капилляр обжимает жидкий металл. Иначе он не будет литься в

такой узкий канал. Это и есть жидкое волочение. Металл перемещается

только вместе со стеклом микрокапилляра, что и обеспечивает

непрерывность металлической жилы. Роль фильеры – волоки – в данном

случае выполняет стекло конусной части трубки. Поскольку у стекла высокая

чистота поверхности, оно, перемещаясь

вместе с металлом, формирует

непрерывную металлическую жилу с гладкой поверхностью и хорошей

структурой.

Микропроволоку в стеклянной изоляции называют литой, хотя, в

сущности, ее получают жидким волочением. Диаметр микропроволоки

регулируется температурой, скоростью вращения приемной катушки и

степенью охлаждения воздухом конуса трубки.

Контрольные вопросы:

1. Какие свойства металлических волокон обуславливают их применение

в КМ?

2. Что такое масштабный фактор и как он влияет на свойство

металлических нитей?

3. Перечислите основные способы производства проволок?

4. Какие существуют особенности получения литых нитей?

5. В чем заключается сущность получения нитей по методу А.В.

Улитовского

ЧАСТЬ 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Лекция 12. Общая характеристика методов получения композитов с металлической

матрицей

Классификация методов получения и обработки композитов с металлической матрицей

Жидкофазные методы

Методы осаждения - напыления

Технологические процессы получения и обработки металлических композиционных

материалов

Обработка давлением

Процессы порошковой металлургии

Низкотемпературные методы изготовления композитов с металлической матрицей

105

4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ

ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИТОВ С

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ

Металлические композиционные материалы изготавливают:

 -твердофазными методами;

 -жидкофазными методами;

 -методами осаждения – напыления;

 -возможны также комбинированные методы.

Для твердофазных методов характерно использование матрицы в

твердом состоянии, преимущественно в виде порошка, фольги или

компактного металла.

Жидкофазные методы предусматривают получение металлических

композитов путем совмещения армирующих волокон с расплавленной

матрицей. К ним относят методы пропитки волокон жидкими матричными

сплавами и метод направленной кристаллизации.

При получении металлических композитов методами осаждения -

напыления матричный металл наносят на волокна из растворов солей или

других химических соединений, из парогазовой фазы, с помощью плазмы и

т.д.

Комбинированные методы представляют собой последовательное или

параллельное применение первых трех методов. Волокна в большинстве

случаев вводят в металлический композит в твердофазном состоянии за

исключением эвтектических композиционных материалов, в которых

армирующая фаза (волокна и пластины) образуется из расплава в процессе

направленной кристаллизации эвтектик.

Выбор метода получения композита с металлической матрицей зависит

от вида исходных компонентов, возможности введения армирующей фазы

без повреждения, обеспечения прочной связи между компонентами,

равномерного распределения армирующих элементов в матрице. Учет этих

факторов обеспечивает максимальную реализацию свойств арматуры и

матрицы.

4.1.1. Классификация методов получения и

обработки композитов с металлической матрицей

Методы получения и обработки композиционных материалов с

металлической матрицей более детально можно подразделить на:

 химические (химического осаждения) и электрохимические

(гальванические);

 газо- и парофазные (вакуумное осаждение паров,

газотермическое нанесение покрытий: плазменные, газопламенные,

электродуговые, высокочастотные) ;

106

 жидкофазные (направленная кристаллизация, протягивание

жгутов и волокон через расплав, пропитка жгутов и каркасов волокон:

вакуумная, компрессионная, при нормальном давлении, ваккумно-

компрессионная);

 твердофазные (импульсные: сварка взрывом, магнитно-

импульсное компактирование, гидроимпульсное компактирование,

электроимпульсное компактирование; статические: диффузионная сварка,

гидростатическое компактирование, спекание под давлением, изо-

статическое компактирование, термокомпрессионное компактирование,

прессование, статическая формовка; динамические: прокатка, волочение,

динамическое горячее прессование, роликовая формовка, вальцовочная

формовка, плазменное напыление и др).

Жидкофазные методы

Жидкофазные процессы пропитки и направленной кристаллизации

получения композитов дают возможность использовать в качестве матриц

недеформируемые литейные сплавы и получать изделия сложной

конфигурации без дополнительного формоизменения. Недостатком является

высокая реакционная способность большинства металлических расплавов в

контакте с армирующими элементами.

По условиям пропитки жидкофазные методы можно разделить на

несколько разновидностей:

 -свободная пропитка при нормальном давлении;

 -пропитка при повышенном давлении;

 -вакуумное всасывание;

 -комбинированная с использованием давления и вакуума,

центробежных сил и др.

Условия пропитки определяются реакционной способностью

расплавленной матрицы и смачиваемостью наполнителя матрицей. Чем ниже

реакционная способность матрицы, тем больше вероятность сохранения

формы, структуры и свойств армирующего наполнителя. Соблюдение

требования хорошей смачиваемости волокон матрицей способствует

обеспечению наибольшей площади контакта на границе волокно - матрица, а,

следовательно, позволяет осуществлять наиболее прочную связь и

эффективное перераспределение напряжений между компонентами. При

несмачиваемости значительно увеличивается вероятность образования

пустот и дефектных участков границы между волокном и матрицей, а

технология получения качественного МВКМ существенно усложняется.

Металлические матрицы, как правило, плохо смачивают керамические

волокна и усы. Увеличить способность металлов, например, никеля,

смачивать керамику удается путем введения в расплав легирующих

элементов Ti, Cr, Zr.

107

Химическое взаимодействие матричного расплава и армирующих

волокон усложняет условия пропитки, как в случае смачивания, так и в

случае несмачивания. При этом, из-за растворения волокна или воздействия

загрязняющих примесей и атмосферы может измениться поверхностное

натяжение жидкой фазы или границы раздела между твердой и жидкой

фазами.

Методы осаждения - напыления

Это газофазные, химические и электрохимические процессы получения

армированных металлических композитов. Главной технологической

операцией процессов осаждения-напыления является нанесение на арматуру

покрытий из матричного металла, который, заполняя пространство между

армирующими элементами, образует матрицу композита.

Преимуществами осаждения-напыления являются: отсутствие

разупрочнения армирующих элементов (волокон, частиц и др.), не

подвергающихся действию высоких температур, или значительных

механических напряжений при совмещении армирующих элементов и

матрицы; предотвращение непосредственного контакта армирующих

элементов друг с другом, возможность формирования полуфабрикатов и

изделий сложной конфигурации.

Главным недостатком процессов осаждения-напыления является

трудность использования в качестве матриц сложнолегированных сплавов.

В практике производства композитов на основе металлической

матрицы наиболее широкое применение получило плазменное, при котором

используют контролируемую дугу между двумя электродами,

ионизирующую вдуваемый газ (аргон, гелий, азот, водород и их смеси).

Напыляемый материал подается в плазменную горелку в виде проволоки или

порошка.

4.1.2. Технологические процессы получения и

обработки металлических композиционных

материалов

При получении металлических композитов используются

преимущественно следующие технологические процессы: обработка

давлением, процессы порошковой металлургии, процессы пропитки и

направленной кристаллизации, процессы осаждения - напыления.

Обработка давлением

В результате этого процесса можно получать металлические композиты

с матрицей из деформируемых металлов и сплавов, как компактной (листы,

слои, фольги, прутки, трубы, проволока), так и пористой (слои, полученные

методом осаждения-напыления) формы. В качестве арматуры используют

108

как пластичные, так и хрупкие волокна. Главным преимуществом получения

МВКМ обработкой давлением является отсутствие вредного взаимодействия

между волокнами и матрицей при ограниченном времени их контакта, а

главным недостатком -возможность повреждения волокон, особенно хрупких

или малопластичных, вследствие высоких напряжений, возникающих при

больших пластических деформациях. Режимы процесса уплотнения МВКМ,

например, температура, давление, степень и направление деформации,

количество проходов должны быть выбраны так, чтобы совместная

пластическая деформация компонентов композита не приводила к

разрушению арматуры, а на границе волокно - матрица возникала прочная

связь.

При использовании волокон или проволоки со значительным запасом

пластичности применимы практически все методы уплотнения:

 -прокатка,

 -импульсное прессование с помощью взрыва или ударной

нагрузки,

 -гидроэкструзия и др.

В случае армирования металлов хрупкими или малопластичными

волокнами чаще всего применяют процессы, при которых степень

пластической деформации невысока, например, диффузионную сварку или

прокатку с малыми единичными обжатиями.

Процессы порошковой металлургии

В этих процессах используется матрица в виде порошка.

Армирующими элементами могут быть нитевидные кристаллы, непрерывные

и дискретные волокна, сетки и ткани из волокон, дисперсные частицы и др.

(Рис. 34).

В пресс-

форме

Холодное

прессование

Гидростатическое

Мундштучное

Формование

армированной

заготовки

Смешивание

порошка

матрицы и

волокна

Нанесение

порошка

матрицы и

волокна

Спекание

Горячее

прессование

Электролитическое

Химическое

Плазменное

Шликерное литье

Прокатка

Шликерное литье

Вибрационное уплотнение

Горячая экструзия

Изостатическое Динамическое

109

Рис. 34 - Схема технологического процесса получения МВКМ

методами порошковой металлургии

Преимуществами метода являются возможность использования в

качестве матрицы труднодеформируемых металлов, сплавов, соединений,

достижение высоких концентраций армирующей фазы, обеспечение в случае

необходимости сочетания армирования с дисперсным упрочнением,

использование оборудования, существенно не отличающегося от обычно

применяемого в порошковой металлургии. Недостатки - неравномерность

распределения коротких волокон по объему изделия из-за комкования в ходе

перемешивания шихты с волокнами, возможность повреждения хрупких

волокон при смешивании, уплотнении или деформации МВКМ, повышенное

содержание оксидов и других примесей из-за развитой поверхности

матричных порошков.

4.1.3.Низкотемпературные методы изготовления

композитов с металлической матрицей

Способы изготовления композитов с металлической матрицей весьма

разнообразны. Трудности связаны с высокими температурами, при которых

происходит пропитка арматуры металлическим расплавом. При высоких

температурах протекают химические реакции на поверхности армирующих

элементов. Если химическая реакция затрагивает тонкий граничный слой, то

это упрочняет связь армирующего элемента с матрицей, но если слой

утолщается, то продукты реакции могут сильно ослабить связь и даже

вызвать разрушение. Отсюда следует актуальная научная физико-химическая

проблема изучения реакций на межфазных границах.

В настоящее время разрабатывается ряд низкотемпературных способов

изготовления композитов с металлической матрицей. Все они прямо или

косвенно основаны на диффузионном связывании. При прямом

диффузионном связывании используют нанесение фольги или порошка

металла на волокно и нагрев при температурах ниже температуры плавления

металла.

В ряде случаев более эффективно диффузионное связывание

происходит при высоких давлениях. Этот способ применяют, например, при

изготовлении композитов из А1 или Mg - матриц с волокнами из бора или

углерода. Однако и в этих случаях протекают поверхностные реакции, что

указывает на необходимость изучения реакций на межфазных границах не

только при температурах плавления металла, а в более широком интервале

температур. Примером непрямого диффузионного связывания (хотя это

определение и не точно) является способ лазерного воздействия на композит.

Контрольные вопросы:

110

1. В чем сущность твердофазных методов для получения металлических

композиционных материалов?

2. В чем сущность жидкофазных методов для получения металлических

композиционных материалов?

3. Чем определяются условия пропитки?

4. Какие преимущества методов осаждения – напыления?

5. Какие металлические композиты получают обработкой давлением?

6. Какие преимущества получения металлических композитов методами

порошковой металлургии?

Лекция 13. Металлические волокнистые композиционные материалы (МВКМ):

Характеристика волокнистых КМ

Армирующие волокна,

Основные виды композитов на основе металлической матрицы Свойства, методы

получения и области применения

Металлические волокнистые композиционные материалы на различной основе

Свойства и методы получения МВКМ на основе алюминия

Свойства и методы получения МВКМ на основе магния

Свойства и методы получения МВКМ на основе титана

Свойства и методы получения МВКМ на основе никеля и кобальта

Области применения МВКМ

4.2. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВОЛОКНИСТЫЕ

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (МВКМ):

Армирование металлов высокопрочными и высокомодульными

волокнами и дисперсными частицами позволяет улучшить комплекс их

физико-механических характеристик: повысить предел прочности, предел

текучести, модуль упругости, предел выносливости, расширить

температурный интервал эксплуатации.

У волокнистых композитов матрица, чаще всего пластичная,

армирована:

1. высокопрочными волокнами,

2. проволокой,

3. нитевидными кристаллами.

Идея создания волокнисто-армированных структур состоит не в том,

чтобы исключить пластическое деформирование матричного материала, а в

том, чтобы при его деформации обеспечивалось нагружение волокон и

использовалось бы их высокая прочность.

Механические свойства высокопрочных материалов определяются

наличием поверхностных дефектов (разрезов, трещин и т.

д.). Около вершин

этих дефектов при нагружении концентрируются внутренние напряжения,

которые зависят от внешнего приложенного напряжения, глубины трещины

и радиуса кривизны в вершине трещины. Для хрупких материалов