Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

161

смазкой. Наибольшее распространение в машиностроении получили

металлокерамические фрикционные материалы МК-5, ФАБ, ФМК-8,

ФМК-11, МКВ-50А, СМК-80 и ряд других.

Составы, свойства и применение поршковых фрикционных

материалов описаны выше, в разделе 1.2.5 данного издания.

4.4. Методы создания эффекта избирательного

переноса в узлах трения

Как было отмечено ранее

эффект избирательного переноса

заключается в самозалечивании сервовитной пленки, повреждаемой в

процессе взаимодействия поверхностей трения. Технологические

приемы, способствующие созданию эффекта избирательного переноса

в узлах трения, должны быть направлены либо на создание самой

сервовитной пленки, либо на создание условий для ее образования в

процессе приработки узла трения.

Основными методами, выполняющими две эти

задачи, являются:

- применение композиционных систем для узлов трения,

работающих в режиме ИП;

- подбор пар трения металл-металл, металлополимер-металл,

металлокерамика-металл, в которых возникает эффект ИП без

применения смазки;

- применение манжетных и других уплотнений на основе

полиуретанов, работающих в режиме ИП;

- применение смазочных материалов, либо специальных при-

садок к

ним, способствующих образованию сервовитной пленки;

- использование технологических процессов финишной

антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) с нанесением на

поверхности трения тонких слоев меди, латуни или бронзы;

- и другие методы.

Конкретные практические рекомендации по вышеперечисленным

методам в данном пособии невозможно дать, хотя частично они

описаны в разделе 1.2.4. Для более подробного ознакомления с

этими

вопросами рекомендуется литература [6.7.8.10].

Г л а в а 5.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (КМ)

162

Термин "композиционные материалы" (КМ), или "композиты",

появился в середине ХХ века, когда потребовалось наиболее емкое

название нового класса материалов, состоящих из армирующего

компонента и связующего. Но это не говорит о том, что

композиционные материалы не существовало ранее. Композиты

существуют в природе, например дерево (лигнин упрочнен волокнами

целлюлозы). Композиты изготавливаются и

применяются человеком

издавна: дома с каркасом из прутьев дерева и набитого саманом

(глина с соломой), бетоны и др. В настоящее время композиционные

материалы проявили себя с самых неожиданных сторон

(сверхтекучесть, жаропрочность, радиационная стойкость, стойкость к

термоциклированию и воздействию космического излучения и т.д.) и

они получаются только искусственно. В

настоящем разделе

рассматриваются композиционные материалы, которые применяются

в качестве конструкционных [19, 28-33].

Некоторые композиционные материалы зачастую называют

армированными (АП), или наполненными пластиками.

Композиционные материалы (КМ) представляют собой

гетерофазные системы, состоящие из двух и более разнородных

компонентов, имеющих границы раздела между ними и обладающие

специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств

составляющих их компонентов. Компонент

, непрерывный по

всему объему материала, обеспечивающий его монолитность,

называется матрицей или связующим. Компоненты, распределенные

в матрице, называются армирующими или иногда наполнителями.

Компоненты композитов не должны растворяться или иным способом

поглощать друг друга и с этой точки зрения металлы с упрочняющей

второй фазой, выделенной из матрицы (карбиды, нитриды,

интерметаллиды), не являются

композитами. Компоненты должны

быть хорошо совместимы и свойства КМ нельзя определить только

по свойствам компонентов, без учета их взаимодействия.

По типу матрицы различают композиционные материалы на

металлической, полимерной (органической и неорганической) и

керамической основе. Матричный материал более вязкий и

обеспечивает перераспределение действующей нагрузки по объему,

защиту наполнителя от воздействия внешней окружающей

среды,

163

определяет электрические и теплофизические свойства, стойкость к

старению, технологические и др. свойства композита.

Наполнители в композиционные материал вводят с целью

улучшения механических, теплофизических, электрических,

магнитных и др. свойств. В качестве наполнителей используют

твердые, жидкие и газообразные вещества органического и неор-

ганического происхождения.

В зависимости от характера взаимодействия с материалом

матрицы наполнители

подразделяют на инертные и активные

(упрочняющие). Механизм взаимодействия матрицы с наполнителем

определяется химической природой этих материалов и состоянием

поверхности наполнителя. Наибольший эффект усиления достигается

при возникновении между наполнителем и материалом матрицы

химических связей или значительного адгезионного взаимодействия.

Наполнители, способные к такому взаимодействию с матрицей,

называются активными. Инертными называются наполнители, не

способные к этому взаимодействию. Последние применяют для

облегчения переработки или снижения стоимости изделий.

По виду и структуре армирующего материала композиты делятся

на дисперсно-упрочненные, упрочненные волокнами, слоистые и га-

зонаполненные.

В качестве дисперсных армирующих широкое применение

получили: древесная мука, сульфатная целлюлоза, графит, тальк,

слюда, каолин, диоксид кремния, силикаты алюминия, кальция,

магния, порошки металлов и сплавов. Некоторые металлические

наполнители придают композитам специфические свойства. На-

пример, железо и его сплавы - ферромагнитные; чешуйки алюминия,

никеля, серебра - низкую газо- и паропроницаемость; порошки

алюминия и меди - декоративность; свинца, кадмия, вольфрама -

защитную способность при воздействии излучений высоких энергий.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы с рав-

номерно распределенным в

объеме материала армирующим

компонентом обладают изотропностью свойств, т.е. одинаковыми

свойствами во всех направлениях (рис.14,а).

164

Рис. 14. Схемы упрочнения композитов; а - дисперсными

наполнителями; б - дискретными волокнами; в - однонаправленными

волокнами; г - хаотически распределенными волокнами; д -

слоистыми наполнителями; е —-объемно-армированными волокнами

Для создания материалов антифрикционного назначения широко

используются слоистые твердые смазки MoS

, MoSe

, BN, CdO, CaF

графит и др., а также жидкие наполнители, в качестве которых

применяют минеральные масла.

В качестве волокнистых армирующих (рис. 14,б,в,г,е)

используют хлопковые и льняные очесы, стекловолокно, асбест,

углеродное волокно. Все более широкое применение получают

синтетические волокна, в частности, полиамидные и полиэфирные.

Пластмассы, содержащие синтетические волокна, характеризуются

высокой коррозионной

и химической стойкостью, малым ко-

эффициентом трения и высокой износостойкостью, однако обладают

низкой теплостойкостью (рис. 15).

Рис. 15. Зависимость относительного изменения прочности

волокон от температуры: 1 - полиамид 66; 2 - ароматический

полиамид (номекс); 3 — углеродное волокно; К =

, где

165

- соответственно временное сопротивление при заданной и комнатной

температуре.

Современные композиционные материалы содержат в качестве

армирующих угольные и графитовые волокна, волокна бора и др.

Упрочненные волокнами материалы анизотропны, кроме случая

хаотического расположения волокон. Упрочняющий эффект при

наполнении волокнами диаметром 3...12 мкм сказывается уже при их

длине, равной 2...4 мм, благодаря взаимному переплетению и

снижению напряжений в связующем. С увеличением длины волокон

увеличиваются прочность и ударная вязкость. В свою очередь,

упрочняющие волокна в композитах могут быть дискретными и

непрерывными, а непрерывные волокна могут быть

однонаправленными или направленными в разные стороны.

Из слоистых армирующих применяются: бумага (для по-

лучения гетинакса); хлопчатобумажная ткань, стеклоткань, асботкань,

углеграфитная

ткань (в различного рода текстолитах); древесный

шпон (в древопластиках). Слоистые (двухмерно-армированные)

композиты представляют собой набор слоев из одинаковых или

разных армирующих материалов, пропитанных связующим (рис.

14,д).

Слоистые материалы отличаются анизотропией свойств - имеют

высокую прочность при растяжении вдоль слоев армирующего

наполнителя и низкую в перпендикулярном направлении. Этот

недостаток отсутствует у

объемно-тканых или трехмерно-

армированных материалов.

При создании поро- и пенопластов используют газообразные

наполнители (углекислый газ, азот, воздух и инертные газы).

Различные сочетания матричного материала и наполнителя

позволяют получать гибридные композиты с широким диапазоном

характеристик, чего невозможно достичь на металлах и сплавах.

Композиты выгодно отличаются от металлических сплавов своими

удельными

характеристиками: удельной прочностью

и удельным

модулем упругости Е/

(рис. 15).

166

Рис. 16. Удельные характеристики композитов;

– временное сопротивление при растяжении;

Е – модуль упругости;

ρ - плотность материала

Композиты с полимерной матрицей обеспечивают

работоспособность изделий при температурах до 200°С; металло-

композиты на основе алюминия и магния, армированные угле-

родными, борными и другими волокнами - до 400...500°С. Более

высокие допустимые температуры имеют композиты на основе титана

и никеля. Керамические композиты на основе карбидов или нитридов

кремния могут работать

при температурах до 2000°С.

Особенностью композитов является удачное сочетание высокой

прочности с низкой плотностью и высокой химической стойкостью.

Кроме того, в композитах зачастую в 10...100 раз ниже скорость

распространения усталостных трещин, что обеспечивает большую

долговечность изделий. Например, в слоистом материале алор на

основе алюминиевых сплавов и органопластов скорость

распространения усталостных трещин

в 10 раз ниже, чем в

алюминиевых сплавах. Удельная прочность и удельный модуль

упругости композитов в 3...4 раза выше, чем сталей.

Однако и эта прочность далека от теоретической, так как в

кристаллических материалах имеется большое количество дефектов -

дислокаций, микротрещин. Дислокации нарушают регулярность

чередования атомных плоскостей, способствуют распространению

167

пластических деформаций и появлению новых дефектов. Число их

может достигать 10

...10

на 1 см

сечения материала. Движение

дефектов происходит при напряжениях, значительно меньших, чем

теоретическая прочность. Исходя из этой концепции, можно

увеличить прочность материала путем создания препятствий для

движения дислокации и снижения их плотности. Препятствием для

движения дислокации является любая граница раздела в структуре

материала.

Дефектность упрочняющих волокон зависит от их диаметра. Чем

тоньше

волокно, тем меньше его дефектность. В связи с этим,

высокопрочные композиты армируют волокнами из бора, углерода,

оксида алюминия, карбида кремния диаметром 3...12 мкм. Широкий

спектр материалов матрицы и армирующих волокон позволяет

создавать материалы с заданными свойствами. Свойства некоторых

армирующих материалов приведены в табл. 48.

Технология получения материалов зависит от типа матрицы.

Материалы на

основе полимерных матриц получают путем

полимеризации, отверждения или спекания пропитанных этим

связующим армирующих волокон. При использовании металлической

матрицы волокна погружают в жидкий металл. При создании таких

материалов возможна ориентация упрочняющих волокон в

оптимальном направлении с учетом действующих нагрузок в

реальной конструкции.

Таблица 48

Свойства армирующих волокон

Тип волокон

ρ,

г/см

МПа

Е,

ГПа

ДЕСТР

Вискозное (рейон)

Полиамидное (капрон)

Поливинилспиртовое

(винол)

Полиакрильно-

нитрильное

(нитрон, орлон)

Полиэфирное (лавсан)

Фторволокно

1,5

1,14

1,26

1,17-1,20

1,38

2,2

560

800

350-500

900

330

2,8

3,4

2,5

2,8-5,2

2,3

2,8

200

210

230

250

270

168

Полиимидное

Арамидное

Углеродное

высокомодульное

Углеродное

высокопрочное

Стекловолокно

алюмоборосиликатное

Борное

1,3-1,4

1,45

2,0

1,7

2,6

до 2000

3000

1000-2500

2000-3500

2000

до 7000

4,5-20

125

200-700

80-260

до 450

300

300-400

700

2500

В настоящее время широкое применение получили

стеклопластики, на смену которым приходят органопластики, в кото-

рых используют армирующие арамидные волокна, в частности,

кевлар. Эти волокна при плотности 1500 кг/м

и временном со-

противлении 4000...5000 МПа, способны поглощать вибрации и

ударные нагрузки. Из таких материалов изготавливают различные

элементы конструкций в авиационной и космической технике, в

судостроении.

Весьма перспективны углепластики, отличающиеся высокой

радиационной стойкостью, тепло- и морозостойкостью, тер-

мостойкостью, термостабильностью свойств и геометрических

размеров, высокой усталостной прочностью (в 1,5... 2 раза выше, чем

стали, и в 8...9 раз - чем у алюминия). Применение углепластиков

позволяет увеличить эксплуатационный ресурс в 1,5...2 раза, снизить

массу конструкции на 20...25% и трудоемкость производства изделий.

Углерод-углеродные композиты выдерживают температуру до

2500°С, однако они хрупкие. Высокую термостойкость, жесткость,

прочность, но и хрупкость имеют композиты на основе керамики. В

качестве матрицы в керамических

композитах используют оксиды

алюминия, магния, циркония, нитриды бора и алюминия;

упрочняющей фазой служат короткие волокна - усы (табл. 49) и

длинные термостойкие волокна. Такие материалы перспективны в

авиации, ракетной технике, автомобилестроении, энергетике.

Таблица 48

Механические свойства армирующих монокристаллических

усов

169

Материал

кг/м

В,

МПа

Е,

ГПа

км

Графит

Оксид алюминия

Карбид кремния

Карбид бора

Нитрид кремния

2,25

3,90

3,15

2,50

3,20

980

1030

830

448

380

940

700

1100

276

109

5.1. Композиты с металлической матрицей

В композитах с металлической матрицей сочетаются достоинства

конструкционных металлических материалов с достоинствами

композитов вообще. Для них характерны высокие значения

прочностных характеристик, модулей упругости, вязкости

разрушения, ударной вязкости; эти материалы сохраняют

стабильность своих характеристик в более широких температурных

интервалах, чем материалы с полимерными матрицами; они обладают

также высокой тепло- и электропроводностью, малой

чувствительностью к тепловым ударам и поверхностным дефектам.

Металлические матрицы обладают высокой реакционной

способностью в жидкофазном состоянии и высоким сопротивлением

деформированию в твердофазном состоянии. Поэтому проблемы

химической и механической совместимости для композитов этого

типа весьма серьезны и требуют комплексного решения в

направлениях выбора материалов матрицы и армирурующих

компонентов, назначения технологии получения

материала и изделия,

конструирования изделия и т.д. Для конструкционных композитов

преобладающими являются твердофазные процессы, когда матрица

находится в состоянии высокой пластичности и ограниченной

реакционной способности.

Для конструкционных композитов в качестве матриц

преимущественно применяются алюминий, титан, магний и сплавы на

их основе.

170

Алюминиевые матрицы имеют временное сопротивление от 60

до 750 МПа , обладают низкой плотностью, высокой пластичностью,

хорошей технологичностью и т.д. В качестве матриц широко

применяются технический алюминий АД1 и легированные сплавы:

АМц, АМг2, АМг6, АД33, АВ, 1201, Д20, Д16, В95 и др.

Для повышения совместимости алюминиевой матрицы с

различного типа волокнами на поверхность

волокон наносят

промежуточный слой (например: из карбида кремния или окиси

алюминия). Для дополнительного упрочнения матрицы в ряде случаев

применяют напыление матричного материала, в этом случае матрица

формируется в результате высокоскоростного перемещения

расплавленных мелких частиц, соударения их с поверхностью и

высокоскоростной кристаллизации. При напылении в атмосфере

воздуха при напылении образуются тонкие частицы

окислов. Поэтому

матрица в указанных условиях формируется в виде скопления

тонкопластинчатых частиц размером 2-10 мкм, по границам которых

наблюдаются сплошные либо дискретные тончайшие оксидные

пленки, что существенно изменяет и структуру и свойства

алюминиевых матриц.

Титановые и магниевые матрицы имеют перед алюминиевыми

ряд достоинств (магниевые обладают меньшей плотностью,

титановые сохраняют высокие прочностные

свойства при

повышенных температурах), однако по технологичности (особенно

при горячем деформировании) они заметно уступают алюминиевым

матрицам.

В качестве матричных составляющих применяются магниевые

сплавы МА2-1, МА5, МА8 и другие с прочностью и пластичностью на

уровне:

= 250-310 МПа,

= 8-15%.

Титановые матрицы обладают удовлетворительной

технологичностью при горячем деформировании, хорошей

свариваемостью, способностью длительно сохранять высокие

прочностные характеристики (

= 360-1050 МПа) при повышенных

температурах (300-450

С).

Армирующие материалы. Наиболее широко применяются -

стальная нагартованная проволока, борные и угольные волокна,

жгуты из вышеперечисленных материалов, ленты из угольных

волокон и т.д.