В., Шлыкова А. В. Технологические процессы машиностроительного
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
5.12. Композиционные материалы с неметаллической матрицей В композиционных материалах с неметаллической матрицей в качестве основы (матрицы) применяют полимерные (эпоксидная, фенолоформальде- гидная, полиамидная и др.), углеродные и керамические материалы. Упроч- нителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, 144 на основе нитевидных кристаллов (оксиды, бориды, карбиды, нитриды), ме- таллическая проволока. Свойства материалов зависят от состава композиции, сочетания компо- нентов, прочности связей между ними. Свойства матрицы определяют, в ос- новном, прочность композита на сдвиг и сжатие, сопротивление усталостно- му износу. Свойства упрочнителя определяют, в основном, прочность и же- сткость материала. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитан- ные связующим, укладывают параллельно друг другу. Полученные слои со- бираются в пластины. При параллельной укладке свойства композита полу- чаются анизотропными. При укладке волокон под углом друг к другу можно получит материалы с изотропными свойствами. Рассмотрим некоторые наи- более применяемые композиты. Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции, со- стоящие из полимерной матрицы и упрочнителя в виде углеродных волокон (карбоволокон, жгутов, лент, тканей). В качестве матрицы применяются: по- лимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подверг- нутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты). Для удешевления производства, в компо- зит добавляют стекловолокно (карбостекловолокниты). В таблице 5.18 приведены свойства современных углепластиков. Таблица 5.18 Свойства углепластиков на основе различных углеродных наполните- лей Марка наполнителя σ в , МПа Е, МПа Толщина моно- слоя, мм УКН-П, УКН-М 1400 … 1600 140 0,17 … 0,22 ЭЛУР-П; ЭЛУР-П-0,08; ЛУ-П-0,1; ЛУ-П-0,2 700 … 1100 120 0,08 … 0,13 ЛУ-24П, Кулон 700 … 1000 300 0,11 … 0,13 УОЛ-300 1400 135 0,12 … 0,23 УТ-900 600 60 0,23 … 0,27 145 В ракетостроении и в авиастроении наибольшее применение нашли уг- лепластики следующих марок: КМУ-7 – высокопрочный углепластик на основе углеродных жгутов и эпоксидной смолы с прочностью при растяжении 1600 МПа и модулем упру- гости при растяжении 150 ГПа; рабочие температуры до 170°С. Материал используется в кузовостроении, при изготовлении панелей и подшипников. КМУ-4 – высокомодульный углепластик на основе углеродной ленты Кулон и эпоксидной смолы с модулем упругости при растяжении 200 ГПа. КМУ-7 – высокомодульный, высокопрочный углепластик на основе углеродной ленты ЛУ-24П и эпоксидной смолы с модулем упругости при растяжении 200 ГПа и прочностью при растяжении 1100 МПа. КМУ-8 - термостойкий углепластик на основе полиамидоимдной смо- лы и углеродной ленты ЭЛУР-П; прочность при растяжении 1000 МПа; ра- бочие температуры до 250°С. КМУ-400 - термостойкий углепластик на основе гетероциклического полимера и углеродных жгутовых наполнителей в виде лент; рабочие темпе- ратуры до 400°С; прочность при растяжении 1200 МПа, модуль упругости 200 ГПа, температурный коэффициент линейного расширения 2·10 -6 К -1 ; ис- пользуется для изготовления теплонагруженных деталей компрессора и газо- турбинного двигателя гражданских авиационных изделий. ГКМ-3 - гибридный полимерный композиционный материал с послой- ным чередованием наполнителей в виде углеродной ленты и стеклоткани. Прочность при растяжении 820 МПа, при сжатии 790 МПа, сохранение прочности при 100°С - более 80% от исходной. Рекомендуется применение в деталях, где требуется точность воспроизведения сложных геометрических поверхностей и герметичность. ВКГ-5 - гибридный полимерный композиционный материал на основе эпоксидного расплавного связующего с внутрислойным чередованием на- полнителей из углеродных жгутов и стекловолокна. Прочность при растяже- нии 1000 МПа, модуль упругости при растяжении 92 ГПа, прочность при 146 сжатии 940 МПа, сохранение прочности при 120°С - более 80% от исходной. Используется для изготовления методом намотки лонжеронов лопастей вер- толетов, эксплуатирующихся в любых условиях. Обладает высокой влаго- стойкостью. Бороволокниты – композиции полимерного связующего (модифициро- ванные эпоксидные смолы) и упрочнителя - борных волокон. Материалы отличается высокой прочностью при сжатии, срезе, низкой ползучестью, высокой твердостью. Ячеистая микроструктура борных воло- кон обеспечиваетвысокую прочность при сдвиге на границе раздела с мат- рицей. Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горю- чесмазочных материалов. Так как борные волокна являются полупроводни- ками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и элек- тропроводимостью. Физико-механические свойства бороволокнитов приве- дены в таблице 5.19. Таблица 5.19 Физические свойства бороволокнитов Материал Относи- тельное уд- линение при разрыве, % Ударная вязкость, кДж/м 2 Сопротивление усталости на базе 10 6 циклов, МПа Длительная прочность при изгибе за 1000 ч, МПа Плотность, т/м 3 КМВ-1м 0,3…0,5 90 400 1 370 2,1 КМВ-1к 0,3…0,4 78 350 1 220 2,0 КМВ-2к 0,3..0,4 110 400 1 200 2,0 КМВ-3к 0,3…0,4 110 420 1 300 2,0 Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной рабо- ты при температуре 200° С; КМБ-3 и КМБ-3к могут работать при температу- ре не свыше 100 °С; КМБ-2к работоспособен при 300 °С. Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной технике. 147 Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в ви- де синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, срав- нительно высокой удельной прочностью и жесткостью, стабильны при дей- ствии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Материалы имеют стабильные во времени механические свойства, хорошо работают при повышенной влажности и повышенных климатических температурах и при- меняются как корпусной материал машин, работающих в тропическом и суб- тропическом климате. Недостатком органоволокнитов является сравнительно низкая проч- ность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон). Стекловолокниты - пресс - материалы, состоящие из коротких волокон стекловолокна (наполнителя), пропитанные полимерным связующим. Стекловолокнитыобладают высокой удельной прочностью и жест- кость, хорошо противостоят вибрационным и знакопеременным нагрузкам. Они отличаются хорошими диэлектрическими и теплоизоляционными свой- ствами, которые сочетаются с высокой стойкостью к различным химическим реагентам, к воздействию микроорганизмов и коррозии. Свойства стекловолокнитов во многом зависят от применяемого на- полнителя. Использование щелочных (известково-натриевых) стекол для производства стеклянного волокна дает возможность получать материалы с высокой кислотостойкостью, применение малощелочных (боросиликатных) стекол – материалы с более высокими диэлектрическими показателями и во- достойкостью. Существенную роль играет толщина волокна: чем тоньше стекловолокно, тем выше прочность на изгиб, но ниже ударная вязкость. Высокопрочные (σ в 1200 … 1500 МПа) стекловолокниты (марки СК-5- 211Б, СК-2561) на основе кордных стеклотканей Т-25(ВМ) и Т-50(ВМП) и полимерных связующих применяют для изготовления многолопастных высо- конагруженных малошумных винтов винтовентиляторных двигателей широ- 148 кофюзеляжных самолетов короткого взлета и посадки Ан-70Т, Ан-140, Ил- 114 (рис. 5.8). Рис. 5.8. Примеры изделий из стек- ловолокнитов: а – лопасть винта самолета АН-70 из стекловолокнита СК-5-211Б; б – корпус авиадвигателя из стеклово- локнита СК-2561; в - детали кожуха мотогондолы из стекловолокнита СТП-97. Высокопрочные, термостой- кие полиимидные стекловолокниты (марок СТп-97, СТМ-Ф) могут ра- ботать при температуре до 350 °С и обеспечивают: сохранение высоких стабильных прочностных характеристик при длительном воздействии повы- шенных температур и высокую пожаробезопасность конструкций. Эти стеклопластики применяются при изготовлении кожухов мотогон- дол двигателей (рис. 5.8, в), панелей капотов, защитных экранов. Кремнийорганические термостойкие стеклопластики (марка ДК-46) могут работать при температуре до 450 °С, обладают высокой жидкотекуче- стью (при литье возможно получение протяженных стенок толщиной от 0,3 мм), и обеспечивают высокую работоспособность изделия при высоких тем- пературах эксплуатации. Эти стекловолокниты предназначены для изготов- ления деталей конструкционного и электротехнического назначения (флан- 149 цевые диски, рассеиватели сигнальных устройств, колпачки, крышки). При- меры электротехнических деталей из материала ДК-46 показаны на рис. 5.9. Рис. 5.9. Примеры электротех- нических деталей из материа- ла ДК-46 Слоистые алюмостеклопластики (СИАЛ-1, СИАЛ-2, СИАЛ-3, СИАЛ- 4) - новый класс конструкционных материалов, состоящих из тонких (0,3 … 0,5 мм) листов из алюминиевых сплавов и прослоек клеевого стекловолокни- та. Материалы отличаются высоким сопротивлением росту трещины уста- лости при высокой прочности, пониженной плотности, повышенной пожаро- стойкости (1000 °С, 10 мин без прогорания). СИАЛы применяются при изго- товлении обшивок фюзеляжа, внутренних перегородок самолетов. Базальтопластики (базальтоволокниты) – полимерный композицион- ный материал основе непрерывных или дискретных базальтовых волокон со слоистой фенолоформальдегидной матрицей. Материал (по сравнению со стекловолокнитами) имеет высокую проч- ность на изгиб (на 22…40%), ударную вязкость (на 16…45%), водостойкость (на 10%), плотность (на 14-18%), термостойкость при 400…800°С (на 10- 50%). 5.13. Конструкционные порошковые материалы Изделия из порошковых материалов получают методами порошковой металлургии. Порошковая металлургия – область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления. Технология получения изделий из порошковых материалов включает в себя прессование металлических порошков в изделия необходимой формы и 150 размеров с последующим спеканием в вакууме или в защитной атмосфере при температуре 0,75 … 0,8Т плавления Основными достоинствами технологии производства изделий методом порошковой металлургии являются: o возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соеди- нений; o экономия металла за счет получения изделий высокой точности (требу- ется минимальная механическая обработка, отходы составляют 1…3%); o простота технологии порошковой металлургии. Различают пористые и компактные ПМ. 5.14. Пористые порошковые материалы Отличительной особенностью пористых порошковых материалов (ППМ) является наличие равномерной объемной пористости (от 10 до 30%), которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства. Антифрикционные пористые порошковые материалы (АППМ) приме- няются для изготовления подшипников скольжения. АППМ представляют собой пористую основу (пористость 15…30 %), пропитанную маслом или графитом. При повышении трения подшипник на- гревается, масло или графит поступают из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся. Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников. При нагрузках до 600 МПа подшипники могут работать при скоростях скольжения до 6 м/с. При меньших нагрузках скорость скольжения можно увеличить до 20…30 м/с. Коэффициент трения подшипников – 0,04…0,06. Антифрикционные детали изготавливают из железографита (1…7% графита) или из бронзографита (8…10% Sn и 2…4% графита). Металличе- ская основа железографитных материалов имеет перлитную структуру, что обеспечивает хорошую износостойкость при высоких скоростях и нагрузках. 151 Для улучшения прирабатываемости добавляют 0,8…1,0% серы или 3,5…4,0% сульфидов. Механические свойства антифрикционных материалов приведены в таблице 5.20. Таблица 5.20 Механические свойства железографитных и бронзографитных мате- риалов Вид Марка Коэффици- ент трения Наи- большая нагруз- ка, МПа Наиболь- шая рабочая температу- ра, град. С σ в , МП а НВ Без сма зки Со смаз- кой Железо- графит- ные ЖГр1 ЖГр2 ЖГр7 - 0.07 - 0,09 1000 - 1500 200 о 180 - 300 60 - 120 Бронзо- графит- ные БрОГр10-2 БрОГр8-4 0.04 - 0.09 0,05 - 0.007 400 - 500 250 о 30 - 50 25 - 50 Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы во фрикционных механизмах (муфты сцепления, тормозные меха- низмы). Для фрикционных механизмов характерны следующие условия: o трущиеся поверхности сильно нагреваются (поверхностные слои - до 1200°С; по объему - до 600°С); o скорости трения до 50 м/с; o нагрузки - 350…400 МПа; o коэффициент трения при работе в масле – 0,08…0,15, при сухом трении – до 0,7; o высокая прочность и большая износостойкость. В состав фрикционных порошковых материалов (ФПМ) входят сле- дующие компоненты: 152 o основа – медь и ее сплавы (для рабочих температур 500…600oС), желе- зо, никель и сплавы на их основе (для работы при сухом трении и температу- рах 1000…1200°С); o твердые смазки – свинец, олово, висмут, графит, сульфиты бария и же- леза, нитрид бора (необходимы для предотвращения микросхватывания при торможении и предохранения фрикционного материала от износа); o материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения – асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и другие (коэффициент трения у ФПМ на основе: железа – 0,18 …0,4 - сплав ФМК11; меди - 0,17 … 0,25 сплав МК5). Примерный состав сплава: медь – 60…70 %, олово – 7 %, свинец – 5 %, цинк – 5…10%, железо – 5…10 %, кремнезем или карбид кремния – 2…3 %, графит – 1…2 %. Фильтры (пористость 25…50 %) из спеченных металлических порош- ковых материалов по своим эксплуатационным характеристикам превосходят другие фильтрующие материалы, особенно когда требуется тонкая фильтра- ция. Они могут работать при температурах от –273°С до 900°С, быть корро- зионностойкими и жаропрочными (можно очищать горячие газы). Спекание позволяет получать фильтрующие материалы с относительно прямыми тон- кими порами одинакового размера. Изготавливают фильтры из порошков коррозионностойких материалов: бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни и др. в металлургиче- ской промышленности применяют материалы на основе никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений. Такие фильтры ра- ботают тысячи часов и поддаются регенерации в процессе работы. Их можно продуть, протравить, прожечь. Фильтры на основе титана, алюминия, корро- зионно-стойкой стали с пористостью 45 … 50% и размером пор 2 …20 мкм используют для очистки жидкостей и газов. 153 «Потеющие сплавы» – порошковые материалы, через стенки которых к рабочей наружной поверхности детали поступает жидкость или газ. За счет испарения жидкости температура поверхности понижается (лопатки газовых турбин). Сплавы выпускаются на основе порошка нихрома с порами диаметром до 10…12 мкм при пористости 30 %. Сплавы этого типа можно использовать и для решения обратной задачи: крылья самолетов покрывают пористым медно-никелевым слоем и подают через него на поверхность антифриз, пре- пятствующий обледенению. Пеноматериалы – материалы с очень высокой пористостью, 95…98 %. Например, плотность вольфрама 19,3 т/см3, а пеновольфрама – всего 3 г/см3. Такие материалы используют в качестве легких заполнителей и теплоизоля- ции в авиационной технике. 5.15. Компактные порошковые материалы Компактные порошковые материалы (КПМ) получают из порошков уг- леродистой и легированной стали; бронз, латуни, титановых и алюминиевых сплавов. Изделия из КПМ изготавливают прессованием и ковкой в металличе- ских оболочках (детали, работающие в условиях ударных нагрузок), горячим прессованием (детали, работающие в тяжелонагруженных узлах) прокаткой в ленту и т.д. При производстве жаропрочных, жаростойких и износостойких изделий применяют метод пропитки пористых заготовок жидкими расплава- ми металлов или их сплавов. В крупносерийном и массовом производстве из КПМ получают детали относительно простой формы: различные шестерни, кулачки, храповики, звездочки привода газораспределительных механизмов двигателей, специ- альные гайки, статоры, лопасти насосов, корпусные детали (рис. 5.10). Детали, полученные из КПМ, часто не требуют или требуют незначи- тельной механической обработки. 154 Слабонагруженные детали (кулачки, корпуса подшипников скольже- ния, ролики, звездочки) изготавливают их смеси порошка железа и графита. Рис. 5.10. Примеры деталей, изго- товленных из КПМ. КПМ из спеченных черных металлов и сплавов Средненагруженные детали изготавливают или двукратным прессова- нием – спеканием, или пропиткой спеченной детали медью или латунью. Детали сложной конфигурации (например, двух венцовые шестерни с центральным отверстием) получают из отдельных заготовок, которые перед спеканием насаживают одну на другую с натягом. В зависимости от условий работы, шестерни изготавливают из компо- зиций: железо – графит; железо – графит с медью или легирующими элемен- тами. Пропитка композиции маслом обеспечивает самосмазываемость, что уменьшает износ шестерен и шумность передачи. Поршневые кольца получают из смеси железного порошка с графитом, медью и сульфидом цинка (твердая смазка). Для повышения износостойкости делают двухслойные кольца: во внешний слой вводят хром и увеличивают содержание графита. Изделия, работающие в агрессивных средах, изготавливают из хромо- никелевых порошковых сталей(20% хрома и 15% никеля). В маркировке КПМ из стали ставят буквы «С» и «П» – сталь порошко- вая; в конце маркировки указывают процентное содержание пор. Например: СП10-1(сталь порошковая 10, поры 1%); СП45Х3-2 (сталь порошковая 45, 3% хрома, поры 2%). |