Реферат по дисциплине «Материаловедение» выполнилКовалёв В.В.
Тираспольский межрегиональный университет
Типасполь, 2005
1. Теория и технология термической обработки. Видытермической обработки. Отжиг, нормализация, закалка, старение, улучшение.
Термическойобработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающиеизменения внутреннего строения сплава, и в связи с этим изменения физических,механических и других свойств.
Термическойобработке подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) дляулучшения структуры, снижения твердости, улучшения обрабатываемости, иокончательно изготовленные детали и инструмент для придания им требуемыхсвойств.
Врезультате термической обработки свойства сплавов могут меняться в широкихпределах. Например, можно получить любую твердость стали от 150 до 250 НВ(исходное состояние) до 600—650 НВ (после закалки). Возможность значительногоповышения механических свойств с помощью термической обработки по сравнению сисходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, а такжеуменьшить размеры и вес детали.
Основоположникомтеории термической обработки является выдающийся русский ученый Д. К. Чернов,который в середине XIX в., наблюдая изменение цвета каления стали при еенагреве и охлаждении и регистрируя температуру «на глаз», обнаружил критическиеточки (точки Чернова).
Основнымивидами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка иотпуск.
Отжиг.Отжигом называют операцию нагрева, выдержки при заданной температуре иохлаждения заготовок. Академик А. А. Бочвар дал определение двух родов отжига:отжиг первого рода — приведение структуры из неравновесного состояния в болееравновесное (возврат или отдых, рекристаллизационный отжиг, илирекристаллизация, отжиг для снятия внутренних напряжений и диффузионный отжигили гомогенизация); отжиг второго рода — изменение структуры сплава посредствомперекристаллизации около критических точек с целью получения равновесныхструктур; к отжигу второго рода относятся полный, неполный и изотермическийотжиги.
Рассмотримвиды отжига применительно к стали.
Возвратстали — нагрев до температуры 200—400 °С для уменьшения или снятия наклепа. Привозврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках укристаллов и частичное восстановление физико-химических свойств.
Рекристаллизационныйотжиг (рекристаллизация) стали происходит при температуре 500—550 °С; отжиг дляснятия внутренних напряжений — при температуре 600—700 °С. Эти виды отжигаприменяют для заготовок, обработанных давлением (прокаткой, волочением, ковкой,штамповкой). При рекристаллизационном отжиге деформированные вытянутые зернастановятся равноосными, в результате твердость снижается, а пластичность иударная вязкость повышаются. Для полного снятия внутренних напряжений в сталинужна температура не менее 600 °С.
Охлаждениепосле выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным; приускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.
Диффузионныйотжиг применяют в тех случаях, когда в стальных заготовках имеетсявнутрикристаллическая ликвация. Выравнивание состава в зернах аустенитадостигается диффузией углерода и других компонентов наряду с самодиффузиейжелеза. В результате сталь становится однородной по составу (гомогенной),поэтому диффузионный отжиг называется также гомогенизацией.
Температурагомогенизации должна быть достаточно высокой (1100 -1200 °С), однако нельзядопускать пережога и оплавления зёрен. При пережоге кислород воздуха окисляетжелезо, проникает в толщу его, в результате образуются кристаллиты, разобщенныеоксидными оболочками. Пережжённые заготовки являются неисправимым браком.
Приполном отжиге понижаются твердость и прочность стали; этот отжиг связан сфазовой перекристаллизацией при температурах точек Ас1 и Ac3. В результатеполного отжига структура стали становится близкой к равновесной, чтоспособствует лучшей обрабатываемости резанием и штамповкой. Полный отжигиспользуют также как окончательную операцию термической обработки заготовок.Для полного отжига сталь нагревают на 30—50° выше температуры линии GSK имедленно охлаждают. Операция выполняется с охлаждением заготовок в печи причастичном подогреве, чтобы скорость охлаждения былa в пределах 10—100 °С/ч длялегированной стали и 150—200 оС/ч для углеродистой стали.
/>
Отжигомдостигается также измельчение зерна. Крупнозернистая структура получается,например, в результате перегрева стали, такая структура называетсявидманштетовой. На рис. 1 приведена видманштетовая структура доэвтектоиднойстали (х50); она характерна расположением феррита (светлые участки) и перлита ввиде вытянутых пластин под различными углами друг к другу.
Взаэвтектоидных сталях видманштетовая структура характеризуется штрихообразным расположениемизбыточного цементита.
Неполныйотжиг связан с фазовой перекристаллизацией лишь при температуре точки Ас1, егоприменяют после горячей обработки давлением, когда у заготовок мелкозернистаяструктура.
Длядоэвтектоидной стали этот отжиг Рис. 1. используют в целях улучшения обрабатываемостирезанием.
Отжигна зернистый перлит служит для повышения пластичности и вязкости стали иуменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита заготовки нагреваютнесколько выше точки Ac1 и выдерживают недолго, чтобы цементит растворился ваустените не полностью. Затем производят охлаждение до температуры несколько нижеАr1 и выдерживают при такой температуре несколько часов.
Приизотермическом отжиге после нагрева и выдержки заготовки быстро охлаждают дотемпературы несколько ниже точки Аr1 и выдерживают при этой температуре дополного распада аустенита в перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применениеизотермического отжига обеспечивавает повышение производительности труда,например, обычный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический –4-7 ч.
Нормализация.При нормализации сталь после нагрева охлаждается не в печи, а на воздухе вцехе, что экономичнее. Нагрев ведется до полной перекристаллизации (на 30—50°выше точек Ас3, и Аст); в результате нормализации сталь приобретаетмелкозернистую и однородную структуру. Твердость и прочность стали после нормализациивыше, чем после отжига. Структура низкоуглеродистой стали после нормализацииферритно-перлитная, но более дисперсная, чем после отжига, а у средне- ивысокоуглеродистой сталей — сорбитная; нормализация может заменить для первойотжиг, а для вторых — закалку с высоким отпуском. Часто нормализацией улучшаютструктуру перед закалкой.
Закалка и отпуск стали.
Цельюзакалки и отпуска стали является повышение твердости и прочности. Закалка иотпуск стали необходимы для очень многих деталей и изделий. Закалка основана наперекристаллизации при нагреве и предотвращении перехода аустенита в перлитпутем быстрого охлаждения. Закаленная сталь имеет неравновесную структуру мартенсита,троостита или сорбита.
Чащевсего сталь резко охлаждают на мартенсит. Для смягчения действия закалки стальотпускают, нагревая до температуры ниже точки А1. При отпуске структура сталииз мартенсита закалки переходит мартенсит отпуска, троостит отпуска, сорбитотпуска.
Закалкастали. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге:для доэвтектоидной стали на 30—50 °С выше точки Ас3, для заэвтектоидной — на30—50° выше точки Aс1. При нагреве доэвтектоидной стали до температуры междуточками Ас1 и Ac3 (неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали нарядус закаленными участками будет присутствовать нерастворенный при нагреве (ваустените) феррит, резко снижающий твердость и прочность. Поэтому длядоэвтектоидной стали обязательна полная закалка с нагревом выше точки Ас3.
Взаэвтектоидной стали избыточной фазой является цементит, который по твердостине уступает мартенситу и даже превосходит его, поэтому сталь достаточно нагретьна 30—50 °С выше точки Ас1.
Нагреватьзаготовки, особенно крупные, нужно постепенно во избежание местных напряжений итрещин, а время выдержки нагретых заготовок должно быть достаточным, чтобыпереход в структуру аустенита полностью завершился.
Скоростьохлаждения заготовок при закалке должна быть такой, чтобы получить заданнуюструктуру. Критическая скорость закалки изменяется в широких пределах взависимости от наличия легирующих компонентов в стали. Для простых сплавовжелезо—углерод эта скорость очень высока. Присутствие в стали кремния имарганца облегчает закалку на мартенсит, так как для такой стали С-образныекривые на диаграмме изотермического превращения аустенита будут сдвинуты вправои критическая скорость закалки понижается.
Наиболеераспространено охлаждение заготовок погружением их в воду, в щелочные растворыводы, в масло, расплавленные соли и т. д. При этом сталь закаливается намартенсит или на бейнит.
Призакалке применяют различные способы охлаждения в зависимости от марки стали,формы и размеров заготовки.
/>
Простуюзакалку в одном охладителе (чаще всего в воде или водных растворах) выполняют,погружая в него заготовки до полного охлаждения. На рис. 2 режим охлажденияпри такой закалке характеризует кривая 1.
Дляполучения наибольшей глубины закаленного слоя применяют охлаждение приинтенсивном обрызгивании.
Прерывистойзакалкой называют такую, при которой заготовку охлаждают последовательно вдвух средах: первая среда — охлаждающая жидкость (обычно вода), вторая —воздух или масло (см. кривую 2 на рис. 2). Резкость такой закалки меньше, чемпредыдущей. Рис. 2.
Приступенчатой закалке заготовку быстро погружают в соляной расплав и охлаждают дотемпературы несколько выше Мн. Выдержка обеспечивает выравнивание температурыот поверхности к сердцевине заготовки, что уменьшает напряжения, возникающиепри мартенситном превращении; затем заготовку охлаждают на воздухе (кривая 3 нарис. 2).
Изотермическаязакалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распаденииаустенита. Охлаждение ведется до температуры несколько выше начала мартенситногопревращения (200—300 °С) в зависимости от марки стали. В качестве охладителяиспользуют соленые расплавы или масло, нагретое до 200—250 °С. При температурегорячей ванны заготовка выдерживается продолжительное время, пока пройдетинкубационный период и период превращения аустенита (кривая 4 на рис. 2). Врезультате получается структура бейнита, по твердости близкая к мартенситу, ноболее вязкая и пластичная. Последующее охлаждение производится на воздухе.
Приизотермической закалке вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью неменее критической, чтобы избежать распадения аустенита. Следовательно, по этомуметоду можно закаливать лишь небольшие (диаметром примерно до 8 мм) заготовкииз углеродистой стали, так как массивные заготовки не удается быстро охладить.Это не относится однако к легированным сталям, большинство марок которых имеютзначительно меньшие критические скорости закалки. Большим преимуществомизотермической закалки является возможность рихтовки (выправления искривлений)заготовок во время инкубационного периода превращения аустенита (который длитсянесколько минут), когда сталь еще пластична.
Закалкапри помощи газовой горелки. Кислородно-ацетиленовое пламя газовой горелки стемпературой около 3200 °С направляется на поверхность закаливаемой заготовки ибыстро нагревает ее поверхностный слой до температуры выше критической. Вследза горелкой перемещается трубка, из которой на поверхность заготовкинаправляется струя воды, закаливая нагретый слой. Этот способ применяется дляизделий с большой поверхностью (например, для прокатных валков, зубьев большихшестерен и т. д.).
Закалкатоками высокой частоты по методу В. П. Вологдина нашла очень широкое применениев промышленности, так как отличается высокой производительностью, легко поддаетсяавтоматизации.
Обработкахолодом. Этот метод применяется для повышения твердости стали путем переводаостаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Холодом обрабатываютуглеродистую сталь, содержащую больше 0,5 % С, у которой температура конца мартен-ситногопревращения находится ниже 00 С, а также легированную сталь (например,быстрорежущую).
Отпускстали. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточныенапряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпускпроизводится путем нагрева заготовок до температуры ниже критической; при этомв зависимости от температуры могут быть получены структуры мартенсита,троостита или сорбита отпуска.
Принизком отпуске (нагрев до температуры 150—200 °С) в структуре стали в основномостается мартенсит, который однако имеет другую решетку, как сказано выше.Кроме того, начинается выделение карбидов железа из пересыщенного твердогораствора углерода в a-железе иначальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некотороеуменьшение твердости и увеличение вязкости стали, а также уменьшение внутреннихнапряжений в заготовках. Для низкого отпуска, заготовки выдерживают в течениеопределенного времени обычно в масляных или солевых ваннах. Если для низкогоотпуска заготовки нагревают в атмосфере воздуха, то для контроля температурычасто пользуются цветами побежалости, появляющимися на зачищенной поверхностизаготовки. Появление этих цветов связано с интерференцией белого цвета впленках оксида железа, возникающих на поверхности заготовки при ее нагреве. Дляуглеродистой стали в интервале температур от 220 до 330 °С в зависимости оттолщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Для легированнойстали соответствующие температуры выше. Низкий отпуск применяют для режущегоинструмента из углеродистых и легированных сталей, измерительного инструмента,цементированных заготовок, а также других изделий, работающих в условиях тренияна износ.
Присреднем (нагрев в пределах 300—500 °С) и высоком (500—700 °С) отпуске структурамартенсита переходит соответственно в структуру троостита или сорбита. Чем вышетемпература отпуска, тем меньше твердость отпущенной стали и тем больше еевязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механическихсвойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность; поэтому закалку намартенсит с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. Среднийотпуск применяют при производстве кузнечных штампов, пружин, рессор, авысокий—для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (например,осей автомобилей, шатунов двигателей).
2. Химико – термическая обработка. Её виды.
Цельюхимико-термической обработки является получение поверхностного слоя стальныхизделий, обладающего повышенными твердостью, износоустойчивостью,жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для этого нагретые заготовкиподвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слойзаготовок переходят нужные для получения заданных свойств элементы: углерод,азот, алюминии, хром, кремний и др.
Этиэлементы диффундируют в поверхностный слой лучше, когда они выделяются ватомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложениелегче всего происходит в газах, поэтому их и стремятся применять дляхимико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении газаактивизированный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и образуеттвердый раствор или химическое соединение. Наиболее распространенными видамихимико-термической обработки стали являются цементация, азотирование,цианирование.
Цементация.Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем заготовки,который после закалки становится твердым; в сердцевине за готовка остаетсявязкой. Цементации подвергают такие изделия, которые работают одновременно наистирание и удар.
Существуютдва вида цементации: цементация твердым карбюризатором и газовая цементация.
Прицементации твердым карбюризатором применяют древесный уголь в смеси суглекислыми солями — карбонатами (ВаСО3, Nа2СО3, К2СО3, СаСО3 и др.).
Цементацииподвергают заготовки из углеродистой или легированной стали с массовымсодержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям,применяют стали, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечиваетвысокую вязкость сердцевины после цементации.
Дляцементации заготовки помещают в стальные цементационные ящики, засыпаюткарбюризатором, покрывают крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещаютящики в печь и выдерживают там 5—10 ч при температуре 930—950 °С.
Технологияцементации деталей в твердом карбюризаторе заключается в следующем. Деталиочищают от грязи, масла, окалины и упаковывают в цементационный ящик. На дноящика насыпают карбюризатор слоем 25—30 мм,
/>
нанего укладывают первый ряд деталей.
Расстояниемежду деталями должно быть 15—20 мм, а между деталями и стенкой ящика 15—25мм. На первый ряд деталей насыпают карбюризатор и укладывают следующий ряддеталей, снова засыпают карбюризатор, и так до заполнения ящика до верха.Сверху ящик закрывают крышкой и обмазывают глиной (рис. 3).
Рис.3. Упаковка деталей в цементационный ящик:
1— ящик; 2 — карбюризатор; 8 — «свидетели»; 4 — детали.
Принагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре 900 °С распадаетсяпо реакции
ВаСО3+ С ® ВаО + 2СО.
Врезультате образуется оксид углерода, который на поверхности стальных заготовокдиссоциирует с выделением активного атомарного углерода; этот углеродадсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки, в результатеповышается его массовое содержание в аустените, далее по достижении пределарастворимости образуется цементит
3Fe+ С ® Fe3С.
Поверхности,не подлежащие цементации, изолируют от карбюризатора нанесением на них обмазокили омедняют электролитическим способом. Глубина цементации обычно составляет0,5—3 мм; цементированные заготовки содержат в поверхностном слое 0,95— 1,1 %С.
Пригазовой цементации в качестве карбюризатора применяют различные газы и газовыесмеси (природный, светильный, генераторный газы и др.). В их состав кромеоксида углерода входят углеводороды, из которых особое значение имеет метанСН4. Газовую цементацию выполняют в герметически закрытых безмуфельных илимуфельных печах непрерывного действия при температуре 900— 950 °С и непрерывномпотоке цементирующего газа или в шахтных печах периодического действия. Вшахтных печах для цементации используют жидкие углеводороды (керосин, синтин),которые каплями подаются в печь и, испаряясь, образуют газы- карбюризаторы.
Преимуществомгазовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являютсядвух-трехкратное ускорение процесса, чистота рабочего места, возможностьлучшего управления процессом. Газовая цементация применяется очень широко.
Цементированныезаготовки подвергают однократной или двойной закалке и низкому отпуску.Однократную закалку с нагревом до 820—850 °С применяют в большинстве случаев,особенно для наследственно-мелкозернистых сталей, когда продолжительнаявы-держка в горячей печи при цементации не сопровождается большим ростом зёренаустенита. Такая закалка обеспечивает частичную перекристаллизацию иизмельчение зерна сердцевины заготовки, а также измельчение зерна и полнуюзакалку цементированного слоя. Закалка после газовой цементации частопроизводится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840— 860°С.
Двойнуюзакалку применяют, когда нужно получить высокую ударную вязкость и твёрдостьповерхностного слоя (например, для зубчатых колес). При этом производят;
I)закалку пли нормализацию с нагревом до температуры 880- 9000 С для исправленияструктуры сердцевины и ликвидации (растворения) цементитной сеткиповерхностного слоя; 2) закалку с нагревом до температуры 760— 780 °С дляизмельчения структуры цементированного слоя и придания ему высокой твердости(до 60—64 HRC для углеродистой стали). Закаленные заготовки подвергают низкомуотпуску (150— 170 °С).
Углеродистаясталь имеет очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина заготовокиз такой стали независимо от скорости охлаждения имеет структуру перлит +феррит. Поэтому, чтобы получить детали с сердцевиной высокой прочности (сорбит+ феррит), применяют легированную сталь, имеющую меньшую критическую скоростьзакалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).
Азотирование.Цель азотирования — придание поверхностному слою деталей высокой твердости,износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется привыделении активного азота из диссоциирующего аммиака
2NH3® 2N + ЗН2.
Азотируютлегированную сталь, содержащую алюминий, титан, вольфрам, ванадий, молибден илихром (например, сталь марок 35ХМЮА, 35ХЮА и др.).
Передазотированием заготовки подвергают закалке и высокому отпуску. Азотированиепроизводят в печах при температуре 500— 600 °С. Активный азот, выделяющийся придиссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечисленнымилегирующими элементами и железом образует очень твердые химические соединения —нитриды (A1N, MoN, Fe3N и др.).
Азотированиена глубину 0,2—0,5 мм продолжается 25—60 ч и в этом его основной недостаток.Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: температуранагрева сравнительно низкая, а твердость более высокая (1100—1200 по Виккерсу,вместо 800—900 после цементации и закалки); у азотированных изделий большиекоррозионная стойкость, сопротивление усталости и меньшая хрупкость. Поэтому азотированиешироко применяют для деталей из стали и чугуна (шестерен, коленчатых валов,цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.).
Азотированиеприводит к некоторому увеличению размеров заготовок, поэтому после азотированияих подвергают шлифованию.
Цианирование.Цианирование — насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом;оно бывает жидкостным и газовым.
Жидкостноецианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей (NaCН, KCН,Са(CN)2., и др.) при температуре, достаточной для разложения их с выделениемактивных атомов Си N.
Низкотемпературное(550—600 °С) цианирование применяют главным образом для инструментов избыстрорежущей стали с целью повышения их стойкости и производится в расплавахчистых цианистых солей. Высокотемпературное (800—850 °С) цианированиеосуществляется в ваннах, содержащих 20—40 %-ные расплавы цианистых солей снейтральными солями (NaCl, Na.2CO3 и др.) для повышения температуры плавленияванны. Продолжительность жидкостного цианирования от 5 мин до 1 ч. Глубинацианирования 0,2—0,5 мм.
Послецианирования заготовки подвергают закалке и низкому отпуску. Цианирование, каки цементацию, применяют для различных изделий, при этом коробление заготовокзначительно меньше, чем при цементации, а износо- и коррозионная стойкостьболее высокие. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитостьцианистых солей, а также их высокая стоимость.
Газовоецианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газудобавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота. Газовое цианирование, также как и жидкостное, разделяется на низкотемпературное и высокотемпературное.
Принизкотемпературном (500—700 °С) газовом цианировании в сталь преимущественнодиффундирует азот (с образованием нитридов), а углерод диффундирует в малыхколичествах. Это цианирование так же как и жидкостное низкотемпературное,применяют для обработки инструментов из быстрорежущей стали.
Привысокотемпературном газовом цианировании (800—850 °С) в сталь диффундируетзначительное количество углерода с образованием аустенита. Послевысокотемпературного цианирования заготовки закаливают.
Пригазовом цианировании, называемом также нитроцементацией, отпадает необходимостьв применении ядовитых солей и, кроме того, имеется возможность обработки болеекрупных деталей.
Диффузионнаяметаллизация. Наиболее распространенными видами диффузионной металлизацииявляются алитирование, хромирование, силицирование.
Алитированиепредставляет собой поверхностное насыщение стальных и чугунных заготовок алюминиемс образованием твердого раствора алюминия в железе. Его применяютпреимущественно для деталей, работающих при высоких температурах (колосников,дымогарных труб и др.), так как при этом значительно (до 10000С) повышаетсяжаростойкость стали.
Дляалитирования алюминий сначала наносят на заготовку распылением жидкой струисжатым воздухом, затем нанесенный слой алюминия защищают жаростойкой обмазкой ипроизводят диффузионный отжиг заготовок при температуре 920 °С в течение 3 ч. Впроцессе отжига поверхностный слой заготовки насыщается алюминием на глубину всреднем 0,5 мм.
Диффузионноехромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома ишамота, смоченных соляной кислотой или в газовой среде при разложении паровхлорида хрома СrCl2. Хромированию подвергаются в основном стали с массовымсодержанием углерода не более 0,2 %. Хромированный слой низкоуглеродистой сталинезначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяетподвергать хромированные детали сплющиванию, прокатке и т. п. Хромированныедетали имеют высокую коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах(азотной кислоте, морской воде). Это позволяет заменять ими детали издефицитной высокохромовой стали.
Силицирование— насыщение поверхностного слоя стальных заготовок кремнием, обеспечивающееповышение стойкости против коррозии и эрозии в морской воде, азотной, серной исоляной кислотах, применяется для деталей, используемых в химическойпромышленности.
Силицированныйслой представляет собой твердый раствор кремния в a-железе. Существует силицирование в порошкообразных смесяхферросилиция, а также газовое силицирование в среде хлорида кремния SiCl4.
3. Композиционные материалы.
Композиционныематериалы (композиты) состоят из химически разнородных компонентов,нерастворимых друг в друге и связанных между собой в результате адгезии.Основой композитов является пластическая матрица, которая связываетнаполнители, определяет форму изделия, его монолитность, теплофизические,электро- и радиотехнические свойства, герметичность, химическую стойкость, атакже распределение напряжений между наполнителями.
Вкачестве матрицы применяют металлы (алюминий, магний, их сплавы), полимеры(эпоксидные, фенолформальдегидные смолы, полиамиды), керамические, углеродныематериалы.
Наполнителичаще всего играют роль упрочнителей, воспринимают основную долю нагрузки иопределяют модуль упругости и твердость композита, а иногда также фрикционные,магнитные, теплофизические и электрические свойства. Наполнителями служаттонкая (диаметром несколько микрометров) проволока из высокопрочной стали,вольфрама, титана, а также стеклянные, полиамидные, углеродные, боридныеволокна и волокна на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов,нитридов) и др.
Композитыполучают пропиткой наполнителей матричным раствором, нанесением материаламатрицы на волокна плазменным напылением, электрохимическим способом, введениемтугоплавких наполнителей в расплавленный материал матрицы, прессованием,спеканием.
Композиционныематериалы с металлической матрицей
/>
Рис.4.Схема структуры (а) и армирования непрерывными волокнами (б) композиционныхматериалов
Композиционныематериалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы),упрочненной высокопрочным волокнами (волокнистые материалы) илитонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле(дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна(дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка(матрица), составляющие или иную композицию, получили название композиционныематериалы (рис.4).
3.1. Волокнистые композиционные материалы.
Нарис.4 приведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционныематериалы с волокнистым наполнителем (упрочнителем) по механизму армирующегодействия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ≈10÷103, и с непрерывным волокном, в которых l/d = ∞. Дискретныеволокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотенмикрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степеньупрочнения.
Частокомпозиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждыйслой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слойможно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, котораяпредставляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечномуматериалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.
Композиционныематериалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временногосопротивления и предела выносливости (на 50–100 %), модуля упругости,коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью ктрещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткостьконструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.
Таблица1.Механические свойства композиционных материалов на металлической основеМатериал σВ σ-1 Е, ГПа σВ/γ Е/γ МПа Бор–алюминий (ВКА–1А) 1300 600 220 500 84,6 Бор–магний (ВКМ–1) 1300 500 220 590 100 Алюминий–углерод (ВКУ–1) 900 300 220 450 100 Алюминий–сталь (КАС–1А) 1700 350 110 370 24,40 Никель–вольфрам (ВКН–1) 700 150 – – –
Прочностькомпозиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон;матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующимиэлементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны бытьзначительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткиеармирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции принагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.
Дляупрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σВ =2500÷3500 МПа, Е = 38÷420 ГПа) и углеродные (σВ =1400÷3500 МПа, Е = 160÷450 ГПа) волокна, а также волокна изтугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокиепрочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеютσВ = 2500÷3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в качествеволокон проволоку из высокопрочных сталей.
Дляармирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокнасапфира, карбида кремния и борида титана.
Повышениежаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой илимолибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях,когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективнымиупрочнителями для высокопрочных и высокомодульных волокнистых композиционныхматериалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбидаи нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σВ = 15000÷28000 МПаи Е = 400÷600 ГПа.
Втабл.1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных материалов.
/>
Рис.5.Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления σВ (б)бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1) и поперек (2) осиармирования от объемного содержания борного волокна
Композиционныематериалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σВ,σ-1) и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна вкомпозиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин,зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкоеразрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционныхматериалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон ималая чувствительность к концентраторам напряжения,
Нарис.5 приведена зависимость σВ и Е бороалюминиевого композиционногоматериала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) осиармирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σВ, σ-1и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица можетпередавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочнаясвязь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращенияконтакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, чтодостигается при содержании ее не менее 15–20 %.
/>
Рис.6.Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) идлительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении спрочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б)
Матрицаи волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимнаядиффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести кпонижению прочности композиционного материала.
Анизотропиясвойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструированиидеталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с поляминапряжения.
Армированиеалюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнамибора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышаетжаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скоростьразупрочнения во времени (рис.6, а) с повышением температуры.
Основнымнедостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием являетсянизкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостаткалишены материалы с объемным армированием.
3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы.
Вотличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненныхкомпозиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку,а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочностьдостигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними100–500 нм и равномерном распределении их в матрице. Прочность и жаропрочностьв зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются законуаддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металловнеодинаково, но обычно не превышает 5–10об.%.
Использованиев качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория,гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов),нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочностьматериала до 0,9–0,95Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют какжаропрочные. Дисперсноупрочненные композиционные материалы могут быть полученына основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.
Наиболеешироко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевыйпорошок). САП состоит из алюминия и дисперсных чешуек А12О3. Частицы А12О3эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность сплава.Содержание А12О3 в САП колеблется от 6–9 % (САП-1) и до 13–18 % (САП-3). Сувеличением содержания А12О3 σB повышается от 300 для САП-1 до 400 МПа дляСАП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%. Плотностьэтих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионнойстойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при работе винтервале температур 250–500°С. По длительной прочности они превосходятдеформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность σ100 для сплавовСАП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45–55 МПа.
Большиеперспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокуюжаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2–З об.% двуоксида тория илидвуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni+20% Cr,Ni+15% Mo, Ni+20% Cr и Мо. Широкое применение получили сплавы ВДУ-1 (никель,упрочненный двуокисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) иВД-3 (матрица Ni+20% Сг, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокойжаропрочностью. При температуре 1200°С сплав ВДУ-1 имеет σ100≈75 МПаи σ1000≈65 МПа, сплав ВД-3 – 65 МПа. Дисперсно-упрочненные композиционныематериалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышениемтемпературы и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.6).
Областиприменения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиациидля высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей ит.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космическойтехнике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, дляэлементов жидкости, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении дляоблегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горнойпромышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданскомстроительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооруженийи т.д.) и в других областях народного хозяйства.
Применениекомпозиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличениимощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массымашин и приборов.
Технологияполучения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточнохорошо отработана.
Композиционные материалы с неметалической матрицей
3.3. Общие сведения, состав и классификация
/>
Рис.8.Схемы армирования композиционных материалов
Композиционныематериалы с неметаллической матрицей нашли широкое применение. В качественеметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамическиематериалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная,фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные матрицы коксованные илипироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу.Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна:стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов(оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические(проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью.
Свойствакомпозиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания,количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалымогут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.
Содержаниеупрочнителя в ориентированных материалах составляет 60–80 об.%, внеориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) – 20–30об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность ижесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочностькомпозиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
Повиду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты,карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.
Вслоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываютсяпараллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются впластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделииважно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы какс изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна подразными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладкислоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.
/>
Рис.7.Зависимость между напряжением и деформацией при растяжении эпоксидногоуглепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – подуглом 45º; 3 – взаимно перпендикулярная; 4 – поперечная
Применяетсяукладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис.7). Наибольшееприменение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнителимогут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.
Трехмерныематериалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные тканиувеличивают прочность на отр ыв и сопротивление сдвигу по сравнению сослоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя подиагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышеннуюжесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленныхматериалов сложнее, чем трех-направленных. Зависимость механических свойствкомпозиционных материалов от схемы армирования приведена на рис.8.
3.4. Карбоволокниты
Карбоволокниты(углепласты) представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего(матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).
Высокаяэнергия связи С–С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при оченьвысоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), атакже при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняютзащитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волоконкарбоволокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия),поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активированияуглеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности.Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6–2,5 раза.Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO2, AlN и Si3N4, что даетувеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяютсяпространственно армированные структуры.
Связующимислужат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетическиеполимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитическийуглерод (пироуглеродные карбоволокниты).
/>
Рис.9.Значения модулей упругости (1), сдвига (2) и коэффициентов Пуассона (3) подуглом к главному направлению композиционного материала, образованного системойтрех нитей
Эпоксифенольныекарбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-ly на жгуте,вискеризованном нитевидными кристаллами, могут длительно работать притемпературе до 200°С.
КарбоволокнитыКМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксиани-линоформальдегидном связующем, их можноэксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны.Карбоволокниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применятьпри температуре до 300°С.
Карбоволокнитыотличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости (рис.9),сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре (высокаятеплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счетвнутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия навоздухе рентгеновского излучения σИЗГ и Е почти не изменяются.
Теплопроводностьуглепластиков в 1,5–2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Ониимеют следующие электрические свойства: ρV=0,0024÷0,0034 Ом∙см(вдоль волокон); е=10 и tgδ=0,01 (при частоте тока 1010 Гц).
Карбостекловолокнитысодержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал. Зависимостьмеханических свойств модифицированного карбоволокнита от содержания углеродныхволокон показана на рис.10.
/>
Рис.10.Зависимость модуля упругости Е, предела прочности σВ, ударной вязкости а исопротивления усталости σ-1 карбостекловолокнита от содержания углеродныхволокон (общее содержание наполнителя в композиции 62 об.%)
3.5. Карбоволокниты с углеродной матрицей.
Коксованныематериалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизув инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800–1500°Собразуются карбонизированные, при 2500–3000°С графитированные карбоволокниты.Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по формеизделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород(метан). При определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении 2660Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается наволокнах упрочнителя, связывая их.
Образующийсяпри пиролизе связующего кокс имеет высокую прочность сцепления с углероднымволокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокимимеханическими и абляционными свойствами, стойкостью к термическому удару.
Карбоволокнитс углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности и ударной вязкости в5–10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере ивакууме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С итребует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита суглеродной матрицей по другому высок (0,35–0,45), а износ мал (0,7–1 мкм наторможение).
Полимерныекарбоволокниты используют в судо- и автомобилестроении (кузова гоночных машин,шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления,спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют дляизготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химическойпромышленности, в рентгеновском оборудовании и др.
Карбоволокнитыс углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются длятепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.
3.6.Бороволокниты
Бороволокнитыпредставляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя — борныхволокон.
Бороволокнитыотличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью,высокими твердостью и модулем упругости, теплопроводностью иэлектропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечиваетвысокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.
Помимонепрерывного борного волокна применяют комплексные боростеклониты, в которыхнесколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающейформоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процессизготовления материала.
Вкачестве матриц для получения бороволокнитов используют модифицированныеэпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначеныдля длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокогодавления при переработке и могут работать при температуре не свыше 100°С;КМБ-2к работоспособен при 300°С.
Влияниена механические свойства бороволокнита содержания волокна приведено на рис.11,а влияние различных матриц – на рис.12.
/>
Рис.11.Зависимость механических свойств бороволокнита КМБ-1 от содержания борноговолокна:
Е– модуль упругости;
σИЗГ– предел прочности при изгибе;
G– модуль сдвига;
τВ– предел прочности при сдвиге
Бороволокнитыобладают высокими сопротивлениями усталости, они стойки к воздействию радиации,воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.
/>
Рис.12.Зависимость разрушающего напряжения при изгибе бороволокнитов на различныхсвязующих от температуры: 1, 2 – эпоксидное; 3 – полиимидное; 4 –кремнийорганическое связующее
Посколькуборные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышеннойтеплопроводностью и электропроводимостью: λ=43 кДж/(м∙К); α=4∙10-6С-1 (вдоль волокон); ρV=1,94∙107 Ом∙см; е=12,6÷20,5(при частоте тока 107 Гц); tgδ=0,02÷0,051 (при частоте тока 107Гц). Для бороволокнитов прочность при сжатии в 2–2,5 раза больше, чем длякарбоволокнитов.
Изделияиз бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили,панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валывертолетов и т.д.).
3.7. Органоволокниты
Органоволокнитыпредставляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерногосвязующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такиематериалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной прочностью ижесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой сменетемпературы. Для синтетических волокон потери прочности при текстильнойпереработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.
Воргановолокнитах значения модуля упругости и температурных коэффициентовлинейного расширения упрочнителя и связующего близки. Происходит диффузиякомпонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними.Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1–3% (в другихматериалах 10–20%). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитовпри резком перепаде температур, действии ударных и циклических нагрузок.Ударная вязкость высокая (400–700 кДж/м2). Недостатком этих материалов являетсясравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно дляэластичных волокон).
Органоволокнитыустойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате;диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинствооргановолокнитов может длительно работать при температуре 100–150°С, а наоснове полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при 200–300°С.
Вкомбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяютминеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладаютбольшей прочностью и жесткостью.
Органоволокнитыприменяют в качестве изоляционного и конструкционного материала вэлектрорадиоиромышленности, авиационной технике, автостроении; из нихизготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.
Список литературы
ГуляевА.П. «Металловедение», М.: 1968.
ДальскийА.М. «Технология конструкционных материалов», М.: 1985.
КуманинИ.Б. «Литейное производство», М.: 1971.
ЛахтинЮ.М. «Материаловедение», М.: 1990.
Семенов«Ковка и объемная штамповка», М.: 1972.
НикифоровВ.М. «Технология металлов и конструкционные материалы», Ленинград.: 1986.