Термическая обработка металлов. Композиционные материалы

Термическая обработка металлов. Композиционные материалы

ТИРАСПОЛЬСКИЙ МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РЕФЕРАТ

По дисциплине:   Материаловедение.

Выполнил:   Ковалёв В.В.

Содержание работы.

1. Теория и технология термической обработки. Виды термической   обработки. Отжиг, нормализация, закалка, старение, улучшение.

2. Химико – термическая обработка. Её виды.

3. Композиционные материалы.

4. Список использованной литературы.

  1. Теория и технология термической обработки. Виды термической обработки. Отжиг, нормализация, закалка, старение, улучшение.

Термической обработкой называют процессы, связанные с нагре­вом и охлаждением, вызывающие изменения внутреннего строе­ния сплава, и в связи с этим изменения физических, механических и других свойств.

 Термической обработке подвергают полуфабрикаты (заготовки, поковки, штамповки и т. п.) для улучшения структуры, снижения твердости, улучшения обрабатываемости, и окончательно изготов­ленные детали и инструмент для придания им требуемых свойств.

 В результате термической обработки свойства сплавов могут меняться в широких пределах. Например, можно получить любую твердость стали от 150 до 250 НВ (исходное состояние) до 600—650 НВ (после закалки). Возможность значительного повы­шения механических свойств с помощью термической обра­ботки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, а также уменьшить размеры и вес детали.

 Основоположником теории термической обработки является выдающийся русский ученый Д. К. Чернов, который в середине XIX в., наблюдая изменение цвета каления стали при ее нагреве и охлаждении и регистрируя температуру «на глаз», обнаружил критические точки (точки Чернова).

  Основными видами термической обработки стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

  Отжиг. Отжигом называют операцию нагрева, выдержки при заданной температуре и охлаждения заготовок. Академик А. А. Бочвар дал определение двух родов отжига: отжиг первого рода — приведение структуры из неравновесного состояния в более равновесное (возврат или отдых, рекристаллизационный отжиг, или рекристаллизация, отжиг для снятия внутренних напряжений и диффузионный отжиг или гомогенизация); отжиг второго рода — изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур; к отжигу второго рода относятся полный, неполный и изотермический отжиги.

                  Рассмотрим  виды отжига применительно к стали.

Возврат стали — нагрев до температуры 200—400 °С для умень­шения или снятия наклепа. При возврате наблюдается уменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллов и   частичное  восстановление   физико-химических   свойств.

Рекристаллизационный отжиг (рекристаллизация) стали проис­ходит при температуре 500—550 °С; отжиг для снятия внутрен­них напряжений — при температуре 600—700 °С. Эти виды отжига применяют для заготовок, обработанных давлением (прокаткой, волочением, ковкой, штамповкой). При рекристаллизационном от­жиге деформированные вытянутые зерна становятся равноосными, в результате твердость снижается, а пластичность и ударная вяз­кость повышаются. Для полного снятия внутренних напряжений в стали нужна температура не менее 600 °С.

Охлаждение после выдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным; при ускоренном охлаждении вновь воз­никают  внутренние  напряжения.

Диффузионный отжиг применяют в тех случаях, когда в сталь­ных заготовках имеется внутрикристаллическая ликвация. Вырав­нивание состава в зернах аустенита достигается диффузией углерода и других компонентов наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становится однородной по составу (гомогенной), поэтому диф­фузионный отжиг называется также гомогенизацией.

Температура гомогенизации должна быть достаточно высокой (1100 -1200 °С), однако нельзя допускать пережога и оплавления зёрен.  При пережоге кислород воздуха окисляет железо, проникает в толщу его, в результате образуются кристаллиты, разобщенные оксидными оболочками. Пережжённые заготовки являются неисправимым браком.

При полном отжиге понижаются твердость и прочность стали; этот отжиг связан с фазовой перекристаллизацией при температурах точек Ас₁ и Ac₃. В результате полного отжига структура стали ста­новится близкой к равновесной, что способствует лучшей обраба­тываемости  резанием и штамповкой. Полный отжиг используют также как окончательную операцию термической обработки заготовок. Для полного отжига сталь нагревают на 30—50° выше температуры линии GSK и медленно охлаждают. Операция выполняется с охлаж­дением заготовок в печи при частичном подогреве, чтобы скорость охлаждения былa в пределах 10—100 °С/ч для легированной стали и 150—200 ^оС/ч для углеродистой стали.

 Отжигом достигается также измельчение зерна. Крупнозерни­стая структура получается, например, в результате перегрева стали, такая структура называется видманштетовой. На рис. 1 приведена видманштетовая структура доэвтектоидной стали (х50); она характерна расположением феррита (светлые участки) и перлита в виде вытянутых пла­стин под различными углами друг к другу.

В заэвтектоидных сталях видманштетовая

структура характеризуется штрихообразным

расположением   избыточного   цементита.

Неполный отжиг связан с фазовой

перекристаллизацией лишь при температуре

точки Ас₁, его применяют после горячей

обработки давлением, когда у заготовок

мелкозернистая структура.

Для до­эвтектоидной стали этот отжиг                                  Рис. 1.

используют в целях улучшения

об­рабатываемости резанием.

Отжиг на зернистый перлит служит для повышения пластич­ности и вязкости стали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита заготовки нагревают несколько выше точки Ac₁ и выдерживают недолго, чтобы цементит растворился в аустените не полностью. Затем производят охлаждение до температуры не­сколько ниже Аr₁ и выдерживают при такой температуре несколько часов.

При изотермическом отжиге после нагрева и выдержки заготовки быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки Аr₁  и выдерживают при этой температуре до полного распада аустенита в пер­лит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического 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 в цехе, что экономичнее. Нагрев ве­дется до полной перекристаллизации (на 30—50° выше точек Ас₃, и Аст); в результате нормализации сталь приобретает мелкозерни­стую и однородную структуру. Твердость и прочность стали после нормализации выше, чем после отжига. Структура низкоуглероди­стой стали после нормализации ферритно-перлитная, но более дис­персная, чем после отжига, а у средне- и высокоуглеродистой ста­лей — сорбитная; нормализация может заменить для первой отжиг, а для вторых — закалку с высоким отпуском. Часто нормализацией улучшают структуру перед закалкой.

                                              Закалка и отпуск стали.

Целью закалки и отпуска стали является повышение твер­дости и прочности. Закалка и отпуск стали необходимы для очень многих деталей и изделий. Закалка основана на перекристаллиза­ции при нагреве и предотвращении перехода аустенита в перлит путем быстрого охлаждения. Закаленная сталь имеет неравновесную структуру  мартенсита,  троостита  или  сорбита.

Чаще всего сталь резко охлаждают на мартенсит. Для смягче­ния действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А₁. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит  мартенсит  отпуска,  троостит отпуска,  сорбит отпуска.

Закалка стали. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвтектоидной стали на 30—50 °С выше точки Ас₃, для заэвтектоидной — на 30—50° выше точки Aс₁. При нагреве доэвтектоидной стали до температуры между точ­ками Ас₁ и Ac₃ (неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали наряду с закаленными участками будет присутствовать нерастворенный при нагреве (в аустените) феррит, резко снижающий твердость и прочность. Поэтому для доэвтектоидной стали обяза­тельна полная закалка с нагревом выше точки Ас₃.

В заэвтектоидной стали избыточной фазой является цементит, который по твердости не уступает мартенситу и даже превосходит его, поэтому сталь достаточно нагреть на 30—50 °С выше точки Ас₁.

Нагревать заготовки, особенно крупные, нужно постепенно во избежание местных напряжений и трещин, а время выдержки на­гретых заготовок должно быть достаточным, чтобы переход в струк­туру аустенита полностью завершился.

Скорость охлаждения заготовок при закалке должна быть такой, чтобы получить заданную структуру. Критическая скорость за­калки изменяется в широких пределах в зависимости от наличия легирующих компонентов в стали. Для простых сплавов железо—углерод эта скорость очень высока. Присутствие в стали кремния и марганца облегчает закалку на мартенсит, так как для такой стали С-образные кривые на диаграмме изотермического пре­вращения аустенита будут сдвинуты вправо и критическая скорость закалки понижается.

Наиболее распространено охлаждение заготовок погружением их в воду, в щелочные растворы воды, в масло, расплавленные соли и т. д. При этом сталь закаливается на мартенсит или на бейнит.

При закалке применяют различные способы охлаждения в зави­симости от марки стали, формы и размеров заготовки.

Простую закалку в одном охладителе (чаще всего в воде или вод­ных растворах) выполняют, погружая в него заготовки до полного

охлаждения. На рис. 2 режим охлаждения при такой

закалке ха­рактеризует кривая 1.

Для получения наибольшей глубины

при интенсивном обрызгивании.

Прерывистой закалкой называют такую,

при которой заготовку охлаждают

последовательно в двух средах:

первая среда — охлаж­дающая жидкость

(обычно вода), вторая — воздух или масло

(см. кривую 2 на рис. 2). Резкость такой

закалки меньше, чем пре­дыдущей.                                                            Рис. 2.

При ступенчатой закалке заготовку быстро погружают в соляной расплав  и  охлаждают до температуры  несколько  выше М_н. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры от по­верхности к сердцевине заготовки, что уменьшает напряжения, воз­никающие при мартенситном превращении; затем заготовку охлаж­дают на воздухе (кривая 3 на рис. 2).

Изотермическая закалка (закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита. Охлаждение ведется до температуры несколько выше начала мартенситного превращения (200—300 °С) в зависимости от марки стали. В качестве охладителя используют соленые расплавы или масло, нагретое до 200—250 °С. При температуре горячей ванны заготовка выдерживается продол­жительное время, пока пройдет инкубационный период и период превращения аустенита (кривая 4 на рис. 2). В результате полу­чается структура бейнита, по твердости близкая к мартенситу, но более вязкая и пластичная. Последующее охлаждение производится на воздухе.

  При изотермической закалке вначале требуется быстрое охлаж­дение со скоростью не менее критической, чтобы избежать распа­дения аустенита. Следовательно, по этому методу можно закаливать лишь небольшие (диаметром примерно до 8 мм) заготовки из углеро­дистой стали, так как массивные заготовки не удается быстро ох­ладить. Это не относится однако к легированным сталям, большин­ство марок которых имеют значительно меньшие критические ско­рости закалки. Большим преимуществом изотермической закалки является возможность рихтовки (выправления искривлений) за­готовок во время инкубационного периода превращения аустенита (который длится несколько минут), когда сталь еще пластична.

Закалка при помощи газовой горелки. Кислородно-ацетиленовое пламя газовой горелки с темпера­турой около 3200 °С направляется на поверхность закаливаемой заготовки и быстро нагревает ее поверхностный слой до температуры выше критической. Вслед за горелкой перемещается трубка, из ко­торой на поверхность заготовки направляется струя воды, закали­вая нагретый слой. Этот способ применяется для изделий с большой

поверхностью (например, для про­катных валков, зубьев больших шестерен и т. д.).

Закалка токами высокой частоты по методу В. П. Вологдина нашла очень широкое применение в про­мышленности, так как отличается высокой производительностью, легко поддается автоматизации.

Обработка холодом. Этот метод применяется для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит. Холодом обрабатывают углеродистую сталь, содержащую больше 0,5 % С, у которой температура конца мартен-ситного превращения находится ниже 0⁰ С, а также ле­гированную сталь (например, быстрорежущую).

Отпуск стали. Отпуск смягчает действие закалки, снимает или уменьшает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева заготовок до температуры ниже критической; при этом в зависимости от температуры могут быть получены структуры мартенсита, троостита или сорбита отпуска.

При низком отпуске (нагрев до температуры 150—200 °С) в струк­туре стали в основном остается мартенсит, который однако имеет другую решетку, как сказано выше. Кроме того, начинается выде­ление карбидов железа из пересыщенного твердого раствора угле­рода в a-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет за собой некоторое уменьшение твердости и увеличение вязкости стали, а также уменьшение внутренних напряжений в за­готовках. Для низкого отпуска, заготовки выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или солевых ваннах. Если для низкого отпуска заготовки нагревают в атмосфере воздуха, то для контроля температуры часто пользуются цветами побежа­лости, появляющимися на зачищенной поверхности заготовки. Появление этих цветов связано с интерференцией белого цвета в плен­ках оксида железа, возникающих на поверхности заготовки при ее нагреве. Для углеродистой стали в интервале температур от 220 до 330 °С в зависимости от толщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого. Для легированной стали соответствующие температуры выше. Низ­кий отпуск применяют для режу­щего инструмента из углеродистых и легированных сталей, измеритель­ного инструмента, цементированных заготовок, а также других изделий, работающих в условиях трения на износ.

При среднем (нагрев в пределах 300—500 °С) и высоком (500—700 °С) отпуске структура мартенсита пе­реходит соответственно в структуру троостита или сорбита. Чем выше температура отпуска, тем меньше твердость   отпущенной  стали   и тем больше ее вязкость. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механи­ческих свойств: повышенные прочность, вязкость и пластичность; поэтому закалку на мартенсит с последующим высоким отпуском называют улучшением стали. Средний отпуск применяют при про­изводстве кузнечных штампов, пружин, рессор, а высокий—для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений (на­пример, осей автомобилей, шатунов двигателей).

                             2. Химико – термическая обработка. Её виды.

  Целью химико-термической обработки является получе­ние поверхностного слоя стальных изделий, обладающего повышен­ными твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или кор­розионной стойкостью. Для этого нагретые заготовки подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии в поверхностный слой заготовок переходят нужные для получения заданных свойств эле­менты: углерод, азот, алюминии, хром, кремний и др.

Эти элементы диффундируют в поверхностный слой лучше, когда они выделяются в атомарном состоянии при разложении какого-либо соединения. Подобное разложение легче всего происходит в газах, поэтому их и стремятся применять для химико-термической обработки стали. Выделяющийся при разложении газа активизиро­ванный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и об­разует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее рас­пространенными видами химико-термической обработки стали яв­ляются  цементация, азотирование, цианирование.

   Цементация.    Цементацией называется поглощение углерода поверхностным слоем   заготовки, который после закалки становится твердым; в сердцевине за готовка остается вязкой. Цементации подвергают такие изделия, которые работают одновременно на истира­ние и удар.

Существуют два вида цементации: цементация твердым карбюризатором и  газовая цементация.

При цементации твердым карбюризатором применяют древес­ный уголь в смеси с углекислыми солями — карбонатами (ВаСО₃, Nа₂СО₃, К₂СО₃, СаСО₃  и др.).

Цементации подвергают заготовки из углеродистой или легиро­ванной стали с массовым содержанием углерода до 0,08 %. Для деталей, подверженных большим напряжениям, применяют стали, содержащие до 0,3 % С. Такое содержание углерода обеспечивает высокую вязкость сердцевины  после цементации.

Для цементации заготовки помещают в стальные цементационные ящики, засыпают карбюризатором, покрывают крышками, тщательно обмазывают щели глиной, помещают ящики в печь и выдерживают там 5—10 ч при температуре 930—950 °С.

 Технология цементации деталей в твердом карбюризаторе заключается в следующем. Детали очищают от грязи, масла, окалины и упаковывают в цементационный ящик. На дно ящика насыпают карбюризатор слоем 25—30 мм,

 на него укладывают первый ряд деталей.

Расстояние между деталями должно быть

15—20 мм, а между деталями и стенкой

ящика 15—25 мм. На первый ряд деталей

насыпают карбюризатор и укладывают

 сле­дующий ряд деталей, 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.

При нагревании в присутствии угля углекислый барий при температуре  900 °С  распадается   по  реакции

                              ВаСО₃ + С ® ВаО + 2СО.

В результате образуется оксид углерода, который на поверх­ности стальных заготовок диссоциирует с выделением активного атомарного углерода; этот углерод адсорбируется и диффундирует в поверхностный слой заготовки, в результате повышается его мас­совое содержание в аустените, далее по достижении предела раство­римости образуется цементит

                                     3Fe + С ® Fe₃С.

   Поверхности, не подлежащие цементации, изолируют от карбю­ризатора нанесением на них обмазок или омедняют электролитиче­ским способом. Глубина цементации обычно составляет 0,5—3 мм; цементированные заготовки содержат в поверхностном слое 0,95— 1,1 % С.

 При газовой цементации в качестве карбюризатора применяют различные газы и газовые смеси (природный, светильный, генератор­ный газы и др.). В их состав кроме оксида углерода входят углево­дороды, из которых особое значение имеет метан СН₄. Газовую це­ментацию выполняют в герметически закрытых безмуфельных или муфельных печах непрерывного действия при температуре 900— 950 °С и непрерывном потоке цементирующего газа или в шахтных печах периодического действия. В шахтных печах для цементации используют жидкие углеводороды (керосин, синтин), которые капля­ми подаются в печь и, испаряясь, образуют газы- карбюризаторы.

Преимуществом газовой цементации перед цементацией твердым карбюризатором являются двух-трехкратное ускорение процесса, чистота рабочего места, возможность лучшего управления процес­сом.  Газовая цементация  применяется очень широко.

Цементированные заготовки 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 продолжительная вы-держка в горячей печи при цементации не сопровождается боль­шим ростом зёрен аустенита. Такая закалка обеспечивает частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины заготовки, а также измельчение зерна и полную закалку цементированного слоя. Закалка после газовой цементации часто производится из цементационной печи после подструживания заготовок до 840— 860 °С.

Двойную закалку применяют, когда нужно получить высокую ударную вязкость и твёрдость поверхностного слоя (например, для зубчатых колес). При этом производят;

I) закалку пли нормализа­цию с нагревом до температуры 880- 900⁰ С для исправления струк­туры сердцевины и ликвидации (растворения) цементитной сетки поверхностного слоя; 2) закалку с нагревом до температуры 760— 780 °С для измельчения структуры цементированного слоя и при­дания ему высокой твердости (до 60—64 HRC для углеродистой стали). Закаленные заготовки подвергают низкому отпуску (150— 170 °С).

Углеродистая сталь имеет очень большую критическую скорость закалки, и сердцевина заготовок из 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 скорость закалки (например, сталь марок 20Х, 18ХГТ, 25ХГМ и др.).

Азотирование.       Цель азотирования — придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака

                        2NH₃ ® 2N + ЗН₂.

Азотируют легированную сталь, содержащую алюминий, титан, вольфрам, ванадий, молибден или хром (например, сталь марок 35ХМЮА, 35ХЮА и др.).

Перед азотированием заготовки подвергают закалке и высокому отпуску. Азотирование производят в печах при температуре 500— 600 °С. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечисленными ле­гирующими элементами и железом образует очень твердые химиче­ские соединения — нитриды (A1N, MoN, Fe₃N и др.).

Азотирование на глубину 0,2—0,5 мм продолжается 25—60 ч и в этом его основной недостаток. Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: температура нагрева сравнительно низкая, а твердость более высокая (1100—1200 по Виккерсу, вместо 800—900 после цементации и закалки); у азотированных изделий большие коррозионная стойкость, сопротивление усталости и мень­шая хрупкость. Поэтому азотирование широко применяют для де­талей из стали и чугуна (шестерен, коленчатых валов, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.).

Азотирование приводит к некоторому увеличению размеров за­готовок, поэтому после азотирования их подвергают шлифованию.

Цианирование.    Цианирование — насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом; оно бывает жидкостным и газовым.

Жидкостное  цианирование производится в ваннах с расплавами цианистых солей (NaCН, KCН, Са(CN)₂., и др.) при темпера­туре, достаточной для разложения их с выделением активных ато­мов Си N.

Низкотемпературное (550—600 °С) цианирование применяют главным образом для инструментов из быстрорежущей стали с целью повышения их стойкости и производится в расплавах чистых циа­нистых солей. Высокотемпературное (800—850 °С) цианирование осуществляется в ваннах, содержащих 20—40 %-ные расплавы цианистых солей с нейтральными солями (NaCl, Na.₂CO₃ и др.) для повышения температуры плавления ванны. Продолжительность жид­костного цианирования от 5 мин до 1 ч. Глубина цианирования 0,2—0,5 мм.

    После цианирования заготовки подвергают закалке и низкому отпуску. Цианирование, как и цементацию, применяют для различ­ных изделий, при этом коробление заготовок значительно меньше, чем при цементации, а износо- и коррозионная стойкость более высо­кие. Недостатком жидкостного цианирования является ядовитость цианистых солей, а также их высокая стоимость.

Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизи­рованные    атомы   азота.   Газовое    цианирование,  так   же   как   и жидкостное, разделяется на низкотемпературное и высокотемпе­ратурное.

При низкотемпературном (500—700 °С) газовом цианировании в сталь преимущественно диффундирует азот (с образованием ни­тридов), а углерод диффундирует в малых количествах. Это циани­рование так же как и жидкостное низкотемпературное, применяют для  обработки  инструментов из быстрорежущей стали.

   При высокотемпературном газовом цианировании (800—850 °С) в сталь диффундирует значительное количество углерода с образо­ванием аустенита. После высокотемпературного цианирования заго­товки закаливают.

При газовом цианировании, называемом также нитроцементацией, отпадает необходимость в применении ядовитых солей и, кроме того, имеется возможность обработки более крупных деталей.

Диффузионная металлизация.   Наиболее распространенными ви­дами диффузионной металлизации являются алитирование, хромиро­вание, силицирование.

Алитирование представляет собой поверхностное насыщение стальных и чугунных заготовок алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Его применяют преимущественно для деталей, работающих при высоких температурах (колосников, дымогарных труб и др.), так как при этом значительно (до 1000⁰С) повышается жаростойкость стали.

Для алитирования алюминий сначала наносят на заготовку рас­пылением жидкой струи сжатым воздухом, затем нанесенный слой алюминия защищают жаростойкой обмазкой и производят диффузион­ный отжиг заготовок при температуре 920 °С в течение 3 ч. В про­цессе отжига поверхностный слой заготовки насыщается алюминием на глубину в среднем 0,5 мм.

Диффузионное хромирование производится в порошковых смесях, составленных из феррохрома и шамота, смоченных соляной кислотой или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома СrCl₂. Хромированию подвергаются в основном стали с массовым содержа­нием углерода не более 0,2 %. Хромированный слой низкоуглероди­стой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплю­щиванию, прокатке и т. п. Хромированные детали имеют высокую коррозионную стойкость в некоторых агрессивных средах (азотной кислоте, морской воде). Это позволяет заменять ими детали из де­фицитной высокохромовой стали.

Силицирование — насыщение поверхностного слоя стальных за­готовок кремнием, обеспечивающее повышение стойкости против кор­розии и эрозии в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах, применяется для деталей, используемых в химической промышлен­ности.

Силицированный слой представляет собой твердый раствор кремния в a-железе. Существует силицирование в порошкообразных смесях ферросилиция, а также газовое силицирование в среде хло­рида кремния SiCl₄.

                                       3. Композиционные материалы.

В качестве матрицы применяют металлы (алюминий, магний, их сплавы), полимеры (эпоксидные, фенолформальдегидные смолы, полиамиды),  керамические,  углеродные материалы.

Наполнители чаще всего играют роль упрочнителей, восприни­мают основную долю нагрузки и определяют модуль упругости и твердость композита, а иногда также фрикционные, магнитные, теп­лофизические и электрические свойства. Наполнителями служат тонкая (диаметром несколько микрометров) проволока из высокопрочной стали, вольфрама, титана, а также стеклянные, полиамид­ные, углеродные, боридные волокна и волокна на основе нитевидных кристаллов (оксидов,  карбидов, боридов, нитридов) и др.

Композиты получают пропиткой наполнителей матричным раство­ром, нанесением материала матрицы на волокна плазменным напы­лением, электрохимическим способом, введением тугоплавких на­полнителей в расплавленный материал матрицы, прессованием, спе­канием.

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧСКОЙ
МАТРИЦЕЙ

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочным волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными 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 композиционные ма­териалы (рис.4).

3.1. Волокнистые композиционные материалы.

На рис.4 при­ведены   схемы   армирования   волокнистых   композиционных   материалов.  Композиционные материалы с волокнистым наполни­телем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ≈ 10÷10³, и с непрерывным волокном, в которых l/d = ∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать  также  непрерывными  волокнами,  сотканными  в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу.  Нередко волокна сплетают  в  трехмерные  структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию.  Применение  композиционных  материалов  повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица1. Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Материал

σ_В

σ_-1

Е, ГПа

σ_В/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

–

–

–

Прочность композиционных (волокнистых) материалов опреде­ляется свойствами волокон; матрица в основном должна пере­распределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть зна­чительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, воз­никающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σ_В = 2500÷3500 МПа, Е = 38÷420 ГПа) и углеродные (σ_В = 1400÷3500 МПа, Е = 160÷450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют σ_В = 2500÷3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в ка­честве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибдено­вую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда тре­буются высокие теплопроводность и электропроводимость. Пер­спективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодуль­ных волокнистых композиционных материалов являются нитевид­ные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σ_В = 15000÷28000 МПа и Е = 400÷600 ГПа.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых компо­зиционных материалов.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σ_В, σ_-1) и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материа­лах уменьшают скорость распространения трещин, зарождаю­щихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон и малая чувстви­тельность к концентраторам напряжения,

На рис.5 приведена зависимость σ_В и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σ_В, σ_-1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами ма­трица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15–20 %.

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материа­лов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напря­жения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаро­прочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис.6, а) с повы­шением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

3.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упроч­ненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном распределении их в матрице. Проч­ность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5–10об.%.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую проч­ность материала до 0,9–0,95Т_пл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсноупрочненные ком­позиционные материалы могут быть получены на основе большин­ства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюми­ния и дисперсных чешуек А1₂О₃. Частицы А1₂О₃ эффективно 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). С увеличением содержания А1₂О₃ σ_B по­вышается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и корро­зионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250–500°С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность σ₁₀₀ для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45–55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2–З об.% двуоксида тория или двуоксида 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) и ВД-3 (матрица Ni+20% Сг, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При темпера­туре 1200°С сплав ВДУ-1 имеет σ₁₀₀≈75 МПа и σ₁₀₀₀≈65 МПа, сплав ВД-3 – 65 МПа. Дисперсно-упрочненные компози­ционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.6).

Области применения композиционных   материалов  не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жидкости, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерге­тических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из компо­зиционных материалов достаточно хорошо отработана.

 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛИЧЕСКОЙ
МАТРИЦЕЙ

3.3. Общие сведения, состав и классификация

Композиционные материалы с неметаллической матри­цей нашли широкое применение. В качестве неметаллических мат­риц используют полимерные, углеродные и керамические мате­риалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение полу­чили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Уголь­ные матрицы коксованные или пироуглеродные 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.

Свойства композиционных материалов зависят от состава ком­понентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах соста­вляет 60–80 об.%, в неориентированных (с дискретными волок­нами и нитевидными кристаллами) – 20–30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы опре­деляют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивле­ние усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифи­цируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей (рис.7). Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут рас­полагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отр ыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех-направленных. Зависимость механических свойств композицион­ных 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).

Высокая энергия связи С–С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в ней-

тральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна пре­дохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются свя­зующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных 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 дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиро­лизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный угле­родной лентой, и КМУ-ly на жгуте, вискеризованном нитевид­ными кристаллами, могут длительно работать при температуре до 200°С.

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксиани-линоформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбово­локниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300°С.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динами­ческим сопротивлением усталости (рис.9), сохраняют это свой­ство при нормальной и очень низкой температуре (высокая тепло­проводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σ_ИЗГ  и Е почти не изменяются.

Теплопроводность углепластиков в 1,5–2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Они имеют следующие элек­трические свойства: ρ_V=0,0024÷0,0034 Ом∙см (вдоль воло­кон); е=10 и tgδ=0,01 (при частоте тока 10¹⁰ Гц).

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклян­ные волокна, что удешевляет материал. Зависимость механиче­ских свойств модифицированного карбоволокнита от содержания углеродных волокон показана на рис.10.

3.5. Карбоволокниты с углеродной матрицей.

Коксованные мате­риалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, под­вергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800–1500°С образуются карбонизированные, при 2500–3000°С графитированные карбоволокниты. Для полу­чения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан раз­лагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет вы­сокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими меха­ническими и абляционными свойствами, стойкостью к термиче­скому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по зна­чениям прочности и ударной вязкости в 5–10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и ваку­уме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35–0,45), а износ мал (0,7–1 мкм на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомоби­лестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты при­меняют для изготовления деталей авиационной техники, аппара­туры для химической промышленности, в рентгеновском обору­довании и др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

3.6. Бороволокниты

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя — борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и моду­лем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплекс­ные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения бороволокнитов исполь­зуют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при темпе­ратуре не свыше 100°С; КМБ-2к работоспособен при 300°С.

Влияние на механические свойства бороволокнита содержа­ния волокна приведено на рис.11, а влияние различных матриц – на рис.12.

Бороволокниты обладают высокими сопротивлениями уста­лости, они стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов.

Поскольку борные волокна являются полупроводниками, то бороволокниты обладают повышенной теплопроводностью и электропроводимостью: λ=43 кДж/(м∙К); α=4∙10^-6 С^-1 (вдоль волокон); ρ_V=1,94∙10⁷ Ом∙см; е=12,6÷20,5 (при частоте тока 10⁷ Гц); tgδ=0,02÷0,051 (при частоте тока 10⁷ Гц). Для бороволокнитов  прочность  при сжатии в 2–2,5 раза больше, чем для карбоволокнитов.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрес­соров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

3.7. Органоволокниты

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной проч­ностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических воло­кон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

В органоволокнитах значения модуля упругости и температур­ных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и свя­зующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1–3% (в дру­гих материалах 10–20%). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, дей­ствии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высо­кая (400–700 кДж/м²). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влаж­ном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100–150°С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при 200–300°С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и кон­струкционного материала в электрорадиоиромышленности, авиа­ционной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, ем­кости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.

Литература

1. Гуляев А.П. «Металловедение», М.: 1968.

2. Дальский А.М. «Технология конструкционных материалов», М.: 1985.

3. Куманин И.Б. «Литейное производство», М.: 1971.

4. Лахтин Ю.М. «Материаловедение», М.: 1990.

5. Семенов «Ковка и объемная штамповка», М.: 1972.

6. Никифоров В.М. «Технология металлов и конструкционные материалы», Ленинград.: 1986.