Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
Дисперсно-упрочненные
Дисперсно-упрочненные
Упрочнение таких материалов заключается в создании в них структуры, затрудняющей движение дислокации. Наиболее сильное торможение передвижению дислокаций создают дискретные частицы второй фазы, например химические соединения типа карбидов, нитридов, боридов, оксидов, характеризующиеся высокой прочностью и температурой плавления.
В дисперсно-упрочненных материалах заданные прочность и надежность достигаются путем формирования определенного структурного состояния, при котором эффективное торможение дислокаций сочетается с их равномерным распределением в объеме материала либо (что особенно благоприятно) с определенной подвижностью скапливающихся у барьеров дислокаций для предотвращения хрупкого разрушения. В ДКМ (как и в порошковых композиционных материалах) матрица несет основную нагрузку.
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе алюминия
Оксиды являются наиболее
распространенными
Таблица 1 Химический состав ДКМ типа САП |
Наряду с материалами типа САП разработаны ДКМ А1 — С, основной упрочняющей дисперсной фазой в которых служит карбид алюминия А14Сз, образующийся в результате взаимодействия алюминия с углеродом.
Технология получения. Материалы САП-1 и САП-2 получают из пудры АПС-3. Технология их получения включает операции брикетирования и горячей экструзии. Все три типа САП могут обрабатываться методами горячей пластической деформации при температурах 723—793 К с охлаждением на воздухе.
САПы сохраняют стабильную структуру после нагрева до 773 К в течение 10 000—100 000 ч. Термическая обработка не требуется. Поставляются в виде листов, фольги, полос, профилей, труб, прутков, проволоки, штамповок [3].
Плакированные листы из САПов могут свариваться контактной точечной сваркой. Для повышения способности к сварке плавлением брикеты подвергают высокотемпературному вакуумному отжигу. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.
ДКМ Al — С получают методом реакционного смешивания алюминиевого порошка с мелкоизмельченной сажей в течение 0,5—4 ч, в процессе которого происходит образование карбида алюминия А14С3. Последующий нагрев до 823 К в течение 0,5 ч приводит к завершению процесса образования карбидов, после чего ДКМ подвергают горячей экструзии при 803 К, позволяющей получать различные профили. Применяемая технология дает хорошие результаты при концентрации углерода не более 5 %, что соответствует объемной доле А14Сз, примерно равной 20—22 %. ДКМ содержит также до 2 % Аl203, присутствующего в исходном алюминиевом порошке. ДКМ А1 — С по устойчивости к рекристаллизации при высоких температурах близки к материалам типа САП. Их можно подвергать горячей экструзии, прокатке, ковке.
Свойства. Увеличение концентрации оксида алюминия в САП и концентрации карбида алюминия в ДКМ Al — С приводит к повышению прочности и снижению пластичности. Оптимальное соотношение прочности и пластичности САП обеспечивается при концентрации оксида алюминия 6—16 %, а ДКМ Al — С— при концентрации углерода 3—5 %.
При температурах 573—773 К ДКМ на основе алюминия превосходят по прочности все промышленные алюминиевые сплавы (таблицы 2 и 3). Отличительной особенностью этих ДКМ являются высокие показатели длительной прочности и ползучести (таблицы 4 и 5), а также стабильность механических характеристик после высокотемпературных отжигов.
Введение дисперсных частиц в легированные алюминиевые сплавы менее эффективно повышает прочность ДКМ при высоких температурах, чем дисперсное упрочнение нелегированного алюминия. Это связано с понижением температуры плавления и уменьшением энергии дефектов упа-ковки при легировании. При низких и средних температурах прочность легированных ДКМ выше, чем нелегированных.
К. т. р. и теплопроводность уменьшаются, а удельное электрическое сопротивление и теплоемкость растут с увеличением концентрации оксида алюминия в ДКМ типа САП и концентрации карбида алюминия в ДКМ Al — С. С повышением температуры к. т. р. увеличивается, а тепло- и электропроводность САП уменьшаются (таблица 6).
Электрическое сопротивление ДКМ Al — С составляет 3 ∙ 10-8 Омм при общей объемной доле карбидов и оксидов алюминия 4 %; 3,3 ∙ 10-8 Ом∙м при 8%; 3,7 ∙ 10-8 Ом∙м при 12 %; 4,2 ∙ 10-8 Ом∙м при 16 %; 4,9 ∙ 10-8 Ом∙м при 20 %; 5,5 ∙ 10-8 Ом∙м при 24 %.
ДКМ типа САП имеют
высокую коррозионную
Применение. Высокие показатели прочностных характеристик позволяют применять ДКМ на основе Аl в изделиях, длительно работающих при температурах 573—773 К, а также испытывающих кратковременные перегревы до 973—1273 К. САПы можно использовать при работе в тяжелых коррозионных условиях.
Таблица 2 Механические свойства ДКМ типа САП |
Таблица 3 Механические свойства ДКМ Al – C |
Таблица 4 Длительная прочность и пределы ползучести САП |
Таблица 5 Длительная прочность ДКМ Al – C |
Таблица 6 Физические свойства ДКМ на основе алюминия |
Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе железа
Наиболее приемлемыми
упрочнителями для железа и сталей
являются оксиды ввиду значительно
меньшей растворимости
Использование дисперсного упрочнения для повышения механических характеристик железа и сталей не является оптимальным путем, поскольку многие легированные стали обладают более высокими показателями кратковременной и длительной прочности. Однако ДКМ на основе сталей представляют интерес в связи с их стойкостью против охрупчивания в условиях нейтронного облучения. Это связано с влиянием оксидных включений на более равномерное распределение в материале гелия, выделяющегося при ядерных реакциях.
Технология получения. Для получения исходных смесей применяют методы механического смешивания, термического разложения солей с последующим селективным восстановлением и др. ДКМ получают брикетированием с последующей экструзией либо изостатическим горячим прессованием.
Свойства. Прочность ДКМ на основе железа увеличивается с повышением концентрации оксидов. Например, для ДКМ, содержащего 0,4 % А1203, при 293 К σв = 560 МПа, а для ДКМ, содержащего 6,2 % Аl203, σв = 710 МПа при 293 К, 88 МПа при 1088 К и 70 МПа при 1253 К. Длительная прочность этого ДКМ при 100-часовой выдержке при 923 К составляет 76 МПа.
Механические характеристики сталей и фехралей (сплавов Fe — Сr — Al), упрочненных дисперсными включениями оксидов, приведены в таблицах 7—9. ДКМ на основе фехраля (65 % Fe, 10 % А1, 25% Сr), содержащие 2% ТiO2 или ZrO2 имеют в полтора — два раза большую прочность, чем фехраль при комнатной и высоких температурах.
Прочность и пластичность стали, содержащей 22 % Сr и 22 % Ni, упрочненной частицами оксида алюминия, ниже, чем у спеченной стали без дисперсных включений и чем у литой и деформированной сталей. Однако ДКМ более крипоустойчивы при высоких температурах. Упрочнение оксидом титана эффективнее повышает длительную прочность при высоких температурах, чем упрочнение оксидом алюминия, в связи с тем, что оксид титана не реагирует с оксидом хрома, присутствующим на поверхности частиц в виде пленок [4]. Дисперсные включения оксидов алюминия и титана снижают плотность ДКМ на основе железа и сталей.
Добавки оксида титана в сталь 12X13 существенно не изменяют ее прочность. Пластичность ДКМ на основе стали 12X13 увеличивается при уменьшении среднего размера включений от нескольких микрометров до 1 мкм. Оксид титана повышает сопротивление ползучести ферритной стали [5].
Теплопроводность, электропроводность и к. т. р. уменьшаются с увеличением концентрации частиц оксидов. Удельное электрическое сопротивление ДКМ на основе стали, содержащей 22 % Сr и 22 % Ni, увеличивается от 157 ∙ 10-8 Ом∙м при 5 % А1203 до 196 ∙ 10-8 Ом∙м при 10 % А1203 и до 211 ∙ 10-8 Ом∙м при 12 % Al2O3. Та же сталь, содержащая 10 % Ti02, имеет удельное электрическое сопротивление 239 ∙ 10-8 Ом∙м.
Применение. ДКМ на основе нержавеющих сталей предполагается использовать в конструкциях атомных реакторов, подверженных интенсивному радиационному облучению при повышенных температурах. ДКМ на основе фехралей целесообразно применять в электротехнической промышленности в качестве нагревателей, работающих в течение длительного времени.
Таблица 7 Механические свойства ДКМ на основе стали |
Таблица 8 Механические свойства горячепрессованных прутков из ДКМ на основе стали |
Таблица 9 Механические свойства ДКМ на основе фехралей |
2.3. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы на основе никеля
В качестве упрочняющей фазы в ДКМ на основе никеля и его сплавов используют обычно оксиды, так как их стабильность в никеле при высоких температурах выше стабильности других тугоплавких соединений. Наиболее эффективен оксид тория Th02. Он используется для упрочнения чистого никеля и нихрома. Содержание оксида тория в ДКМ, полученных в результате такого упрочнения (ДКМ ВДУ-1, TD-никель, DS-никель и TD-нихром), составляет 2 %. Недостатком оксида тория является его токсичность. Применение оксида гафния НfO2 в качестве упрочняющей фазы в ДКМ ВДУ-2 (98% Ni, 2 % НfO2) позволяет избежать этого недостатка, однако жаропрочность ДКМ, упрочненных оксидом гафния, ниже, чем ДКМ, упрочненных оксидом тория.
Технология получения. В промышленности для получения порошков ДКМ на основе никеля используются методы химического осаждения из растворов солей и водородного восстановления в растворах. Полуфабрикаты поставляются в экструдированном (горячепрессованном) или холоднокатаном состоянии в виде прутков, труб, проволоки, листов, лент, фольги.
ДКМ ВДУ-1, ВДУ-2, TD-никель и DS-никель обладают хорошей технологической пластичностью, их можно обрабатывать ковкой, штамповкой, подвергать холодной прокатке и вытяжке. ДКМ на основе легированных сплавов имеют ограниченную технологическую пластичность. Так, максимальная степень обжатия TD-нихрома при холодной деформации не превышает 10-15 %.
Неразъемные соединения деталей из ДКМ осуществляются, как правило, методами диффузионной сварки или пайки. Обычные методы сварки с оплавлением не обеспечивают равнопрочности швов при температурах выше 1373 К. Для соединения ДКМ, работающих при более низких температурах, можно использовать электродуговую сварку с применением вольфрамовых электродов и присадочных жаропрочных сплавов. При этом характеристики длительной прочности и ползучести сварного шва определяются свойствами присадочного материала.
Свойства. ДКМ на основе никеля предназначаются главным образом для работы при температурах выше 1273 К [6]. Наиболее высокие показатели кратковременных и длительных прочностных характеристик при этих температурах имеют ДКМ с матрицей из нелегированного никеля (таблицы 10 и 11). ДКМ с матрицей из легированных никелевых сплавов менее прочны при высоких температурах, однако при комнатных и умеренных температурах (до 1073 К) их прочность превосходит прочность КМ с матрицей из нелегированного никеля. Из ДКМ на основе никелевых сплавов промышленностью выпускается TD-нихром (сплав 80 % Ni, 20 % Сr, упрочненный 2 % Th02). Экструдированные прутки из ДКМ имеют более высокие показатели длительной прочности и ползучести при высоких температурах, чем холоднокатаные листы. Физические свойства ДКМ на основе никелевых сплавов мало отличаются от соответствующих характеристик неупрочненных матриц, за исключением теплопроводности, которая у ДКМ выше, чем у промышленных жаропрочных сплавов на никелевой основе (таблица 12).
Жаростойкость TD-никеля, ВДУ-1 и ВДУ-2 при 1200—1500 К выше, чем чистого никеля. Дисперсные включения оксидов тория, гафния и циркония (ZrO2) повышают жаростойкость. Упрочнение никеля частицами оксида алюминия А12О3 приводит к снижению жаростойкости по сравнению с технически чистым никелем при температурах выше 1473 К, а упрочнениечастицами оксида титана TiO2 — при температурах выше 1173 К. Дополнительно жаростойкость дисперсно-упpочненных нелегированных сплавов может быть повышена путем нанесения защитных покрытий. Хромоалюминиевые покрытия обеспечивают длительную эксплуатацию на воздухе при температуре 1473 К и кратковременную при температуре 1573 К.
TD-никель, ВДУ-1 и ВДУ-2 не подвержены межкристаллитной коррозии при высокотемпературном окислении. Оксидная пленка прочно сцеплена с основным металлом. Показатели жаростойкости ДКМ ВДУ-1 и ВДУ-2 приведены в таблице 13.
Жаростойкость сплава TD-нихром выше жаростойкости сплавов ВДУ, TD-никеля, а также жаростойкости чистого нихрома.
Применение. ДКМ на основе никеля и его сплавов применяются в авиастроении и космической технике. Их используют для изготовления камер сгорания и лопаток газовых турбин, стабилизаторов пламени и других деталей, эксплуатируемых при температурах выше 1373 К. Предполагается применение в теплозащитных панелях орбитальных космических кораблей многократного действия, подвергающихся аэродинамическому нагреву при входе в плотные слои атмосферы, в трубопроводах и сосудах давления, работающих при высоких температурах в агрессивных средах.
Таблица 10
Механические свойства сплавов ВДУ-1, ВДУ-2 и TD-нихром |
|
Длительная прочность сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2 |
Таблица 12 Физические свойства сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2 |
Таблица 13 Жаростойкость сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2 при окислении на воздухе |
Заключение
Преимуществами материала ДКМ являются:
• повышенная твердость и прочность;
• высокая жаростойкость и жаропрочность;
• высокая износостойкость;
• превосходная механическая обрабатываемость.
Области применения композитов 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 жесткости, панелей; в авто - для облегчения кузовов, рессор, рам, бамперов и т.д.; в горнодобывающей промышленности ― буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.; в строительстве ─ пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и так далее.
Применение композитов ─ новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерго - и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.
АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ
Антифрикционный порошковый материал предназначен для торцевых уплотнительных колец, подшипников скольжения и порошковых втулок тормозной рычажной передачи для локомотивов, вагонов, цистерн подвижного состава железных дорог и метрополитена. Антифрикционный порошковый материал на железной основе содержит медь, углерод, никель, серу при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 0,3-3; углерод 0,04-3; никель 0,1-3; сера 0,2-2; железо остальное. Кроме того, антифрикционный порошковый материал может дополнительно содержать порошок молибдена или дисульфида молибдена в количестве 0,07-5,0 мас.%. Технический результат - использование втулок из порошка снижает уровень шума, возможность схватывания материалов пары трения и обеспечивает надежность и долговечность состава в широком диапазоне нагрузок и скоростей. 1 з.п. ф-лы.
Изобретение
относится к области
Известно большое количество антифрикционных металлических, в том числе порошковых, материалов на основе меди, алюминия, железа и т.д. [1, 2, 3].
Эти материалы работоспособны в узлах трения или сравнительно невысоких температурах и удельных давлениях. При повышении температуры или нарушениях жидкостного трения работоспособность их резко ухудшается, что сопровождается увеличением коэффициента трения, схватыванием с материалом контртела и разрушением узла трения.
Повышения
работоспособности и
При этом должна быть обеспечена работоспособность втулок при:
- удельной нагрузке от 2500 до 10000 кН/см 2,
- скорости скольжения от 0,1 до 4,0 м/сек,
- знакопеременной нагрузке от 25000 до 10000 кН, при скорости скольжения 0,02 м/сек,
- коэффициенте трения не более 0,1.
В процессе разработки предлагаемого изобретения было исследовано 20 композиций порошковых материалов на железной основе, содержащих до 30% молибдена, а также 5 композиций на основе порошковой меди с содержанием до 30% свинца и 10% олова.
Задачей настоящего изобретения является создание антифрикционного порошкового материала, обладающего свойствами, содержащего минимум или не содержащего дорогих, дефицитных, токсичных компонентов, не загрязняющих окружающую среду и не опасных для здоровья населения. Материал также должен обеспечивать безотходное массовое производство заготовок и деталей.
Решение
этих проблем - создание антифрикционного
порошкового материала на железной
основе - достигается выбором
Наиболее лучшие результаты достигаются, если антифрикционный порошковый материал дополнительно содержит порошок молибдена или дисульфида молибдена в количестве 0,07-5,0 мас.%.
Указанные ингредиенты обеспечивают стабильные прочностные характеристики, износостойкость, малый коэффициент трения, отсутствие задиров и схватывания с материалом контртела в условиях граничной смазки или в отсутствие оной как в производстве, так и в условиях эксплуатации.
Основой
предлагаемого
ПЖРВ 2.200.24...30;
ПЖРВ 3.200.24...30;
ПЖРВ 4.200.24...30;
ПЖВ 2.160.24...30,
ПЖВ 3.160.24...30;
ПЖВ 4.160.24...30;
ПЖВ 5.160.24...30;
а также импортного производства фирм «Хоганес» - Швеция, «Манесманн» - Германия и других марок NC. 100.24, ANC 100.29 и смесей, готовых к прессованию.
Для обеспечения
стабильных прочных характеристик,
трибологических свойств
Медь 0,3-3,0
Углерод 0,04-3,0
Никель 0,1-3,0
Сера 0,2-2,0
Кроме того, материал дополнительно содержит порошок молибдена или дисульфида молибдена (MOS2) в количестве 0,07-5 мас.%.
Для получения порошкового антифрикционного материала на железной основе используют:
- порошок меди, восстановленный и распыленный марок ПМС-1, ПМС-2, ПМР, ПМР-1, ПМА, ПМС-К, ПМС-Н;
- порошок графита марок ГК-1, ГК-2, ГК-3;
- порошок никеля марок ПНК-ОТ1, ПНК-ОТ2, ПНК-УТЗ, ПНЭ-1;
- порошок серы молотой;
- порошок молибденовый;
- порошок
дисульфида молибдена марок
- концентрат молибдена марок КМФ-1, КМФ-2, КМФ-3, КМФ-4, КМФ-5.
Полученную смесь прессуют при температуре окружающей среды и давлении от 4 до 7 т/см2 . Брикеты загружают в печь с защитной атмосферой и температурой 1000...1200°С.
Вышеприведенное
соотношение компонентов и
Микроструктура материала и его механические свойства обеспечивают работоспособность деталей (втулки тормозной рычажной передачи для локомотивов, вагонов, цистерн и другого подвижного состава железных дорог и метрополитена) в условиях самосмазывания при:
- удельных нагрузках от 2500 до 10000 кН/см2
- скоростях скольжения от 0,01 до 4,0 м/сек
- знакопеременных нагрузках от 25000 до 100000 кН при скорости скольжения 0,02 м/сек.
При этом коэффициент трения не превышает 0,08.
Использование втулок из порошка снижает уровень шума, возможность схватывания материалов пары трения и обеспечивает надежность и долговечность состава в широком диапазоне нагрузок и скоростей.
Формула изобретения
1. Антифрикционный
порошковый материал на
Медь 0,3-3
Углерод 0,04-3
Никель 0,1-3
Сера 0,2-2
Железо Остальное
2. Антифрикционный
порошковый материал по п.1, отличающийся
тем, что дополнительно
- Абрамчук В. Е., Кузьмин А. М., Терентьева Л. М. Оценка некоторых параметров металлизированных углеродных волокон методом измерения электросопротивления.— В кн.: \\\ Всесоюз. конф. по композиц. материалам (Москва, нюнь 1974 г.): Тез. докл. М.: ИМЕТ, 1974,с. 130—131.
- А. с. 526672 (СССР). Композиционный материал / А. Г. Туманов, К. И. Портной.— Опубл. в Б. И.. 1976, № 32.
- Справочник по авиационным материалам: В 4-х т. / Под ред. А. Т. Туманова.— М.: Машиностроение, 1965.— Т. 2, Ч. 1—456 с.
- Мозжухин Е. И. Металлы и сплавы, содержащие дисперсные включения тугоплавких соединений и волокна.— М., 1966, с. 114—156.— (Итоги науки и техники / ВИНИТИ: Сер. Металлургия цвет. и ред. металлов; Т. X).
- Денисенко Э. Т., Ван Асбрук Ф. Спеченная сталь Х13 для оболочек тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах.— Порошковая металлургия, 1972, № 9, с. 95—101.
- Старр К. Свойства никеля ТД.— В кн.: Новые материалы и методы исследования металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1966, с. 166— 171.
- Карпинос Д. М. Композиционные материалы. К.: Наукова думка. 1985, 592с.
- 1. Шпагин А.И. Антифрикционные сплавы. М., Металлургиздат, 1956.
- 2. Н.М.Рудницкий. Материалы автотранспортных подшипников скольжения. М., Машиностроение, 1965.
- 3. Н.А.Буше. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. М., Транспорт, 1967.

- Дисперсные системы
- Дисперсные системы
- Дисперсные системы
- Дисперсные системы
- Дисперсные системы. Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем
- Дисперсные системы, растворы электролитов
- Дисперсті жүйелердің жіктелуі мен түрлері
- Дисперсия света
- Дисперсия света
- Дисперсия Света
- Дисперсия, стандартное отклонение, коэффициент вариации
- Дисперсійний аналіз економетричної моделі
- Дисперсное ядерное топливо и его применение
- Дисперсно-упрочненные композиционные материалы