3.12. Композиционные материалы

К омпозиционные материалы (далее – КМ) по удельной прочности и жесткости, жаропрочности, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам зачастую превосходят все известные конструкционные сплавы.

В

Рис. 3.5. Схема армирования КМ:

I – однонаправленная; II – двунаправленная; III – трехнаправленная; IV – четырехнаправленная

I

се КМ состоят из сравнительно непрочной и пластичной матрицы, перераспределяющей нагрузку и объединяющей материал в единое целое, и армирующих элементов, несущих основную силовую нагрузку. В качестве армирующих элементов используются тонкодисперсные твердые тугоплавкие частицы, высокопрочные волокна из различных материалов, проволока или даже стальная сетка и прутки, как это делается в самом распространенном КМ – железобетоне. Схема армирования может быть от однонаправленной (линейной) до пространственной (рис. 3.5).

Стальная проволока имеет предел прочности до 5000 МПа, борные волокна – до 3000 МПа, углеродные волокна – до 2500 МПа, волокна из карбидов, нитридов, боридов и оксидов – от 2500 до 3500 МПа.

По составу матрицы КМ подразделяются на два вида.

1. С металлической матрицей, которая выполняется из алюминия, магния, никеля, титана или их сплавов. Прочность алюминиевых сплавов, армированных борными волокнами, достигает 1 800 МПа. Наиболее распространены КМ на основе алюминия, и в частности спеченный алюминиевый порошок – САП (σ_в = 300…400 МПа при δ = 8…3%), состоящий из алюминиевой матрицы, в которой равномерно распределены чешуйки Al₂O₃. САП применяют для изготовления высоконагруженных деталей сложной формы для ракет и самолетов. Отличительной особенностью КМ с металлической матрицей является жаропрочность – из них изготавливают даже рабочие и сопловые лопатки турбин.

2. С неметаллической матрицей, в качестве которой чаще всего применяется полимерная – эпоксидная, фенолоформальдегидная, полиамидная; реже применяют более дорогие, но и более прочные углеродные и керамические матрицы.

В зависимости от вида армирующих волокон эти КМ подразделяют на стекловолокниты, карбоволокниты, бороволокниты, органоволокниты. Наибольшей прочностью обладают стекловолокниты – σ_в до 2100 МПа; бороволокниты – до 1300 МПа; карбоволокниты – до 1000 МПа; органоволокниты, производимые на основе синтетических волокон, в большинстве случаев имеют прочность, меньшую на порядок, но зато они менее чувствительны к внешним повреждениям. Из КМ с неметаллической матрицей изготавливают несущие детали летательных аппаратов, корпуса автомашин и катеров, автоцистерны, строительные панели, трубы, корпуса насосов и вентиляторов, спортивный инвентарь (лыжи, клюшки, рамы и колеса велосипедов) и т. п.

Раздел 4 технология конструкционных материалов

4.1. Способы получения металлов и сплавов

Для первичного получения металлов в большинстве случаев используют три вида технологий⁶:

Пирометаллургия⁷ – совокупность процессов получения и очистки металлов и сплавов, протекающих при высоких температурах. Пирометаллургия – основная и древнейшая область металлургии. В современной классификации пирометаллургия противопоставляется гидрометаллургии – совокупности так называемых мокрых процессов получения металлов, осуществляемых при невысоких температурах. Примерами пирометаллургических процессов могут служить доменная плавка, мартеновская плавка, плавка в конвертерах, дуговых и индукционных печах. Почти 100% мирового производства чугуна, стали, свинца, около 95% меди, свыше 60% цинка получают методами пирометаллургии.

Гидрометаллургия⁸ – извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи водных растворов химических реагентов с последующим выделением металлов из этих растворов. Основные операции гидрометаллургии: механическая обработка руды (дробление, измельчение, классификация, сгущение); изменение химического состава руды или концентрата (обжиг, спекание, разложение химическими реагентами); выщелачивание; обезвоживание и промывка; осветление растворов и удаление вредных примесей; осаждение металлов или их соединений из растворов; переработка осадков. Гидрометаллургические методы широко используются при производстве меди, никеля, кобальта, платины и других цветных металлов.

Электрометаллургия – область металлургической науки и техники, охватывающая извлечение металлов из руд и концентратов, плавку и рафинирование металлов и сплавов, а также их нагрев и придание им соответствующей структуры при помощи электрического тока. Электрометаллургия делится на две области: в первой применяются электротермические методы, т.е. используется тепловой эффект электрических явлений; во второй – электрохимические методы, а именно электролиз как при обычных (электролиз водных растворов), так и при высоких (электролиз расплавленных солей) температурах. В чёрной металлургии применяют преимущественно электротермические методы, а в цветной – электротермические и электрохимические. Широкое распространение получили рафинирующие переплавы (так называемая спецэлектрометаллургия). Электрометаллургические методы широко используются при производстве алюминия, магния и других цветных металлов, образующих прочные окислы.

Побочные продукты, получающиеся при производстве черных и, особенно, цветных металлов, могут содержать большое количество ценных элементов и используются, например, для получения всех металлов платиновой группы, золота, серебра, редкоземельных элементов и т.п. Из газообразных продуктов доменных печей извлекают цинк, селен и др. ценные элементы. Сера, получающаяся при производстве ряда цветных металлов, идет на производство серной кислоты. Шлак, образующийся в больших количествах при реализации пирометаллургических процессов, применяется при изготовлении стройматериалов (шлакобетон, шлаковата, шлакоблоки и т.п.).

Производство чугуна и стали. Чугун выплавляют в доменных печах за счет разделения смеси железной руды, кокса и шлакообразующих на три фазы: газообразную и две жидких – шлак и чугун. Благодаря различию в плотности шлак концентрируется в средней части печи, а чугун – в нижней. Важнейшими химическими реакциями, идущими в доменной печи являются окисление углерода, восстановление железа, марганца, кремния и др. металлов из оксидов, восстановление фосфора и частичный перевод его в шлак, разложение сульфидов и частичное удаление серы в виде газов H₂S и SO₂. Чугун, направляемый на производство стали, называют «передельным». Передельный чугун в жидком виде транспортируют в сталеплавильный цех.

Пудлинговый⁹ способ получения стали известен с конца ХVIII в. Во второй половине XIX в. он был вытеснен бессемеровским, томасовским и мартеновским процессами¹⁰. Наиболее распространенным в мире, начиная с середины 70-х гг. ХХ в., является кислородно-конвертерный способ производства стали, пригодный для переработки передельного чугуна и возрастающих объемов металлолома. В результате продувки кислородом и взаимодействия со специально наведенным шлаком в расплаве уменьшается содержание углерода и вредных примесей, прежде всего, серы и фосфора.

Высококачественную сталь получают в индукционных и электродуговых печах путем переработки металлолома с небольшим количеством чугуна, необходимого для создания избытка углерода. Для еще большего повышения качества сталь может быть подвергнута электрошлаковому, электродуговому, электроннолучевому и др. переплавам, снижающим количество вредных примесей.

В настоящее время имеется тенденция прямого восстановления металлов из руд, что позволяет автоматизировать производство, отказаться от ряда промежуточных процессов, уменьшить потери металла и выбросы вредных примесей. В частности, при производстве стали успешно применяют железорудные окатыши, получаемые прямым восстановлением железа из руды водородом или углеродом. Из таких окатышей получают наиболее качественные стали, в которых содержится минимум вредных примесей.

Крупнейшим в ХХ в. отечественным изобретением, внедренным и на самых современных заводах за рубежом, является процесс непрерывной разливки стали, позволивший получать профили постоянного сечения сложной формы (даже с внутренним отверстием, например, трубы) непрерывным способом. Такие слитки называют слитками УНРС (установка непрерывной разливки стали). Литые заготовки могут иметь очень сложную форму и поэтому сокращают потери металла при обработке резанием.

Литейным производством называют процесс получения фасонных литых заготовок, называемых отливками, путем заливки расплавленного металла в рабочую полость литейной формы. Литье является наиболее простым и дешевым промышленным способом получения заготовок, в том числе имеющих сложную геометрическую форму.