Файл: Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами..pdf

взаимодействие между волокном и матрицей отсутствует. Таким образом, указанные способы изготовления композиционных мате­ риалов на основе магния при упрочнении его бор-волокном заслу­ живают внимания.

Фирма «Dow Chemical Со.» (США) получила патент на способ изготовления композита на основе магния и его сплавов, упроч­ ненного нитевидными кристаллами карбида кремния, методом про­ питки [9]. В горячую металлическую форму помещали мат из про­ извольно ориентированных нитевидных кристаллов и затем про­ питывали его жидким расплавом, который медленно кристаллизо­ вался в форме. Таким способом можно получать композиционный материал с высоким объемным содержанием упрочняющей фазы — вплоть до 90%.

Мат из нитевидных кристаллов карбида кремния получали путем их суспензирования в щелочи или этиловом спирте и филь­ трации суспензии в вакууме. Желательно, чтобы диаметр ните­ видных кристаллов был 0,3—3 мкм, длина — 50—500 мкм.

металлом. Время пропитки в зависимости от формы и объема из­ ложницы, содержания нитевидных кристаллов и температуры рас­ плава может меняться соответственно от 0,25 и до 2 ч.

Если композит содержит 10 об.°о нитевидных кристаллов, то

=6,7 кГІмм1, сг0 і 2 = 4,5 кГІмм2, сф* = 4,9 кГ/ммІ1.

Композиционный материал с содержанием 30 об.% армирую­

Во Франции [10] были исследованы композиции на основе магния и его сплавов, упрочненные волокнами бора и карбида кремния. Указанные композиты создавали для использования в ядерной энергетике. Была также предпринята попытка армировать магниевые сплавы, содержащие алюминий и цинк или цирконий, углеродными волокнами. Технология производства композита пред­ ставляла собой пропитку под давлением. Волокна удовлетвори­ тельно распределялись в матрице. Прочность полученного компо­ зиционного материала, однако, была ниже, чем подсчитанная тео­ ретически, и составила приблизительно 30 кГІмм2 для композита с объемной долей волокна, равной 30%. Прочность композита при повышении температуры испытания изменялась незначительно.

Одним из первых способов получения композиции магний — бор методом литья была вакуумная пропитка волокон, помещен­ ных в керамическую трубку [4, 7]. Так были изготовлены образцы композиционного материала с высоким' объемным содержанием волокон.

146

Образцы композиционного материала магний — бор диаметром 6,4 мм и длиной 100 мм были изготовлены вакуумной пропиткой пучка волокон бора жидким магнием при температурах от 700 до 750° [4]. Трубки из А130 3 были заполнены пучками волокон из расчета получения композиций с объемной долей от 0,5 до 0,7%. Удаление образца композита из трубки было облегчено в резуль­ тате обмазки внутренней поверхности трубки коллоидальным гра­ фитом, диспергированным в этаноле. Установка для получения описываемых образцов показана на рис. 4.

Оптимальная температура для пропитки пучка волокон бора жидким магнием равна 750°. При содержании наполнителя в мат­ рице менее 65 об.% в композиции возникло большое количество раковин и пор и оказалось чрезвычайно трудно получить плотный образец с равномерным распределением волокон.

Предел прочности на растяжение и сжатие при комнатной тем­ пературе композита магний — 69 об.% бор-волокна, полученного вакуумной пропиткой, равны соответственно 240 и 319 кГІмм2.

пропитки для изготовления композита на основе магниеволитиевых сплавов.

Высокая прочность образцов, полученных таким способом, стимулировала проведение работ по созданию процесса изготовле­ ния композита наиболее прогрессивным методом непрерывного литья. Исследования показали, что этим способом можно созда­ вать беспористый композиционный материал в виде прутков и раз­ личных профилей, содержащих до 400 упрочняющих волокон (65—75 об.%), равномерно распределенных по сечению заготовки.

В работе [7] описывается технология создания композиционного материала магний— бор методом непрерывного литья, который является одним из наиболее экономичных и перспективных спо­ собов создания композиционных материалов, обеспечивающих по­ лучение изделий со стабильными характеристиками. Пучок волокон непрерывно проходит через ванну с расплавленным металлом и пропитывается им (рис. 5). Для обеспечения более полной пропитки волокна поступают в расплав, не соприкасаясь одно с другим. Затем пучок их проходит через кристаллизатор-фильеру, форми­ рующую заготовку, которая вытягивается с определенной ско­ ростью, необходимой для кристаллизации матрицы. Применение способа непрерывного литья позволяет изменять содержание арми­ рующих волокон в матрице в широких пределах, обеспечивая при этом однородное распределение волокон. Любое волокно или про­ волока достаточной длины, устойчивые в расплаве магния или его сплавов, могут быть использованы для получения композиционного материала методом непрерывного литья. При изготовлении компо­ зита в форме прутка путем вытягивания заготовки ей сообщалась различная степень закрутки: от* 1 оборота на длине 25 мм для

147

Рис. 4. Установка для изготовления образцов композиции магнии — бор методом вакуумной пропитки [4]

гревательные элементы; 8 — огнеупорная изоляция; 9 — термопара; 10 — основа­ ние тигля

газ

Рис. 5. Схема получения заготовок из ком­ позиционного материала двумя методами не­ прерывного литья [7]

Рис. 6. Схема распределения напряжения в крученом волокне композиционного материала в результате деформации [7]

В результате структура образца напоминала структуру круче­ ного каната, в центре которого волокна расположены по его оси, а по краям — под углом 10° к ней. При такой структуре наиболее эффективно реализуются свойства армирующих волокон и полу­ чается материал с более высокой прочностью.

Спиральная укладка внешних волокон приводит к возникнове­ нию поперечных сжимающих напряжений в композиционном ма­ териале (рис. 6). Это напряжение at возрастает с увеличением осевого напряжения оа, которое механическим путем передается от матрицы к волокну. Растягивающая нагрузка од в волокнах, уложенных по спирали, всегда меньше осевой нагрузки в компо­ зиционном материале. Таким образом, в случае возрастания осе­ вой нагрузки в первую очередь разрушаются волокна внутри образца, ориентированные в направлении оси. Увеличение попе­ речного сжатия при деформировании способствует благоприятному перераспределению нагрузки. При растяжении волокна, уложен­ ные по спирали, стремятся ориентироваться в осевом направлении. Так называемый эффект сетки, присущий геометрии крученого волокна, приводит к увеличению длины участка волокна, на кото­ ром происходит разрушение его на отдельные куски. В связи с этим материал становится более пластичен, а волокна благодаря после­ довательному дроблению на фрагменты используются более эффек­ тивно. Следовательно, получение композита со структурой круче­ ного каната позволяет создать материал с более высокими кон­ струкционными свойствами.

Р, кГ

Рис. 7. Диаграмма нагрузка-деформация образцов композиционного материала магний — 25 об. % бора [7]

/ — непреры вное л и тье; 2 — горячее прессование

На рис. 7 показаны результаты испытания на прутке, получен­ ном непрерывным литьем, и на плоском образце, изготовленном методом горячего прессования. Приведенные данные подтверждают, что метод непрерывного литья обеспечивает повышенную прочность и пластичность композита по сравнению с горячим прессованием,

149

которое дает образцы, характеризующиеся практически хрупким разрушением.

Методом непрерывного литья могут быть получены различные заготовки: пруток, труба, двутавр, тавр, швеллер, плита, лист и другие формы длиной до 1 м. Причем матрица может быть как

Прочностные характеристики композиционных материалов сис­ темы магний — бор, приготовленные способом непрерывного литья, представлены в табл. 4.

Т а б л и ц а 4. Прочностные характеристики композиции Mg—В

В работе [10] имеются сведения, что в США (NASA) получены положительные результаты по созданию композиционных материа­ лов на основе магния, упрочненного тонкой проволокой из нержа­ веющей стали способом сварки взрывом. Проволока располагалась в одном направлении. Прочность этого материала сопоставима с прочностью композитов, изготовленных на основе магния и арми­ рованных волокнами бора, карбида кремния, сапфира или уголь­ ными волокнами.

Как было показано, наиболее широко производством компози­ ционных материалов на основе магния и его сплавов занимается фирма GTC (США), которая для этого использует горячее прессо­ вание, пропитку и непрерывное литье. Фирма сообщила, в част­ ности, о производстве методом горячего прессования панелей раз­ мером 6 X 230 X 230 мм из композиционного материала, состоя­ щего из магния, упрочненного бор-волокном с объемной долей 0,3% [12]. Изделия из этого материала обладают следующими ме­ ханическими свойствами: предел прочности при комнатной темпе­ ратуре — 97 кГ/мм2, при 400° — 77 кГІмм2; относительное удли­ нение — 0,6%.

Сообщается [13], что фирма «Меіраг» (США) разработала компо­ зиционный материал на основе стандартного деформируемого маг­

150