2.2. Неметаллические и композиционные материалы

Неметаллические материалы – это неорганические и органические полимерные материалы, композиционные материалы на неметаллической основе, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, стекло, керамика ит.п.

Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.

Композиционные материалы (КМ) высокопрочные. Это материалы из различных комбинаций армирующего ма­териала и мат­риц.

В качестве матрицы выступает алюминий или его сплавы (в том числе уп­рочняемые термической обработкой), а упрочняющего наполнителя – волокна бора (типа ВКА), углеро­да (типа ВКУ), а также стальная проволока (типа КАС). Первые два обеспечивают получение прочно­сти 1000…1200 МПа, а последний – 1600 МПа. Осо­бое внимание уде­ляется боралюминиевым КМ, сохраняющим свою высокую прочность до тем­ператур 400…500°С; привлекают внимание и углеродоалюминиевые КМ, ха­рактеризующиеся бо­лее высоким модулем упругости (140…160 ГПа вместо 70 ГПа). Отличительной особенностью КМ, армированного высокопроч­ной сталь­ной проволокой, является их меньшая стоимость и не­дефицитность. КМ с алюминиевой матрицей применяются в таких областях техники, ус­ловия работы изделий в которых не допускают приме­нения традиционных ме­таллических материалов (в основном в авиационно-космических конструк­циях).

Композиционные материалы высокопрочные на основе магния. В качестве матрицы в основном используются сплавы магния. Армирование чаще производится волокна­ми бора, углерода, а также стальной или титановой проволокой. При меньшей плотности, чем у алюминиевых, магниевые компо­зиты обеспечивают получение примерно такой же прочности (до 1000…1200 МПа). КМ на основе магния применяются в ос­новном для деталей самолетов и космических конструкций.

Дальнейшее повышение прочностных свойств, особенно же­сткости, дос­тигается в композитах на основе титана и титановых сплавов. В качестве арми­рующих применяются в основном во­локна бора, бериллия и молибдена. Эти КМ предназначены главным образом для изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Расширяется применение титановых материалов в вертолетостроении (детали несущего винта, привода), в судостроении и других областях машино­строения (листы, профили, поковки, штамповки, детали крепления).

2.3. Производство конструкционных материалов

Вопросы, изучаемые в этой теме:

– получение чугуна;

– получение стали;

– получение меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов, магния и его сплавов, титана и его сплавов;

– получение порошковых, керамических и композиционных материалов.

Получение чугуна. Чугуны получают путем восстановления железа из оксидов, содер­жащихся в рудах. Процесс восстановления железа ведут в до­менных печах. В зависимости от назначения и места дальнейшей пе­реработки различают чугуны передельные (примерно 80% от всего вы­пуска), предназначенные для перера­ботки в сталь, и литейные, посту­пающие на машиностроительные заводы и ис­пользуемые в качестве исходного материала для изготовления литых заготовок. Общая схема взаимосвязи металлургического и машинострои­тельного производств показана на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Связь металлургического и машиностроительного производств

После до­бычи руды и коксующегося угля 1 их направляют на подго­товку и переработку, которая для кокса сводится к нагрева­нию в коксовых ба­тареях 2, а для руды – к ее измельчению, обога­щению и окускованию 3. Подго­товленные таким образом исходные материалы поступают в доменную печь 4, где и происходит восста­новление железа из оксидов и его насыщение углеро­дом и другими примесями. В случае выплавки передельного чугуна последний на­правляется в сталепла­вильные печи, в которых из него получают сталь 5. Сталь разливается в слитки 6, из которых после прокатки 7 получают заготовки для обработки резанием на станках 8 или готовый продукт (рельсы, балки, лист, трубы), поступающий в народное хозяйство. Литейный чугун в виде чушек пе­реплавляется в плавиль­ных агрегатах литейных цехов машиностроительных за­водов 9. Из этого чугуна получают литые заготовки, большая часть из которых проходит механическую обработку на станках и в виде готовых деталей пода­ется на сборку и использу­ется в народном хозяйстве. В свою очередь, машино­строительное производство и народное хозяйство поставляют отходы металло­обработки (стружку) и лом черных металлов заводам по производству стали, завершая круговорот металла.

Сущность процесса получения чугуна заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды, науглероживании восстановленного железа углеродом кокса до величин, соответствующих содержанию углерода в чугуне, расплавлении и перегреве получившегося чугуна. Одновременно оксиды пустой породы и зола топлива связываются флюсом в шлак – легкоплавкое соединение, не смешивающееся с чугуном.

Исходными материалами для доменного производства являются руда, флюсы, топливо и огнеупоры.

Конечные продукты: 1) жидкий и твердый (чушковый) передельный чугуны, используемые для передела в сталь; 2) твердый чушковый литейный чугун, используемый для производства отливок; 3) ферросплавы (сплавы железа с марганцем или кремнием), необходимые для легирования и расплавления чугунов и сталей; 4) шлак, используемый в строительстве.

Получение стали. Сталеплавильные процессы были вызваны развитием производства чугуна, но недостаточной его механической прочностью.

Литую сталь производят различными способами – от конвертерного до электроплавки. От используемых плавильных агрегатов и процесса плавки в значительной степени зависит качество отливок.

Любой из сталеплавильных процессов, как правило, представляет собой окислительную плавку для окисления избытка углерода, кремния, марганца, фосфора, а также удаления серу и растворенных в металле газов. Немаловажной задачей является снижение серы в металле. Фосфор и сера в стали являются вредными примесями. Фосфор, растворяясь в железе вызывает хладноломкость, то есть хрупкость стали при низкой температуре. Сера при повышенном ее содержании и недостатке марганца является причиной красноломкости, при котором в процессах обработки стали давлением металл в результате ослабления связей между зернами уже при температуре 1150…1175способен рассыпаться в порошок.

Сырьем для про­изводства стали является передельный чугун, выплав­ляемый в доменных печах, лом и ферросплавы.

Мартеновской плавкой получают углеродистые и разнообразные марки легированных сталей. Наиболее качественную, чаще всего легированную, сталь получают в кислых мартеновских печах. Мартеновские печи позволяют получать большие объемы стали одина­кового состава, но они малопроизводительны и в них нельзя получать высоко­легированные стали в связи с большим угаром и трудностью растворения фер­росплавов (это связано с невы­соким перегревом расплава стали).

Кислородно-конвертерный способ выплавки стали счита­ется более про­грессивным, так как он обеспечивает высокий перегрев расплава.

В кислородном конвертере выплавляют углеродистые и низколегированные конструкционные и инструментальные стали с содержанием легирующих элементов около 2…3 %.

Рис. 2.2. Схема кислородного конвертера: 1 – медная водоохлаждаемая фурма; 2 – стальной сварной кожух; 3 – огнеупорная футеровка; 4 – цапфы

Кислородный конвертер (рис. 2.2) – сосуд грушевидной формы, имеющий стальной кожух 2, футерованный внутри огне­упорным материалом 3. Конвертер устанавливается на цапфах 4, что позволяет поворачивать его вокруг горизонтальной оси при загрузке шихты и сливе стали. Медная водоохлаждаемая фурма 1 служит для подачи в конвертер технически чистого кислорода.

Исходными материалами для производства стали в кисло­родных конверторах являются: жидкий чугун, стальной лом, из­весть и небольшое количество железной руды. Для загрузки кон­вертер наклоняют, а затем поворачивают в вертикальное поло­жение, вводят водоохлаждаемую фурму и подают кислород под давлением (0,9...1,4) МПа. Окисление примесей в кислородном конвертере начинается с первой минуты, протекает очень быстро, сопровождается пере­мешиванием расплава и выделением большого количества тепла. Температура расплавленного металла в зоне действия кислорода достигает 2500 °С, что позволяет перерабатывать значительное количество металлолома. Химический состав металла по ходу плавки контролируют автоматически с помощью ЭВМ. Готовая сталь должна иметь температуру 1580 – 1650 °С. Благодаря высокой температуре стали в конце процесса выплавки после раскисления можно вводит ферросплавы, что позволяет полу­чать легированные стали.

В современных конвертерах за один цикл выплавляется свы­ше 350 т стали. Продолжи­тельность цикла не превышает 1 ч.

Электродуговые печи обеспечивают низкий угар леги­рую­щих элемен­тов и высокий перегрев расплава, необходимый для растворения ферросплавов. Поэтому они нашли широкое применение для выплавки сталей специального назначения (инструментальных; нержавеющих, жаропрочных и т. д.).

В электропечах выплавляют все марки сталей и специальных сплавов однако основной областью применения является получение высококачественных легированных сталей и сплавов, особенно с низким содержанием углерода.

Особенности процесса получения стали в электропечах определяются способом преобразования электроэнергии в теплоту и химическим составом металлической части шихты. Существуют дуговые и индукционные печи.

Разливка стали на слитки. После завершения плавки жидкую сталь из печи выливают в ковши и подают на разливку. Разливка стали является завершающей операцией получения конечной продукции в виде стальных слитков. Разливку стали осуществляют как в изложницы – специальные формы, отливаемые обычно из чугуна, так и непрерывным способом – на машинах непрерывного литья заготовок, называемых также установками непрерывной разливки стали (УНРС).

Слитки, получаемые в изложницах, отличаются неравномерностью структуры и состава по сечению. Слитки, получаемые на УНРС, не имеют усадочных раковин, бо­лее од­нородны по химическому составу, однако на их поверхности часто образуются трещины, связанные с перепадом температур по се­чению и большими уси­лиями вытяжки слитка из кристаллизатора.

Получение цветных металлов подробно рассмотрено в [1, 3].

Получение порошковых материалов. В машиностроении широко применя­ются изделия из металлических порошков, полученных путем прессования и последующего спекания. Такой способ получили название порошковой металлургии. Методами порошковой металлургии изготавливают изделия самой разнооб­разной формы, в том числе и такие, кото­рые невозможно получить отливкой из труднообрабатываемых материалов. Су­щественную роль в порошковой метал­лургии играют технологические процессы получения качественных исходных компо­нентов, то есть порошков. Для разных областей машиностроения требуются порошки с широким спектром свойств. В ходе раз­вития порошковой металлургии было предложено и реализовано много способов получения порошков Чаще всего порошки получают механическим измельчением твер­дых материалов, то есть дроблением, размолом или распылением. Другим способом является получение порошков в результат химических реакций и физических процессов, протекающих между твердыми, жидкими и газообразными веществами.

Получение композиционных материалов. Способы получения композиционных материалов включают сле­дующие стадии: получение исходных компонентов (волокон, жгу­тов, лент, тканей, листов); подготовку исходных компонентов (нанесение покрытий); получение промежуточных полуфабрикатов (сборку исходных компонентов); получение плотных полуфабрикатов и изделий (полимеризацию, спекание); отделку, нанесение по­крытий.

Волокна получают механическими способами, например волоче­нием, разрезанием фольги, протягиванием или продавливанием материала через фильеры, растягиванием нитей и физико-химичес­кими методами – намораживанием струи расплава на вращаю­щийся барабан, кристаллизацией из расплавов и растворов, охла­ждением на нити-подложки. Исходными компонентами являются ткани и нетканые материалы из волокон, отдельные волокна и жгуты, пропитанные матричным материалом, ленты, полученные напылением матричного материала на волокна. Исходные компоненты из матрицы получают в виде гранул, порошков, фольги, лент, расплавов и полимерных составов. В случае необходимости исходные компоненты подверга­ют предварительной подготовке: отжигу, нанесению защитных и технологических покрытии и т. д. Для композиционных материалов с дисперсными армирующими элементами промежуточные полуфабрикаты получают смешивани­ем жидких или твердых матричных материалов с волокном или порошком уплотнителя. Для получения промежуточных полуфабрикатов из композици­онных материалов с волокнистым упрочнителем производят меха­ническую «сборку» материала матрицы и волокна. Для этого рав­номерно укладывают слои из фольги матрицы и волокон упрочнителя. Применяют также укладку или намотку отдельных волокон, жгутов, лент, тканей с нанесением на них материала матрицы на вращающиеся оправки. Форма промежуточных полуфабрикатов со­ответствует форме готовых изделий с учетом неплотности укладки.

Изготовление изделий из полуфабрикатов на основе пластмасс с дисперсным наполнителем производится прессованием в нагретых пресс-формах или заливкой в литейные формы. При этом совмещаются процессы образования формы и компактирования. В случае необходимости готовые изделия подвергают отделке – обрезке по контуру, удалению заусенцев, нанесению покрытий, термообработке.