6. Антифрикционные материалы и изделия

Порошковые антифрикционные материалы предназначены для производства изделий с низкими потерями на трение; их определяющий признак -сравнительно низкий коэффициент трения (обычно < 0,3,в том числе при наличии смазки < 0,1).Их структура должна быть гетерогенной, мелкозернистой и отвечать правилу Шарпи, т.е. представлять собой сочетание твердых и более мягких компонентов, причем одним из них, самым мягким, в таких антифрикционных материалах являются поры -составляющая с нулевой твердостью; к тому же поры могут быть заполнены смазкой.

Именно метод порошковой металлургии наиболее эффективен для изготовления антифрикционных изделий различного химического состава с хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, низким и стабильным коэффициентом трения, хорошей сопротивляемостью схватыванию и другими полезными качествами. Наличие пор позволяет придавать антифрикционные свойства материалам, которые в литом состоянии ими не обладают (например, порошковое пористое железо или материалы на его основе успешно работают в различных узлах трения). Поры изменяют сам механизм прирабатываемости трущихся поверхностей. У порошковых материалов вследствие изменения и перераспределения объема пор происходит необратимая пластическая деформация в поверхностном и прилегающем к нему значительном по глубине (до нескольких миллиметров) приповерхностном слое, тогда как у литых материалов хорошая прирабатываемость обеспечивается только в поверхностном слое толщиной всего в несколько микрометров вследствие уменьшения шероховатости, в том числе и путем его износа.

Хорошая прирабатываемость порошкового пористого материала повышает качество поверхности, улучшая антифрикционные и эксплуатационные свойства изделий из него.

Говоря о порошковых антифрикционных материалах и изделиях, обычно имеют в виду пористые подшипники, многослойные, металлопластмассовые и металлостеклянные антифрикционные материалы. Они находят широкое применение в тракторо- и сельхозмашиностроении, автомобильной промышленности, тяжелом, энергетическом и транспортном машиностроении, в текстильной и пищевой промышленностях, в авиационной и бытовой технике, приборостроении и др.

Спеченные антифрикционные материалы классифицируются:

по составу:

• на основе Fe, Cu, Ni, Al, Co и т.д.;

• металлические двухслойный материал на стальной подложке;

• материал на основе пористых металлических каркасов, пропитанных фторопластом (металлопластмассовые материалы);

• металлостеклянные материалы.

по назначению:

• при наличии жидкой смазки;

• в условиях ограниченной смазки;

• в режиме самосмазывания;

• без смазки в воздушной среде;

• при высоких температурах;

• в воде и коррозионных средах.

7. Современные композиционные материалы

7.1 Классификация композиционных материалов

Композит,определяется как матрица из одного материала с распределенными в ней заданным образом волокнами или дисперсными частицами другого материала. Такое распределение называютармированием.

По характеру распределения армирующего материала композиты можно разделить на два основных класса:

- композиты с упорядоченным армированием;

- композиты с неупорядоченным армированием.

В первом случае разработчик материала заранее задаётся конфигурацией, т.е. геометрической структурой распределения арматуры в матрице. Во втором случае распределение арматуры носит случайный, хаотический характер.

Композиционные материалы обоих классов можно разделить ещё по типу материалов, используемых в качестве матриц, и армирующих материалов. И те и другие материалы могут быть:

а) полимерами;

б) керамикой;

с) металлами.

На первый взгляд кажется, что создание композиционных материалов достаточно сложно. Ведь изготовление волокон – тонких и тончайших нитей – технологически сложно, вследствие чего неизбежен большой брак при их производстве; обязательны специальные меры для получения упорядоченного распределения и т.д. Возникает вопрос, оправдана ли такая технология и если оправдана, то почему?

Обратим внимание на очень важный факт: когда требуется материал с высокими значениями прочности и жёсткости (эти понятия отражают разные свойства твёрдого тела: прочность характеризует сопротивление разрушению, а жёсткость определяет недеформируемость материала), теплостойкости и устойчивости к химическим воздействиям, используют элементы, расположенные в середине периодической системы, - углерод, алюминий, кремний, кислород, азот. Эти элементы образуют друг с другом соединения с прочными стабильными связями. Типичными представителями таких соединений являются керамические материалы: SiC, Si₃N₄,SiO_2, Al₂O₃. Для них характерен уже известный недостаток – большая хрупкость. Если такой материал изготавливают из мелких частиц или тонких волокон, его прочность значительно повышается. Подтверждением этому может служить оконное стекло – материал очень непрочный, но стеклянная нить, состоящая из тонких волокон, имеет прочность на растяжение 3*10⁹Па. Для сравнения укажем, обычная сталь имеет прочность только 0,5*10⁹Па.

Высокая прочность мелких частиц связана с тем, что вероятность Wпоявления в образце дефекта настолько большого, чтобы вызвать хрупкое разрушение, падает с уменьшением размера образца:

W~1/d.

Аналогичный эффект наблюдается и в повышении прочности металлов, и в упрочнении керамики, для чего применяется очень тонкий помол. Кроме того, при разрыве одного волокна дефект не распространяется на другие волокна и нить (жгут) в целом не разрушается, а в однородном материале трещина распространяется вплоть до разрушения всего образца.

Однако простой пучок волокон представляет собой небольшую ценность как конструкционный материал. Для использования максимально возможной прочности волокон их помещают в матрицу, которая играет адгезионную роль – соединяет волокна и к тому же придаёт материалу твёрдую форму.

Нагрузка от матрицы на армирующее волокно передаётся сдвиговыми силами, действующими на его поверхность, которая поэтому должна быть велика по сравнению с площадью сечения волокна, т.е. в одном измерении размер арматуры должен быть много больше, чем в других. Таким образом, волокна-нити – самая выгодная конфигурация арматуры композита для конструкционных применений.

Установлено, что критическое отношение длины волокна lк его диаметруdдолжно быть примерно

l/d > 100.

Понятно, армирование короткими волокнами и частицами другой формы хуже, чем армирование длинными непрерывными волокнами. При использовании длинных волокон возникает явление синергизма.

Синергетика– это наука, изучающая саморегуляцию в системах с внутренними обратными связями. В случае композита – это влияние волокна на матрицу и матрицы на волокно. При растяжении пучка волокон без матрицы разрыв волокна уменьшает их количество, и удельная нагрузка на оставшиеся волокна увеличивается. Если волокна находятся в упругой или пластичной матрице, то при разрыве волокна его части при растяжении вытаскиваются из матрицы. Упругая деформация матрицы, или её пластическое течение сдавливает разорванные части волокна, и оно ещё в какой-то мере продолжает действовать подобно коротким волокнам.

Таким образом, основная цель построения конструкционного композита, - сохранение прочности волокон в его матрице.

7.2 Принципы выбора материалов матриц и волокон

Одно из требований, предъявляемых к материалу матрицы, вытекает из рассмотренного выше требования её пластичности. Но главным является обеспечение работоспособности в области высоких температур, для которых предназначен композит. Для изготовления композитов, работающих в области Т < 200⁰C, применяют полимерные матрицы. Именно к этой группе относится большинство композитов.

1. Стеклопластик– короткие стеклянные волокна в матрице из полиэфирной смолы. Этот композит применяется для изготовления корпусов автомобилей, лодок, различных бытовых приборов.

2. Термореактивные пластики – полимеры, в которых поперечные связи между цепями образуют молекулярную структуру с жёсткой трёхмерной сеткой. «Сшивка» связей в поперечном направлении обеспечивает более высокую термостойкость. Такими полимерами являются эпоксидные смолы. Но в последнее время стали использовать полимерные смолы, выдерживающие нагрев до 350⁰С.

Для более высоких температур применяются металлические матрицы. При этом разработчикам приходится считаться с большой массой деталей из композита, даже если применять металлы с малой плотностью – алюминий, магний, титан.

Материал, кроме теплостойкости, обладает и прочностью, которая дополняет прочность волокон, а пластичность металла придаёт композиту свойство вязкости. Наконец, для очень высоких температур применяют керамические матрицы. Недостатки керамики – отсутствие пластичности, волокна как раз и тормозят распространение трещин в керамике.

Итак, выбор материала матрицы определяется в первую очередь рабочей температурой композиционного материала.

Рассмотрим принципы выбора материала волокон.

Волокна, вследствие соотношения W~1/d, прочны из любого материала: из металлов, керамики, полимеров и углерода, но по другим свойствам они сильно различаются. Например, по прочности (по сопротивлению разрушению на растяжение) стеклянные волокна равны или даже чуть выше углеродных, но по жёсткости они существенно различаются: стекловолокно сильно растягивается (на 2…5%); углеродное волокно почти не деформируется. Поэтому, когда требуется жёсткость при больших нагрузках, стекловолокно не применимо.

В изделиях, подвергающихся ударам, требуется композит с высокой ударной прочностью. Мощным стимулом для разработки таких композитов явилась военная техника, требующая пуленепробиваемых материалов. Ни стекло, ни углерод для этого не подходят. Применяют менее жесткое, но ударопрочное полимерное армидное волокно.

Важнейшим принципом выбора волокна является его химическая совместимость с материалом матрицы. Для обеспечения синергизма требуется хорошее смачивание материала волокна расплавленной, ещё не затвердевшей матрицей при изготовлении композита. В то же время при взаимодействии с матрицей в процессе изготовления композита не должно протекать химических реакций, разрушающих волокно. Примерами могут служить полимерные волокна, которые обугливаются в расплаве металла, и углеродные, которые окисляются.

Если матрица смачивает волокно, то связь между ними возникает либо за счёт межмолекулярного сцепления, либо за счёт химической реакции (последняя как раз и нежелательна).

Таким образом, в выборе материала волокон руководствуются четырьмя критериями:

• видом прочности композита (постоянной или ударной);

• жёсткостью (деформируемостью) композита;

• смачиванием волокна и его химической устойчивостью в расплаве матрицы.

7.3 Принципы выбора структуры композита и способа его изготовления

Внутренняя структура упорядоченного композита (геометрия армирования) может быть различной, и от этого существенно зависят его свойства.

Наиболее простая геометрия высокопрочного композита напоминает строение фанеры (в этом случае обычно используют полимерную матрицу). Волокна сматывают с бобин, подвергают поверхностной обработке, улучшающей адгезию, протягивают в ванну, где их покрывают полимерной смолой. В результате смола скрепляет волокна в плоский жгут – ленту. Готовые ленты собирают в слоистый листовой материал (аналог фанеры) или же наматывают в сложную форму. Собранный в листы или намотанный материал отверждают термообработкой.

Слои можно накладывать поочередно с разным направлением волокон и формировать в композите клетчатую структуру арматуры. Это придаёт материалу жёсткость.

Недостатком такого композита является отсутствие поперечного армирования в каждом отдельном слое и между слоями, поэтому материал может расслаиваться. Наиболее употребляемые виды плетения арматуры:

• обычный двухосный тканый материал (имеет высокую прочность);

• трёхмерная ортогональная система (состоит из пучков волокон, повышает ударную прочность (вязкость) материала).

Выбор конфигурации арматуры композита определяется следующими факторами:

• зависимостью прочности композита от ориентации волокон;

• гибкостью волокон;

• экономическими затратами на изготовление арматуры.

Выбор материала матрицы и геометрической структуры композита диктует выбор способа его изготовления. Способы изготовления композитов с металлической матрицей ещё не устоялись. Трудности связаны с высокими температурами, при которых происходит пропитка волокон металлическим расплавом. При высоких температурах протекают химические реакции на поверхности волокон. Если химическая реакция затрагивает тонкий слой, то это даже упрочняет связь волокон с матрицей, но если слой утолщается, то продукты реакции могут сильно ослабить эту связь и, кроме того, волокно может разрушиться.

Сегодня разрабатывается ряд низкотемпературных способов изготовления композитов с металлической матрицей. Все они прямо или косвенно основаны на диффузионном связывании.

При прямом диффузионном связывании используют нанесение фольги или порошка металла на волокно и нагрев при температурах ниже температуры плавления металла. В ряде случаев более эффективно диффузионное связывание происходит при высоких давлениях.

Примером непрямого диффузионного связывания (хотя это определение и не точно) является способ лазерного воздействия на композит. Композиты с керамической матрицей не всегда можно изготавливать путём её расплавления. Поэтому иногда используют традиционное спекание, как и при изготовлении обычной керамики. Длинные волокна в этом случае пропитывают суспензией керамического порошка в жидкости – «пластификаторе». При спекании под давлением пластификатор выгорает, частицы керамики уплотняются. Это аналог горячего прессования.

Техника изготовления композитов с матрицей из стекла традиционна, поскольку стёкла легко размягчаются.

Сложные композиты изготавливают в несколько стадий. Углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, принадлежащей к термореактивному типу. Потом собранные волокна нагревают в атмосфере инертного газа. Происходит пиролиз смолы, и остаётся аморфный углерод. Его снова покрывают смолой и повторяют пиролиз. После многократного повторения операций получают прочный малопористый композит.

Перспективен и другой метод: осаждение углерода, полученного пиролизом газовой среды, состоящей из углеродосодержащих органических соединений. Помимо обычного термического пиролиза, возможно применение лазерного пиролиза.

7.4 Прогноз свойств упорядоченных композитов

Свойства композита определяются усредненными характеристиками материалов матриц и волокон. Здесь существенны две задачи: найти способ усреднения и определить зависимость параметров композита от геометрической структуры. Усреднение не арифметическое, а некое функциональное. Иначе говоря, задача теории состоит в предсказании связи свойств композита с внешним воздействием по известным «парциальным» параметрам матрицы, волокна и их компоновке.

Под парциальными параметрами понимают жёсткость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения и т.д., формирование которых преследуется при разработке композита. Эта задача пока частично решена для простого слоистого композита. Так, параметр жёсткости в таком композите моделируется системой пружин. Вдоль оси волокон жёсткость матрицы и волокон работает параллельно. Это аналогично действию двух пружин, слабая пружина моделирует матрицу, а сильная волокно. Общая жёсткость определяется пружиной с большей жёсткостью (волокно).

К сожалению, приведённым примером почти исчерпываются теоретические исследования в области поиска связи параметров композита с «парциальными» параметрами его компонентов.