Армирующие материалы и их свойства

С целью упрочнения КМприменяют высокопрочную проволоку из стали, молибдена, вольфрама и других металлов и их сплавов; волокна из бора, углерода, стекла, а также монокристаллы из оксидов, нитридов алюминия, кремния и других соединений.

В таблице 5.1. приведены свойства проволок, волокон и нитевидных кристалловдля армирования композиционных материалов.

Таблица 5.1. Свойства волокон, проволоки и нитевидных кристаллов для армирования композиционных материалов

Проволоки– наиболее экономичный и доступный армирующий материал. Стальные и бериллиевые приволокиприменяют в композиционных материалах, эксплуатируемых при низких и умеренных температурах, а вольфрамовые и молибденовые – при умеренных и высоких.

В настоящее время для упрочнения композиционных материалов используют проволочные волокна из сталей аустенитного, аустенитно-мартенситного и мартенситного классов.

Волочение проволок из сталей аустенитного класса (XI8H9, X18Н10Т и др.) проводятс обжатиями более 92%, что резко увеличивает их прочность и значительно снижает пластичность. Такие повышенные обжатия в процессе изготовления проволок с аустенитной структурой выполняют при окончательном волочении. При производстве проволок с мартенситной структурой величина единичных обжатий обычно ниже и определяется температурой в зоне деформации. Заданная температура и соответствующая степень пластической деформации обеспечивают протекание и завершение γ→α – превращения в процессе волочения на окончательный размер. Для увеличения эффективностипроцесса превращения нестабильного аустенита в мартенсит заготовки охлаждают до отрицательных температур.

Прочность проволоки с мартенситной структурой превышает прочность проволок с аустенитной структурой на 46 – 50%.

Из сталей 30X13, X17Н2, 13Х14Н3ФА мартенситного класса получают высокопрочные проволоки закалкой с температур 950–1000 °С воду или масло и отпуском. Так, проволока из стали 30X13 после закалки и отпуска, при 200 °С имеет прочность 2000 МПа.

Разупрочнение проволок из сталей аустенитногои мартенситного классов происходит после выдержки при 380 – 400 °С.

Сталь аустенитно-мартенситного класса 20Х15Н5АМ3 сохраняет прочностные свойства до 480 – 500 °С. Эта сталь упрочняется в большей степени после холодноговолочения с суммарным обжатием(80%) и промеpжуточными отжигами при 450 °С,чем стали аустенитного класса. После такой обработки проволока из стали 20ХНН5АМ3 имеет прочность до 3200 МПа.

Прочность проволок зависит от диаметра и возрастает с его умень­шением.

Проволоки из вольфрама и молибдена.

Высокопрочные проволоки из вольфрама и молибдена и их сплавов изготавливают методами порошковой металлургии с последующим волочением. В качестве присадок, обеспечивающих требуемый уровень прочностных свойств, при производстве вольфрамовых проволок используют оксиды ThO₂, SiO₂, La₂O₃ и др. Волочению подвергают штабики диаметром 2,75 мм, полученные прессованием в стальных формах при давлении 4 – 6 тс/см² на гидравлических прессах и последующего спекания при температурах до 3000°С. Температура волочения на начальных стадиях деформирования составляет 1000 °С и постепенно снижается до 400 – 600 °Сна заключительных стадиях. В процессе изготовления вольфрамовую проволоку подвергают нескольким промежуточным отжигам. Первый проводит при 800 °С в газовой печи при диаметре проволоки 0,5 мм, с тем чтобы придать поверхности некоторую шероховатость и увеличить смачиваемость ее смазкой. Последующие промежуточные отжиги проводят при 600—750°Ссодновременным волочением проволоки через фильеры с диаметром 0,3; 0,12 и 0,05 мм.

Свойства вольфрамовых проволок диаметром 0,5 мм различных марок при температурах 1000—1200°С приведены в табл. 5.2

Таблица 5.2. Свойства вольфрамовых проволок диаметром 0,5 мм марок ВА (W с присадками SiO₂ и Al), ВТ-15 (W с присадками 2% ThO₂), ВР-20 (сплав W с 20% Re)

Марка проволоки	Температура, °С	Прочность МПа	Длительная прочность за 100 ч., МПа	Предел ползучести для  ч-1, МПа
ВА	900	1320	630	760
	1000	1130	480	630
	1100	–	350	470
	1200	740	330	380
ВТ-15	900	–	–	–
	1000	1200	660	830
	1100	1090	440	600
	1200	850	410	520
ВР-20	900	2670	1170	1950
	1000	2140	1060	1300
	1100	1990	420	690
	1200	1390	240	350

Проволока из вольфрамо-рениевого сплава до 1100 °С имеет более высокую длительную прочность. Однако при 1200°С длительная прочность проволоки ВТ-15, содержащей добавку диоксида тория, превосходит длительную прочность проволоки ВР-20. Диоксид тория стабилизирует структуру вольфрама и повышает температуру рекристаллизации. Высокие прочностные свойства проволок из вольфрама, молибдена, тантала сохраняются до 1200 – 1500 °С.

Молибденовую проволоку получают по такой же технологии, как и вольфрамовую. Молибден, отличающийся от вольфрама повышенной пластичностью, обрабатывают при более низких температурах (на 100 – 200 °С), чем вольфрам. Так, молибден без присадок может деформироваться с диаметра 0,3 до 0,02 мм без нагрева.

Вольфрамовую и молибденовую проволоку целесообразно применять для армирования жаропрочных композиционных материалов.

Бериллиевая проволока. Бериллии обладает малой плотностью (1850 кг/м³) и в сочетании с большой прочностью и модулем упругости Юнга обеспечивает наиболее высокие значения удельных характеристик:прочности и жесткости.

Волочение бериллиевой проволоки ведут с подогревом до 400 – 480 °С. При этих температурах пластичность бериллия высокая и близка кпластичности малоуглеродистых сталей. Волочение бериллия осуществляют в металлической оболочке из пластичного металла (никеля). После волочения оболочку удаляют стравливанием покрытия и выполняют сглаживание поверхности проволоки электрохимической полировкой. В качестве оболочки может использоваться и материал матрицы композиции, что исключает операции электрохимического травления и полирования.

Так, бериллиевая проволока диаметром 1,8 мм имеет при растяжении σ_в= 1129 МПамодуль упругости E=320·10^-3 МПа, что соответствует удельным прочности (60 км) и жесткости (17300 км).

В сильнодеформированном состоянии бериллиевая проволока имеет высокую температуру рекристаллизации (700 °С). К недостаткам, препятствующим использованию бериллиевой проволоки в композиционных материалах, относят его низкую пластичность (δ=1–2%).

Бериллиевую приволоку чаще применяют для упрочнения матриц с малой плотностью — алюминиевой, магниевой или титановой.