Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 18 )

2. Дополнительные технологические операции используют для достижения чистоты поверхности и точности (механическая обработка, калибровка), для получения физических и механических свойств - химико-термическая обработка, различные пропитки, повторное прессование и спекание.

Механическая обработка имеет особенности, вызванные пористостью материала. Режущий инструмент испытывает микроудары, приводящие к его быстрому затуплению. Для обработки применяют твердые сплавы; для получения высокой чистоты поверхности применяют алмазный инструмент.

Повторные прессование и спекание позволяют получать детали с более высокой плотностью. Промежуточные отжиги, снимая наклеп в зернах заготовки, способствуют дальнейшему их уплотнению при относительно небольшом давлении. Процесс повторного прессования осуществляют в тех же пресс-формах или в пресс-формах с повышенной точностью изготовления формообразующих деталей. В производственных условиях, как правило, ограничиваются двукратным прессованием и спеканием.

3. Пропитка изделий маслом (машинным или веретенным) при тем-пературе 110 – 120 оС происходит в течение 1 часа. Масло заполняет поры изделий и в процессе работы поступает по капиллярам к поверхности трения. Это в ряде случаев позволяет избавиться от смазки изделий в процессе работы и улучшает условия эксплуатации трущейся пары.

4. Химико-термическая обработка позволяет улучшить механические свойства изделий, расширить область их применения.

Н и т р о ц е м е н т а ц и я увеличивает износостойкость деталей в 30 раз при содержании азота до 1%; коррозионная стойкость увеличивается по сравнению со спеченными в 6- 8 раз.

Д и ф ф у з и о н н о е х р о м и р о в а н и е увеличивает износо - и коррозионную стойкость в несколько раз.

Г а л ь в а н и ч е с к и е п о к р ы т и я имеют особенность, вызванную наличием пор. Для предотвращения проникновения электролита в поры необходимо их заполнение. Это достигают за счет тщательной шлифовки и полировки - образуется уплотненный наружный слой с малой пористостью.

К а л и б р о в а н и е применяют для получения размеров 6-11 квалитета точности и Ra=1,25 – 0,32 мкм. Калибруют как по одному (наружному или внутреннему диаметру), так и по нескольким параметрам. Нужно иметь в виду, что минимальный припуск необходимо брать в пределах 0,05 - 0,07 мм. Детали, имеющие в структуре цементит, необходимо перед калибровкой отжигать.

Глава 3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

3.1. Общая характеристика и классификация
композиционных материалов

Композиционные материалы по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные сплавы (рис. 3.1). Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом материалу придают по возможности форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкции.

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Принцип создания композиционных материалов заимствован у природы. Примером естественных композиционных материалов могут служить стволы и стебли растений, кости человека и животных. В дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином, в костях тонкие прочные нити фосфатных солей - пластичным коллагеном.

Рис. 3.1. Удельная прочность и удельный модуль упругости некоторых сплавов и композиционных материалов, армированных 50 об. % волокон:

1 - алюминий, 2 - титан и сталь, 3 - титан, армированный бериллиевой проволокой, 4 - титан, армированный волокнами SiC, 5 - титан, армированный волокнами борсика, 6 - алюминий, армированный борными волокнами, 7 - эпоксидная смола, армированная волокнами графита, 8 - эпоксидная смола, армированная борными волокнами

Свойства композиционных материалов в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Отличительной особенностью композиционных материалов является то, что в них проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Вместе с тем, композиционным материалам присущи свойства, которыми не обладают отдельно взятые компоненты, входящие в их состав. Для оптимизации свойств композиций выбирают компоненты с резко отличающимися, но дополняющими друг друга свойствами.

Основой композиционных материалов (матриц) служат металлы или сплавы (композиционные материалы на металлической основе), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (композиционные материалы на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы в значительной степени зависят технологические режимы получения композиционных материалов и такие важные эксплуатационные характеристики, как рабочая температура, сопротивление усталостному разрушению, воздействию окружающей среды, плотность и удельная прочность. Созданы композиционные материалы с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоев (двух или более) различного химического состава.

Композиционные материалы с комбинированными матрицами называют полиматричными (рис. 3.2а). Для полиматричных материалов характерен более обширный перечень полезных свойств. Например, использование в качестве матрицы наряду с алюминием титана увеличивает прочность материала в направлении, перпендикулярном оси волокон. Алюминиевые слои в матрице способствуют уменьшению плотности материала.

Рис. 3.2. Схемы полиматричного (а) и полиармированного (б)
композиционных материалов

В матрице равномерно распределены остальные компоненты (наполнители). Поскольку главную роль в упрочнении композиционных материалов играют наполнители, их часто называют упрочнителями. Упрочнители должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости. По этим свойствам они значительно превосходят матрицу. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства композиционного материала, хотя они и не достигают характеристик наполнителя. Наполнители называют еще армирующими компонентами. Это более широкое понятие, чем «упрочнитель». Оно не конкретизирует роль наполнителя и поэтому показывает, что наполнитель вводится в матрицу для изменения не только прочности, но и других свойств.

3.2. Классификация композиционных материалов
по геометрии наполнителя

Свойства композиционного материала зависят не только от химсостава, но и от формы или геометрии, размера, количества и характера распределения наполнителя (схемы армирования).

По форме наполнители разделяют на три основные группы (рис. 3.3 а): нульмерные (1), одномерные (2), двумерные (3).

Рис. 3.3. Классификация композиционных материалов по
форме наполнителя (а) и схеме армирования (б, в, г)

Нульмерными называют наполнители, имеющие в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы). Одномерные наполнители имеют малые размеры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в третьем измерении (волокна). Двумерные наполнители имеют два размера, соизмеримые с размером композиционного материала, значительно превосходящие третий (пластины, ткань).

По форме наполнителя композиционные материалы разделяют на дисперсно-упрочненные и волокнистые. Дисперсно-упрочненными называют композиционные материалы, упрочненные нульмерными наполнителями. К волокнистым относят композиционные материалы, упрочненные одномерными или одномерными и двумерными наполнителями.

По схеме армирования композиционные материалы подразделяют на три группы: с одноосным, двухосным и трехосным армированием (см. рис. 3.3, б-г).

Для одноосного (линейного) армирования используют нульмерные и одномерные наполнители (см. рис. 3.3, б). Нульмерные располагаются так, что расстояние между ними по одной оси (например, по оси х) значительно меньше, чем по двум другим. В этом случае объемное содержание наполнителя составляет 1 - 5 %. Одномерные наполнители располагаются параллельно друг другу.

При двухосном (плоскостном) армировании используют нуль-, одно - и двумерные наполнители (см. рис. 3.3, в). Нульмерные и одномерные наполнители располагаются в плоскостях, параллельных друг другу. При этом расстояние между ними в пределах плоскости значительно меньше, чем между плоскостями. При таком расположении нульмерного наполнителя его содержание доходит до 15 - 16%. Одномерные наполнители расположены также в параллельных плоскостях. При этом в пределах каждой плоскости они расположены параллельно, а по отношению к другим плоскостям под разными углами. Двумерные наполнители расположены параллельно друг другу.

При трехосном (объемном) армировании нет преимущественного направления в распределении наполнителя. Для армирования используют нульмерные и одномерные наполнители (см. рис. 3.3, г). Расстояние между нульмерными наполнителями одного порядка. В этом случае их объемное содержание может превышать 15-16%. Одномерные наполнители помещают в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

Для расширения комплекса свойств или усиления какого-либо свойства при армировании композиционных материалов одновременно используют наполнители различной формы. Например, для увеличения прочности связи между одномерными наполнителями (стеклянным или углеродным волокном) и полимерной матрицей в нее вводят нульмерный наполнитель (частицы асбеста, карбида кремния и др.). С этой же целью применяют армирование наполнителями одной формы, но разного состава. Так, для повышения модуля упругости композиционных материалов с полимерной матрицей, армированной стеклянным волокном, дополнительно вводят волокна бора.

Композиционные материалы, которые содержат два и более различных наполнителя, называют полиармированными (см. рис. 3.2, б).