Materiały kompozytowe

w osnowie metalowej

Definicja

Kompozyt metalowy to materiał wytworzony przez

człowieka, którego komponentami są: osnowa, będącej

metalem oraz wzmocnienia. Fazy nie rozpuszczają się w

sobie całkowicie a powstały kompozyt ma właściwości

różne (lepsze lub inne) niż każdy z komponentów z

osobna. Wszystkie komponenty występują w całej

objętości kompozytu.

Wiązania metaliczne

Wiązanie metaliczne polega na uwspólnianiu elektronów

walencyjnych między atomami tworzącymi wiązanie. W

wyniku czego elektrony tworzą tzw. Chmurę elektronową

która otacza kationy metalu.

Własności

1. Dobra przewodniość elektryczna

2. Duża wytrzymałość mechaniczna

3. Wysoka temperatura topnienia

4. Kowalność

5. Duży współczynnik rozszerzalności cieplnej

Materiały kompozytowe o osnowie

metalowej:

Jako osnowy metaliczne stosuje się stopy: aluminium,

magnezu, tytanu, ołowiu, cynku, srebra, niklu i miedzi.

Stopy te podzielić można na cztery grupy:

• Stopy metali lekkich (Mg, Al) - które przeznaczone są do

wytwarzania kompozytów stosowanych w lotnictwie i

przemyśle samochodowym. Wynika to z ich niskiego

ciężaru właściwego oraz niskiej temperatury topnienia

i stosunkowo łatwych technologii wytwarzania.

• Stopy srebra i miedzi - to osnowy kompozytów

wykazujących dobre właściwości cieplne i elektryczne.

• Stopy niklu- to stopy kompozytów żarowytrzymałych.

• Stopy ołowiu i cynku - to osnowy kompozytów o dobrych

właściwościach ślizgowych.

Stopy metali lekkich

(Mg, Al, Ti)

- Małą gęstość
- Niska temperatura topnienia
- Łatwa technologia wytwarzania

Stopy magnezu

- Małą gęstość
- Dobra wytrzymałość
- Odporność na korozje
- Dobra obrabialność
- Dobre własności odlewnicze
i szczelność

Dodatki stopowe:
- Aluminium
- Cynk
- Mangan
- Krzem
- Cer
- Cyrkon

Stopy aluminium

- Dobry stosunek wytrzymałości do ciężaru własnego (większy niż dla stali)
- Udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury
- Niska wytrzymałość zmęczeniowa

Stopy tytanu

- Duża wytrzymałość
- Duża odporność na korozję w wodzie morskiej

Dodatki stopowe:
- Glin
- Mangan
- Żelazo
- Wanad

- Cyna
- Molibden
- Chrom

Stopy miedzi

Własności:
- Wysokie własności wytrzymałościowe
- Korzystne własności cieplne i elektryczne

Dodatki stopowe:
- Cynk
- Cyna
- Aluminium
- Beryl
- Krzem
- Nikiel
- Mangan
- Ołów

Stopy miedzi

Mosiądz

(miedź – cynk)

Brąz

(miedź – cyna)

Mosiądz

- Podatne na obróbkę plastyczną
- Odporność na korozje
- Skrawalność
- Dobre właściwości ślizgowe
- Odporność na ścieranie
- Odporność na podwyższoną temperaturę

Brąz

- Dobre własności odlewnicze
- Odporność na duże obciążenia statyczne
- Odporność na obciążenia udarowe
- Odporność na korozje
- Odporność na ścieranie

Stopy srebra

Własności:
- Dobre przewodnictwo cieplne
- Dobre przewodnictwo elektryczne
- Odporność korozyjna w atmosferze powietrza i wilgoci
oraz na wiele zasad i kwasów organicznych

Stopy niklu

Dodatki stopowe:
- do 20% Cr
- do 20% Mo
- do 10% Fe
- niewielkie dodatki Si, Mn, Ti, V , W

Stopy ołowiu i cynku

Pierwiastki dodawane w celu zwiększenia twardości oraz odporności na ścieranie :
- Antymon
- Cyna
- Arsen
- Kadm
- Tellur

Własności:
- Odporność na korozje atmosferyczną
- Dobra lejność
- Odporność na ścieranie

Materiał osnowy metalowej w technologiach wytwarzania

kompozytów

występuje w postaci:

- ciekłego stopu, nasycającego włókna zbrojące lub do którego wprowadza się

cząstki

zbrojące

- ciekłego stopu eutektycznego, poddawanego krystalizacji kierunkowej w celu

bezpośredniego utworzenia zbrojenia i uzyskania w ten sposób kompozytu „ in

situ ’’

- proszku mieszanego ze zbrojeniem, występującego zwykle

w postaci cząstek lub wiskersów

- blach lub taśm, pomiędzy które wkłada się zbrojenie włókniste i poddaje

prasowaniu

lub walcowaniu na gorąco

Metody wytwarzania powłok

metalowych

Różnorodność stosowanych obecnie

technik wytwarzania materiałów
kompozytowych zebrać można w dwie
zasadnicze grupy:
• Metody pośrednie (wielooperacyjne)
• Metody bezpośrednie

Wybór odpowiedniej metody jest

uzależniony od szeregu czynników:
- Warunków pracy kompozytu
- Rodzaju stosowanych materiałów
- Właściwości tych materiałów
- Możliwości techniczko-

ekonomicznych producenta

Metody pośrednie

Wymagają one wielu operacji
przygotowawczych do ostatecznego
wytworzenia kompozytu. Składają się na
nie: wykonanie elementów umacniających
w postaci włókien (czy wickersów),
przygotowanie ich powierzchni do
właściwego połączenia z osnową
odpowiednie ukierunkowanie włókien.
Niedotrzymanie właściwej powierzchni
kontaktu osnowa-włókno (jej chemiczne
lub mechaniczne uszkodzenie) prowadzi
do osłabienia wytrzymałości kompozytu.

Metody pośrednie

Metoda ciekłej osnowy
Technologie tej grupy wykonywane są na podstawie
przygotowania osnowy w stania ciekłym. Kompozyt
wytwarzany jest przez prawidłowe rozmieszczenie
włókien w żaroodpornej formie, nagrzanie jej do
wysokiej temperatury w atmosferze ochronnej i
następnie zalanie ciekłym metalem. Właściwe
związanie włókien z osnową odbywa się podczas
krzepnięcia osnowy i dalszego stygnięcia kompozytu.
Dla ułatwienia przebiegu tego procesu stosuje się
wibracje, która pozwala wyeliminować porowatość
kompozytu.

Metody pośrednie

Metoda przeróbki plastycznej
Ta grupa technologii wykorzystuje
procesy walcowania, prasowania
i wyciskania wcześniej
przygotowanych materiałów.
Wstępny proces przygotowania
obejmuje wykonanie pakietów (na
przemian ułożone taśmy i włókna) lub
rulonów (tak włókna, jak i osnowa są w
postaci taśm razem zwiniętych).

Metody pośrednie – metoda

przeróbki plastycznej

Tak przygotowany wstępnie materiał
podgrzewa się w komorach i poddaje
sprasowaniu w atmosferach
ochronnych. W czasie tego procesu
ulegają odkształceniu i ta cecha
materiałów ogranicza ich stosowanie
jako kompozytu.
Do wyeliminowania odkształceń
włókien pokrywa się je cienką
warstewką metalu o dużej
plastyczności.

Metody pośrednie – metoda

przeróbki plastycznej

Metodą prasowania można otrzymywać także kształtowe
produkty kompozytowe.
Włókna 4 nawinięte są na rurę 5 z
materiału osnowy. Rura wyciskana
jest cieczą pod wysokim ciśnieniem,
co zabezpiecza odkształcenie
produktu i wzajemne związanie
poszczególnych warstw osnowy z
włóknami.
Metoda ta pozwala otrzymać rury
aluminiowe zbrojone drutami stalowymi oraz pręty ze
stopu Ti-Al6-V4 zbrojone drutem berylowym.

Metody pośrednie

Metoda metalurgii proszków
Technologia otrzymywania kompozytów opiera się na szeregu
procesach, które obejmują kolejno następujące czynności:
- Przygotowanie proszku materiału osnowy
- Przygotowanie powierzchni drutów zbrojących
- Ułożenie drutów w formie prasującej i zasypanie jej proszkiem

osnowy

- Prasownia (na zimno lub gorąco)
- Spiekanie w próżni lub atmosferze ochronnej
- Odkształcenie plastyczne przeciąganiem lub walcowaniem
- Obróbka cieplna kompozyty
Metoda ta stosowana jest dla stopów nikklu , wolframu,
aluminium i magnezu.

Metody bezpośrednie

Przygotowanie właściwej

powierzchni kontaktu osnowa-włókno
jest w tej metodzie zbyteczne.
Ponieważ obydwie fazy wydzielają się
równocześnie w procesie krystalizacji,
ustalając wzajemny skład chemiczny,
koherencje i tym samym wytrzymałość
kompozytu.

Metody bezpośrednie

Otrzymywanie kompozytów poprzez proces
jednostopniowy związane jest z wykorzystaniem
przemian fazowych ciecz-kryształ (w procesie
kierunkowego krzepnięcia) bądź w stanie
stałym (rozpad eutektoidalny).
Jeżeli w czasie przemiany powstają dwie fazy, to
przez sterowanie parametrami procesu
(gradientem temperatury, prędkością
przemiany, składem wyjściowym stopu i
kierunkiem odprowadzania ciepła) można
otrzymać kompozyt.

Metody bezpośrednie

Obie fazy kompozytu powstają równocześnie ze
stanu ciekłego, w rezultacie czego uzyskuje się "in
situ" anizotropową mikrostrukturę. Istotną cechą
kompozytów "in situ" jest zachowanie wytrzymałości
w temperaturach bliskich punktu topnienia eutektyki
oraz dobre wiązanie między obiema fazami.
Morfologia struktury kierunkowo krzepnącej
eutektyki zależy od składu chemicznego stopu i
warunków wzrostu eutektyki. Sterowanie procesem
krystalizacji sprowadza się do jednokierunkowego
odprowadzania ciepła i regulacji ilości
odprowadzanego (i wydzielanego) ciepła.

Metody bezpośrednie

Metody krzepnięcia kierunkowego eutektyk obejmują cały szereg metod
stosowanych od lat do otrzymywania monokryształów. Jeżeli chodzi o
grupę metod opartych na otrzymywaniu kompozytów z fazy ciekłej, to
możemy wyróżnić w nich następujące sposoby:
- tyglowe lub beztyglowe,
- poziome bądź pionowe,
- z ruchomym elementem grzewczym lub ruchomą formą odlewniczą,
- ciągłe, półciągłe.

Z praktycznego punktu widzenia istotne znaczenie mają rozwiązania
ciągłe, pionowe , z ruchomym stolikiem, na którym ustawiony jest tygiel
bądź forma odlewnicza. W ramach takich rozwiązań wyróżnić można
cztery podstawowe metodyki: Bridgmana -Stockbargera, Czochralskiego,
topienia strefowego i odlewania ciągłego .

Metody bezpośrednie – metoda

Bridgmana-Stockbargera

Metody bezpośrednie – metoda

Bridgmana-Stockbargera

Metoda Bridgmana wykorzystana została również szeroko
do przemysłowego otrzymywania odlewów o strukturze
ukierunkowanej. Spośród wielu metod technologicznych
można tutaj wyróżnić trzy grupy rozwiązań:
- urządzenia do prowadzenia procesu krystalizacji techniką
obniżania mocy (metoda PDP) ,
- urządzenia do przelewania ciekłego stopu z pieca, gdzie
został roztopiony, do formy odlewniczej w drugim piecu,
nagrzanej do temperatury powyżej likwidusu stosowanego
stopu (metoda HRS),
-urządzenia do zanurzania formy z zakrzepłym stopem w
innym ciekłym metalu, podczas kierunkowego krzepnięcia
(metoda LMC).

Metoda bezpośrednia – metoda

Czochralskiego

Podstawowym mankamentem tego procesu są trudności w

utrzymaniu odpowiedniego gradientu temperatury ponieważ
zakrzepły kryształ znajduje się nad cieczą i odprowadza
ciepło wskutek promieniowania. Istotnym usprawnieniem
procesu było wprowadzenie przez B. Chalmersa technologii
otrzymywania kryształów o zadanym kształcie.

Dla uzyskiwania kompozytów kształtowych muszą być

jednak spełnione dwa podstawowe warunki:
- materiał formy winien być obojętny w stosunku do cieczy
(Mo , W) ,
- materiał formy winien być zwilżalny cieczą, aby zapewnić
dobre
je j wnikanie do wnęki formy.