POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY

INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH

Instrukcja dla studentów

Temat:

STRUKTURA,WŁASNOŚCI I ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW O OSNOWIE METALOWEJ

1. Wstęp

Metalowe materiały kompozytowe stały się liczną grupą materiałów, których własności mechaniczne mogą być kształtowane różnymi technikami. Zaplanowany zespół własności można osiągnąć, dobierając odpowiednią osnowę, rodzaj umocnienia jego zawartość, rozmieszczenie, metodę wytwarzania oraz szereg innych parametrów.

2. Wiadomości podstawowe

1. Metale

Metale i ich stopy określone zostały jako substancje, które w skondensowanych stanach skupienia, tj. w stanach ciekłym i stałym, odznaczają się określonym zespołem cech, wyróżniających je spośród niemetali oraz innych grup materiałów.

Metale należą do materiałów krystalicznych charakteryzujących się prawidłowym rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. Między atomami metali występują wiązania metaliczne.

Do metali zalicza się ok. 80 pierwiastków chemicznych i ich stopy, tj. substancje składające się z dwóch lub większej liczby pierwiastków chemicznych, które zachowują jednak właściwości charakteryzujące metale. W strukturze stopów mogą występować mieszaniny składników, roztwory stałe lub ich mieszaniny bądź fazy międzymetaliczne. Właściwości stopów zależą od ich struktury oraz od rodzaju i stosunku składników.

W warunkach normalnych metale występują w stanie stałym (z wyjątkiem rtęci). Są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Zwykle występują w postaci rud, z których są uzyskiwane różnymi metodami metalurgicznymi.

Metale i ich stopy cechują następujące własności:

• dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,

• dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności,

• metaliczny połysk, polegający na odbijaniu promieni świetlnych od wypolerowanych powierzchni,

• plastyczność, czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.

1. Materiały osnowy kompozytów metalowych

Jako osnowy metaliczne stosuje się stopy: aluminium, magnezu, tytanu, ołowiu, cynku, srebra, niklu i miedzi. Stopy te podzielić można na cztery grupy:

1. 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.

2. Stopy srebra i miedzi - to osnowy kompozytów wykazujących dobre właściwości cieplne i elektryczne.

3. Stopy niklu- to stopy kompozytów żarowytrzymałych.

4. Stopy ołowiu i cynku - to osnowy kompozytów o dobrych właściwościach ślizgowych.

Stopy metali lekkich (Mg, Al, Ti). Charakteryzują się małą gęstością, niską temperaturą topnienia i stosunkowo łatwą technologią wytwarzania. Kompozyty z osnową metali lekkich wykazują duży wzrost modułu właściwego i wytrzymałości właściwej w wyniku jednoczesnego wzrostu wytrzymałości na rozciąganie i modułu sprężystości E, przy zachowaniu niskiego ciężaru.

Stopy magnezu cechują się dobrą wytrzymałością i bardzo małą gęstością. Jako dodatki stopowe stosuje się tu m.in.: aluminium, cynk, mangan, krzem, cer, cyrkon. Stopy te charakteryzują się: odpornością na korozję, dobrą obrabialnością, dobrymi właściwościami odlewniczymi i szczelnością.

Stopy aluminium charakteryzują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali, a ich udarność nie maleje w miarę obniżania temperatury. Wadą tych stopów jest niska wytrzymałość zmęczeniowa.

Głównymi dodatkami stopowymi tytanu są: Al, Sn, Mo, V, Mn, Fe, Cr. Pierwiastki te zwiększają jego wytrzymałość. Stopy tytanu wykazują dużą odporność na korozje w wodzie morskiej.

Stopy srebra i miedzi. Stopy te charakteryzują się korzystnymi właściwościami cieplnymi i elektrycznymi.

Stopy miedzi stosowane są ze względu na wysokie własności wytrzymałościowe. Pierwiastki stopowe to głównie: cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan i ołów. Najczęściej stosowane stopy miedź-cynk tzw. mosiądze, charakteryzują się podatnością na obróbkę plastyczną, odpornością na korozję, skrawalnością, dobrymi właściwościami ślizgowymi, odpornością na ścieranie i podwyższoną temperaturę. Innymi stopami miedzi są brązy, które wyróżniają dobre własności odlewnicze. Stopy te wykazują odporność na duże obciążenia statyczne, zmienne i udarowe, odporność na korozję i ścieranie.

Stopy srebra cechują się dobrym przewodnictwem cieplnym i elektrycznym, odpornością korozyjną w atmosferze powietrza i wilgoci oraz na wiele zasad i kwasów organicznych.

Stopy niklu - to stopy przeznaczone na kompozyty żarowytrzymałe, stosowane np.: na łopatki turbin. Żarowytrzymałe stopy niklu zawierają główne dodatki do 20% Cr lub do 20% Mo i do 10% Fe, oraz niewielkie dodatki Si, Mn, Ti, V lub W.

Stopy ołowiu i cynku. Stopy te stosowane są na kompozyty o dobrych właściwościach ślizgowych.

Własności wytrzymałościowe ołowiu są bardzo niskie, które zwiększa się przez wprowadzenie dodatków stopowych tj.: Sb, Sn, As, Cd, lub Te. Pierwiastki te zwiększają twardość i odporność na ścieranie.

Stopy cynku charakteryzują się przede wszystkim odpornością na korozję atmosferyczną, dobrymi własnościami przeciwciernymi, dobrą lejnością oraz odpornością 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 (krótkich włókien monokrystalicznych),

• blach lub taśm, pomiędzy które wkłada się zbrojenie włókniste i poddaje prasowaniu lub walcowaniu na gorąco.

1. Włókna wzmacniające

Jednymi z pierwszych materiałów zbrojących są włókna metalowe. Ich zastosowanie wynika głównie z prostoty uzyskiwania. W grupie tej wyróżnia się włókna ze stali chromowo-niklowej, włókna wolframowe, molibdenowe, berylowe, tytanowe. Otrzymuje się je w procesach ciągnienia. Główną wadą włókien metalowych jest duża gęstość oraz reaktywność z osnową metalową.

Włókna metalowe stosuje się obecnie w specjalnych przypadkach, np. włókna wolframowe stosuje się do wytwarzania styków elektrycznych. Wykorzystuje się zatem właściwość cieplną, a nie właściwość umacniającą osnowę.

Dla potrzeb konstrukcji lotniczej opracowane zostały włókna borowe. Uzyskuje się je w wyniku osadzania boru z fazy gazowej na podkładce z włókna metalowego (włókna molibdenowe lub wolframowe o średnicy około 10 μm) lub na włóknach węglowych. Osadzanie realizowane jest poprzez rozkład chlorku boru w temperaturze 1300°C. Dla zabezpieczenia włókien przed reakcją z metalami stanowiącymi osnowę kompozytu na włókna nanosi się również metodą osadzania z fazy gazowej cienką warstwę węglika krzemu. Włókna borowe charakteryzują się, w porównaniu z innymi włóknami największą średnicą dochodzącą nawet do 150 μm.

Podstawę produkcji nowoczesnych kompozytów metalowych stanowią włókna ceramiczne. Zalicza się do nich włókna: szklane, węglowe, korundowe i z węglika krzemu.

Włókna szklane wytwarza się metodą wyciągania z ciekłej masy szklanej, po czym przerabia się je metodami tkackimi. Materiał ceramiczny musi być ukształtowany we włókna o średnicy poniżej 20 μm. Włókna te wytwarzane są w wielu odmianach, najczęściej jednak wykorzystuje się włókno ze szkła E (bezalkalicznego szkła glinowo-borowo-krzemianowego).

Włókna węglowe są obecnie najczęściej stosowanymi włóknami do zbrojenia kompozytów. Otrzymuje się je przez pirolizę (rozkład termiczny) związków organicznych tzw. prekursorów ukształtowanych we włókna. Podstawowym materiałem prekursora przeznaczonym do produkcji włókien węglowych są włókna poliakrylonitrylowe oraz włókna celulozowe.

Włókna korundowe (z tlenku glinu Al₂O₃) są wytwarzane ze związków glinoorganicznych, które rozpuszcza się w wodzie z dodatkiem kwasu winnego, po czym poddaje procesowi odwodnienia w próżni. Z masy tej wytłacza się, a następnie wyciąga włókna. Włókna te poddaje się z kolei procesom suszenia i spiekania.

Włókna z węglika krzemu (SiC) otrzymywane są dwoma metodami:

• metodą osadzania na włóknie węglowym warstwy SiC o grubości 0,5 μm. Włókna takie mają średnicę ok. 60 μm i wytrzymałość ok. 3000 MPa.

• Metodą termicznego rozpadu w wysokiej temperaturze polimerów krzemoorganicznych. Uzyskuje się tu włókna SiC bezrdzeniowe.

1. Zbrojenie nieciągłe

Nieciągłe zbrojenie osnowy polega na wprowadzeniu do niej cząstek, włókna krótkiego lub whiskerów. Zaletami zbrojenia cząstkami są:

• znacznie mniejszy koszt wytwarzania kompozytu w porównaniu ze zbrojeniem włóknami ciągłym,

• możliwość wytwarzania metodami metalurgicznymi (odlewanie, metalurgia proszków),

• uzyskanie podwyższonych właściwości wytrzymałościowych i sprężystych,

• możliwość stosowania w wyższych temperaturach,

• uzyskanie dużej odporności na ścieranie i pękanie.

Cząstki zbrojenia mogą stanowić tlenki, węgliki i borki jednak najczęściej są to Al₂O₃ oraz SiC. Do osnowy wprowadza się zwykle ok. 20 - 35% obj. tych związków. Zmiana właściwości osnowy zależy od ilości wprowadzonych cząstek, ich wymiarów (kilka do kilkuset μm) i kształtu oraz zdolności zwilżania przez osnowę.

1. Właściwości kompozytów metalowych

Kompozyty metalowe wzmocnione cząstkami mają zarówno wady i zalety. Do wad należy m.in. niszczenie z udziałem cząstek lub krótkich włókien spowodowane pęknięciami w cząstkach, w granicy cząstka-osnowa lub powstanie porów w osnowie w miejscach przylegających do cząstek

Ważnym efektem, który uzasadnia celowość stosowania kompozytów z cząstkami jest ich wyższa, w porównaniu do zwykłych stopów, odporność na ścieranie.

Właściwości mechaniczne kompozytów w układzie metal-cząstki zbrojące zależą nie tylko od udziału objętościowego zbrojenia, ale również od charakterystyk mechanicznych łączonych ze sobą komponentów. Odlewnicze stopy aluminium cechują się stosunkowo małą wytrzymałością na rozciąganie i niewielkim odkształceniem plastycznym, natomiast stopy przerabiane plastycznie osiągają duże właściwości na rozciąganie. Wprowadzenie, zatem cząstek ceramicznych do stopów aluminium, w zależności od typu osnowy, wywołuje różne skutki.

W odróżnieniu od kompozytów zbrojonych cząstkami, metalowe kompozyty włókniste mają bardzo wysokie właściwości wytrzymałościowe. Udział objętościowy włókien w tych materiałach jest bardzo duży 35-50%, co zapewnia uzyskanie wytrzymałości na rozciąganie powyżej 1500 MPa.

Zbrojenie stopów włóknami ceramicznymi (węglowymi, z węglika krzemu, włóknami borowymi) zapewnia wysoki poziom wytrzymałości, wysoką wytrzymałość na pełzanie oraz wysoką wytrzymałość w podwyższonej temperaturze.

Zalety kompozytów na osnowie metali:

• wysoka twardość powierzchni,

• możliwość wyciskania na gorąco i stosowania innych metod przeróbki plastycznej,

• wysoka odporność na warunki atmosferyczne,

• wysoka przewodność cieplna i elektryczna,

• wysoka wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe,

• wysoka wytrzymałość poprzeczna,

• wysoka odporność cieplna.

Wady kompozytów na osnowie metalowej:

• wysoka temperatura i ciśnienie formowania,

• trudność kształtowania,

• niemożliwość stosowania tradycyjnych metod zgrzewania.

1. Sposoby wytwarzania kompozytów metalowych

Metody wytwarzania kompozytów o osnowie metalowej dzieli się na:

• Metody bezpośrednie gdzie strukturę kompozytu uzyskuje się w wyniku odpowiedniego procesu technologicznego, np. krzepnięcia i krystalizacji oraz obróbki plastycznej lub cieplnej). Najprostszym przykładem jest zgrzewanie w czasie walcowania na gorąco wcześniej przygotowanych wsadów warstwowych, zbrojonych włóknem (rys 1).

Rys 1. Przykłady przygotowania wsadów warstwowych do walcowania na gorąco: 1-folia osnowy, 2-włókno zbrojące, 3-włókno z materiału osnowy

• Metody pośrednie, które dzielimy na metody z ciekłą osnową (nasycanie swobodne, nasycanie wymuszone, mieszanie i rozpuszczanie) oraz na metody przeróbki plastycznej (wyciskanie, ciągnienie). Przykłady różnych sposobów łączenia włókien z ciekłą osnową przedstawia rysunek2.

Rys 2. Różne sposoby łączenia włókna z ciekłą osnową, a) zasysanie kapilarne, b) wykorzystanie ciśnienia, c) wykorzystanie próżni; 1-włókna, 2-ciekła osnowa,

3-element grzewczy, 4-rura, 5-zamknięcie folią

Istotną cechą wszystkich tych metod jest to, że nie są one uzależnione od rodzaju zbrojenia, można je zatem wykorzystywać do wytwarzania kompozytów zbrojonych zarówno cząstkami jak i włóknami.

Kompozyty metalowe zbrojone cząstkami wytwarza się również metodą metalurgii proszków. Pozwala to na uzyskanie wyrobów o stosunkowo niewielkiej masie.

3. Przebieg zajęć

• Sprawdzian wiadomości studentów z zakresu podstawowych informacji dotyczących kompozytów metalowych,

• Realizacja tematu laboratorium:

- Przegląd prezentacji multimedialnej,

• Dyskusja na temat własności kompozytów metalowych

• Pogawędka na temat struktury omawianych kompozytów, przegląd katalogu struktur i zgromadzonych próbek,

• Omówienie metod wytwarzania kompozytów metalowych,

- Podsumowanie omówionych treści.

4. Pytania kontrolne

1. Wymienić charakterystyczne własności metali.

2. Jakie materiały metalowe są stosowane na osnowę kompozytów?

3. Jakie włókna stosowane są do zbrojenia kompozytów metalowych?

4. W jakiej postaci w technologiach wytwarzania występuje osnowa kompozytów metalowych?

5. Scharakteryzować włókna boru.

6. Wymienić zalety i wady zbrojenia cząsteczkami kompozytów metalowych.

7. Zalety i wady metalowych kompozytów włóknistych.

8. Jakie są pośrednie metody wytwarzania kompozytów metalowych?

9. Metody wytwarzania metalowych kompozytów zbrojonych cząsteczkami.

5. Literatura uzupełniająca

1. Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S. „Kompozyty”, WPW, Warszawa 2000

2. Śleziona J. „Podstawy technologii kompozytów”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998

3. Leda H. „Współczesne materiały konstrukcyjne i narzędziowe”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1996

4. Hyla J. „Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych”, WNT, Warszawa 1996

5. Krzemień E. „Materiałoznawstwo”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001

---