MMC
– kompozity s
kovovou matricí
Přednosti MMC proti kovům
Vyšší specifická pevnost
(ne absolutní)
Vyšší specifická tuhost (ne absolutní)
Lepší únavové vlastnosti
Lepší vlastnosti při vysokých
teplotách :
vyšší mez kluzu a pevnosti
menší kreep
Nižší teplotní roztažnost (i nulová)
Vyšší otěruvzdornost
Užívání MMC
v EU v roce 2001
Nejpoužívanější :
Hliníková matrice
Částicová disperze
SiC nebo Al2O3
Metody výroby MMC
Z taveniny – nejpříbuznější výrobě
kovů
Práškovou metalurgií – slinováním,
jako u keramiky
Usměrněnou krystalizací
Speciální metody
Výroba z taveniny a prášku
Nebezpečí :
Shlukování částic
– obr vlevo
Hromadění částic nahoře
- jsou lehčí
Předslinutý polotovar
z prášku
Vlastnosti kompozitu Al / SiC
Pracovní diagram
Vliv teploty
Únava při vysoké teplotě
– Al / SiC
Vzhled a struktura
kompozitu MMC
Další typy částicových MMC
Pro potlačení kreepu niklových slitin až
do 1000 oC : disperze ThO2, HfO2 nebo ZrO2
Pro potlačení kreepu niklchromových slitin
až do 1650 oC : disperze W nebo Mo
Pro reaktorovou techniku – k potlačení křehnutí
oceli neutrony : v ocelové matrici disperze
Al2O3, CrO2 nebo ThO2
Pro kontakty v elektrotechnice :
stříbrná matrice, disperze CdO nebo SnO2
Pro svářecí elektrody :
měděná matrice, disperze Al2O3, BeO nebo ThO2
Na namáhané části raketoplánů :
ocel s 20 až 30 % disperze TiB2
– mez pevnosti 1100 MPa,
Kompozit pro trysky
raketoplánů
Růst tuhosti
Pokles hmotnosti
Vlákna pro dlouhovláknové
MMC
Vzhled
kompozitu
B/W --- BORSIC
SiC/C –
SiC
na nosném
vlákně C
Vlákna SiC/C firmy TECTRON
Vlákno
Kompozit
Běžné dlouhovláknové
MMC
Ukázka anizotropie
vláknových MMC
Vlákna
Hustota
(g/cm3)
║
┴
║
┴
║
┴
Vd
(%)
Matrice
Uhlík
45
MgAl1
1,8
440
150
105
30
-
-
Uhlík
60
Al99,85
2,2
1000
100
230
30
0,6
17
Al2O3+SiO2
50
Al99,85
3,0
1050
130
130
115
7,5
14
Al2O3+SiO2
50
AlZnMg
3,0
1000
200
135
85
-
-
Al2O3
60
Al99,85
3,4
1600
120
240
130
-
-
Rm
(MPa)
Rm
(MPa)
E
(GPa)
E
(GPa)
α
(10 K-1)
-6
α
(10 K-1)
-6
Vlastnosti dlouhovláknových
MMC
Matrice AlMgSi
Borová vlákna
Matrice Ti slitina
35 % borových vláken
Pevnost při vysoké teplotě
3 … slitina AlMgSi,
2 … hliníková matrice
s 30 % uhlíkových
vláken,
1 … slitina AlMgSi
s 30 % uhlíkových
vláken.
Je možné nahradit drahou slitinu levným hliníkem
Vliv na houževnatost MMC
Matrice AlMgSi
Disperze ocelová vlákna
Kolmo na vlákna
Ve směru vláken
Vliv na mez tečení MMC
Pro teplotu 500 oC
a dobu zatížení
104 hodin
(něco přes rok)
AlMgSi + BORSIC
AlMgSi + bor (difuze)
TiAl6V4
MMC práškovou metalurgií
Kompozit 26 % Ag a 74 % W – na nástroje
pro elektroerozivní obrábění kovů. Do slinutého
wolframového prášku s větším množstvím pórů
se nechá infiltrovat roztavené stříbro. Má vynikající
řezné vlastnosti a stabilitu v elektrických výbojích.
Místo W lze použít i CdO nebo SnO2.
Kompozit 32 % Cu a 68 % W – na různé části
svařovacích elektrod. Vysoká elektrická vodivost
a relativně vysoká houževnatost.
Vysoká pevnost až do 920 oC.
Kompozit 44 % Cu a 66 % WC – na svařovací
elektrody pro vysoké svařovací tlaky, poněkud
menší elektrická vodivost. Jako disperzi je možné
použít i Al2O3, BeO nebo ThO2.
MMC práškovou metalurgií
Pro jadernou techniku
byly vyvinuty specielní kompozity s vysokou
odolností proti křehnutí v proudu neutronů.
Zpravidla jde o téměř čisté železo zpevněné
disperzí Al2O3, CrO2, nebo Cr2O3, příp ThO2.
Pro raketoplány
byl vyvinut speciální kompozit s matricí z
nízkouhlíkové oceli a disperzí 30 % TiB2,
který má pevnost 1100 MPa při tažnosti 25 %
a Youngovu modulu 400 Gpa.
Speciální žárupevné materiály - dále
Žárupevné MMC
Kompozity :
Hastelloy + 30 % W vláken
Niob + 24 % W vl.
+ částice Rh
Slitina NASA + 70 % W
vl. + část. ThO2
Nimocast 258 + 40 % W
Slitiny kovů :
Niklchrom
Hastelloy
Nimocast 258
Cermety
Starší označení pro kompozity vyráběné práškovou
metalurgií s matricí ze středně nebo těžkotavitelných
kovů a disperzí z těžkotavitelných sloučenin
(nejčastěji oxidů). Množství disperze zpravidla
přesahuje 50 %, takže jsou ve struktuře často ve
větším měřítku póry.
Některé nejznámější typy :
matrice chrom, disperze 70 % Al2O3
matrice chrom, disperze 85 % Cr2O3
matrice nikl, disperze 70 % TiC
matrice železo, disperze 70 % TiC
matrice molybden, disperze 30% Al2O3 a 50 % TiN
Slinuté karbidy
Kobaltová matrice - okolo 20 % Co.
WC se rozpouští v kobaltu.
TiC zvyšuje řezivost a snižuje houževnatost.
Zajímavé vlastnosti eutektika
- Jedna (zpravidla minoritní) složka eutektika
se velmi často vylučuje jako jednotlivé útvary,
které mají určitý tvar : vlákno, destička a p.
- Velikost těchto útvarů je při konstantních
podmínkách krystalizace prakticky konstantní
- Rovněž vzájemná vzdálenost těchto útvarů
bývá prakticky konstantní a jejich rozložení
uvnitř buňky eutektika je rovnoměrné
- Orientace těchto útvarů je zpravidla vázána
na orientaci rozhraní pevná fáze – tavenina
– např vlákna rostou kolmo na toto rozhraní
- Složky eutektika bývají uspořádány v jednotlivých
eutektických buňkách
- Počet těchto buněk klesá s poklesem
rychlosti ochlazování
Usměrněná krystalizace
Chceme, aby bylo co nejméně eutektických
buněk a útvary v nich měly stejnou orientaci
– ty tvoří disperzi.
Podmínky pro usměrněnou krystalizaci :
Krystalizační fronta ( rozhraní tavenina – pevná fáze)
musí být po celou dobu rovinná
V oblasti kolem krystalizační fronty musí být
velký gradient teploty, aby nemohlo dojít
ke konstitučnímu podchlazení a tím
degradaci krystalizační fronty
Krystalizační fronta se musí pohybovat rovnoměrně
a pomalu, aby byly eutektické buňky co největší.
Provádění usměrněné
krystalizace
Soustava Ni-Al-Re
Usměrněná krystalizace
Matrice intermetalikum NiAl
Vlákna rhenia
Příklad vhodného systému
diagram nikl - hliník
Jehličkovitá disperze
Ni3Al
Vláknová disperze
Al3Ni
Usměrněné jehličkové
eutektikum :
Příklady vhodných systémů
Ložiskové kompozity MMC
- Hůře tavitelná kovová matrice a lehkotavitelná
disperze, která při částečném natavení může
zastupovat mazadlo .
Příklady :
Matrice uhlíková ocel, disperze 50 % částic stříbrné pájky
Matrice bronz, disperze okolo 50 % částic pájky 38Pb62Sn
Matrice bronz, disperze okolo 50 % částic olova nebo antimonu
- Matrice z běžného kovu,
např nerezoceli 0,4 % C a 13 % Cr s disperzí
několika desítek procent částic tuhých mazadel
(MoS2, WSe2)
– takto lze dosáhnout koeficientu suchého tření
až 0,02 ( desetkrát lepší než šedá litina).
Kovoskleněné kompozity
Disperzi tvoří skleněné částice, matrice je kov
Železo nebo C ocel s disperzemi 1 % grafitu a 5 % skla
– pevnost 700 MPa při tažnosti 1 %, vysoká otěruvzdornost
a minimální koeficient tření
Železo nebo C ocel s 12 % skla
– maximální korozivzdornost, téměř o řád vyšší než
u samotné matrice
Železo nebo C ocel s 25 % skla – maximální otěruvzdornost
Speciální kompozit na suché tření ve vakuu :
eutektoidní uhlíková ocel s 15 % skla
– koeficient tření 0,18, za stejných podmínek kov – kov 0,9.
Kompozitní systém GLARE
Vyvinutý pro
AIRBUS
Růst únavové trhliny :
Hliníková slitina
Hliníková slitina + kevlar vlákno
GLARE kompozity
Download

Kompozitní materiály Kovová matrice - MMC