Основные виды ДКМ — Композиционные материалы в деревообработке

1. Плиты OSB

Плиты из ориентированной щепы появились в восьмидесятых годах прошлого века в США. Для России они являются сравнительно новым и перспективным материалом. Их основой является щепа, получаемая способом лущения — разрезания стволов по спирали. Как и многие другие композитные материалы, плиты OSB изготавливаются методом горячего прессования с применением водостойких склеивающих смол. Перед тем, как подвергнуть сырье прессованию, щепа ориентируется таким образом, чтобы близлежащие слои имели взаимно-перпендикулярную ориентацию, что позволяет получить высокое сопротивление материала на изгиб во всех направлениях.

2. ДПК

Древесно-полимерный композит ДПК состоит из полимера, древесного наполнителя и различных добавок. В качестве полимеров используются поливинилхлорид, полипропилен или полиэтилен. Древесный наполнитель может быть в виде древесной муки или мелкой щепы. В большом количестве используются отходы древесины. ДПК иногда называется жидким деревом, древотермопластом или древесно-пластиковым композитом. По внешнему виду древесно-полимерный композит похож на плиты МДФ и ДВП.

3. ДСП

Древесно-слоистые пластики получают в процессе термической обработки под большим давлением из листов шпона, склеенных синтетическими клеями. В зависимости от назначения ДСП выпускают 11 марок с различными типами укладки шпона. Большинство марок ДСП имеют техническое назначение: применяются в электротехнике, судо- и машиностроении, в качестве конструкционного самосмазывающегося антифрикционного материала.

4. Гнуто-клееные детали

Гнуто-клееные детали получают склеиванием шпона или фанеры с одновременным гнутьем. Для этого листы шпона нужных размеров склеивают мочевиноформальдегидным клеем, помещают в пресс-формы, где обрабатывают паром и подвергают гнутью. Изгибанием брусков получают гнуто-пропильные детали, так как в месте изгиба брусок пропиливают, а в пропил помещают шпон, пропитанный клеем. Из гнуто-клееной и гнуто-пропильной древесины изготавливают криволинейные детали стульев, столов, спинки и т.д.

5. Столярные плиты

Столярные плиты представляют собой щиты, склеенные из реек древесины хвойных, мягких лиственных пород и березы и оклеенные с обеих сторон двумя слоями лущеного шпона — наружным и подслоем. Все слои должны иметь одинаковое направление волокон древесины и располагаться перпендикулярно к рейкам. Плиты изготавливают необлицованными и облицованными строганым шпоном с одной или двух сторон. Применяют плиты для изготовления щитовых деталей мебели: боковых стенок, дверок, крышек столов. Характеризуются столярные плиты повышенной Массой и специфической волнистостью поверхности.

6. Пьезотермопластики (ПТП)

Пьезотермопластики получают из измельченной или из цельной древесины или других растительных материалов без добавления связующего вещества путем пьезотермической обработки пресс-материала в замкнутом пространстве при температуре 160° С и давлении 15 МПа. Сокращенно этот материал называют ПТП. Физико-механические свойства ПТП: плотность не менее 1350 кг/м3; прочность при статистическом изгибе не менее 25-40 МПа; прочность при сжатии не менее 60-80 МПа; ударная вязкость — 6,3-14,5 кг/см2; твердость по Бринеллю 15-19 кг/мм2; удельное объемное сопротивление — 1х1012 — 1х1013 Ом/см; теплостойкость — 50-90° С; истираемость — 40-64 г./см2. Плитки выпускают в виде квадратов, прямоугольников и шестиугольников.

7. Лигноуглеродные древесные пластики

Пластики изготовляют в виде листового материала на основе древесных частиц без добавления связующих. В основе технологии производства указанных пластиков, заложена способность древесных частиц к пластификации за счет использования реакционных свойств некоторых компонентов древесины. Технологический процесс производства лигноуглеводных древесных пластиков состоит из следующих операций: подготовки древесных частиц; сушки древесных частиц; дозировки древесных частиц; настилки ковра; холодной подпрессовки; горячего прессования; обрезки готовых плит; кондиционирования плит. Сырьем для производства пластика могут служить опилки, а также измельченные отходы от деревообработки и лесозаготовок. В сырье допускается примесь коры.

8. Арболит

Арболит относится к группе легких бетонов и изготовляется на основе древесного заполнителя, связующих и минерализатора. Изделия из арболита, выпускаемые в виде панелей, блоков пли плит, подразделяются следующим образом:

1. по назначению — на теплоизоляционные и конструктивно-теплоизоляционные;

2. по армированию — на неармированные и армированные;

3. по наружному профилю — на гладкие (плоские) и сложного профиля;

4. по отделке поверхности — на офактуренные и неофактуренные.

9. Фибролит

Фибролит представляет собой строительный материал из древесной шерсти, портландцемента, химических добавок и воды. Из фибролита изготавливают плиты, которые применяются в качестве теплоизоляционного, конструкционного и акустического материала для стен, перекрытий, перегородок и покрытий зданий.

10. Королит

Королит изготавливается на основе минеральных связующих и частиц

из древесной коры, получаемой при окаривании древесины. В качестве связующего используют портландцемент, высокопрочный гипс, фосфогипс. Королит применяют в качестве тепло — и звукоизоляционного материала при устройстве перегородок, перекрытий.

11. Ксилолит

Ксилолит (от греч. lнthos — камень), искусственный строительный материал из смеси магнезиального связующего, опилок и древесной муки с добавлением тонкодисперсных минеральных веществ (тальк, асбест, мраморная мука) и щёлочестойких пигментов. Ксилолит применяют главным образом для устройства бесшовных полов в жилых и общественных зданиях, а также в производственных помещениях с сухим режимом эксплуатации.

12. Цементно-стружечные плиты

ЦСП изготавливают методом прессования древесных частиц, смешанных с цементным вяжущим и химическими добавками. Относятся к группе трудносгораемых материалов повышенной водостойкости и применяются для строительства стеновых панелей, плит перекрытий, при устройстве полов.

13. Гипсо-стружечные плиты

ГСП являются разновидностью ЦСП, выпускают на основе гипса. Применяют для внутренней отделки, устройства стен, потолков, полов.

К наиболее исследованным и применяемым дисперсноупроч- ненным композиционным материалам (ДКМ) относятся материалы на основе алюминия, никеля, меди, молибдена и ряда других металлов.

ДКМ на основе алюминия — группа САП (спеченных алюминиевых порошков) содержит до 15—17 % упрочняющей фазы в виде дисперсных порошков оксида алюминия А1₂0₃. Исходные порошки получают путем распыления сжатым воздухом при 720 — 790 °С первичного обогащенного азотом алюминия марки А5, Аб, А7 или отходов и лома алюминия по составу не ниже марки А5. При распылении получаются гранулы размером 150 — 200 мкм, содержащие 0,5—1,5 % оксида алюминия, которые подвергаются размолу в среде азота, бензина или спирта.

Технология изготовления изделий из САП состоит в подготовке порошка алюминия и упрочняющей фазы, их механическом смешивании, холодном прессовании, предварительном спекании, горячем прессовании и выдавливании цилиндрической заготовки в форму готового изделия, которое в дальнейшем может подвергаться термической обработке.

Прессуют САП двумя способами: брикетированием (получение компактных заготовок) и экструзией (продавливание смеси через матрицу требуемого профиля). Брикетирование производят гидростатическим и изостатическим методами. При использовании дегазированных порошков может применяться взрывное, холодное ударное прессование.

Брикеты вместе с печью нагревают, непрерывно повышая температуру до 300 °С, а затем — ступенчато с выдержкой в течение часа при температурах 350, 450, 550, 600 и 625 °С.

Спекание круглых брикетов производят в вакууме (10^_3 мм рт. ст.), нагревая их вместе с печью до 300 °С и затем — ступенчато с выдержкой на каждой ступени один час при 350, 450, 550 и 600 °С. Окончательное спекание производят при 620±15 °С в течение 6 ч, охлаждение — в печи до 300 °С.

Спеченные полуфабрикаты при 500 — 600 °С подвергаются на воздухе обработке давлением с целью получения труб, листа, конструкционных деталей.

Свойства готовых изделий из САП зависят от размера упрочняющих частиц, расстояния между ними и их содержания. С увеличением содержания оксида алюминия от 0,5—1 до 15—17 % повышается прочность при температуре 18 — 20 °С и длительная прочность при нагреве до 450 — 500 °С.

При нагревании САП, содержащих 10—13 % оксида алюминия, прочность не снижается до 550 °С, в то время как у литых алюминиевых сплавов она резко снижается уже при 400 °С. Статическая и динамическая прочность САП при 400 °С в пять раз выше прочности стареющих алюминиевых сплавов. При комнатной температуре прочность САП имеет промежуточные значения между чистым алюминием и стареющими алюминиевыми сплавами. При температуре 660 °С, соответствующей температуре плавления алюминия, САП становится тестообразным, что позволяет простым путем выдавливать трубы, прутки, изготавливать сложные по форме изделия и т. п.

Плотность САП 2,8 г/см³, электропроводность, теплопроводность и коррозионная стойкость примерно такие же, как у алюминия. Термическое расширение САП при температуре выше 100 °С составляет примерно 80 % расширения алюминия. Оно ниже, чем для стареющих сплавов. САП не подвержены интер- кристаллитной коррозии в среде воздуха, водяных паров, разбавленных кислот, противостоят действию морской воды.

В промышленности производится САП марок САП-1, -2 и -3. Наиболее пластичен САП-1 (содержание оксида в нем 6 — 9 %). Прессованием либо прокаткой из него получают прутки, полосы, различные профили, листы, фольгу и т. п. В САП-2 и -3 содержание А1₂0₃ составляет соответственно 9—13 и 13—18 %. Они менее пластичны и идут на изготовление прутков, труб, полос. Малая пластичность обусловливает изготовление деталей из САП-2 и -3 либо из заготовок, либо прессованием в пресс- формах.

При обработке резанием, шлифованием и полировке САП ведут себя аналогично чистому алюминию. Отдельные конструктивные элементы из САП между собой могут соединяться пайкой, аргонодуговой сваркой, клепкой и болтами.

Повышенная жаропрочность, высокая термическая стабильность, хорошая обрабатываемость САП позволяют использовать их для изготовления лопаток турбокомпрессоров, шатунов, крыльчаток газовых турбин, поршней и т. п. Из-за высокой крипо- устойчивости (т. е. устойчивости против ползучести при высоких температурах) они применяются для облицовки гипер- и сверхзвуковых самолетов, а также для изготовления узлов устройств атомной энергетики, деталей крепежа и т. п.

Хорошая проницаемость САП для нейтронов позволяет применять их в атомной промышленности. Механические свойства САП выше нержавеющих сталей, что обусловливает их использование в аэронавтике. Трубы из САП и топливные элементы применяются в атомных реакторах до 480 °С.

Эффективность упрочнения алюминиевой матрицы может обеспечиваться включениями карбидов алюминия в системе А1 —С. С этой целью алюминиевый порошок в течение 0,5 — 4 ч смешивается с тонкодисперсной сажей и при температуре 550 °С выдерживается в течение 0,5 ч, в результате чего образуется карбид алюминия А1₂С₃. Полученную смесь подвергают горячей экструзии при 520 — 540 °С. Получается ДКМ-С, содержащий до 2 % А1₂0₃ и до 20 —22 % А1₂С₃, который по устойчивости к кристаллизации при высоких температурах близок к материалам типа САП и может подвергаться различным видам термомеханической обработки (экструзии, прокатке, ковке и др.). Увеличение концентрации А1₂С₃ повышает прочность, но несколько снижает пластичность, уменьшает коэффициент термического расширения, электропроводность и теплопроводность, повышает электросопротивление и теплоемкость.

Наряду с ДКМ на алюминиевой основе широко применяется ДКМ на основе бериллия. Твердой упрочняющей фазой в этих материалах является либо один оксид бериллия (ВеО), либо оксид и карбид бериллия (Ве₃С). Появление оксидной фазы связано, как и в случае алюминия, с наличием на частицах бериллия оксидной пленки, обладающей высокой термодинамической стабильностью, а карбида бериллия — с карбидизацией бериллия путем смешивания порошка бериллия с дисперсным порошком сажи и последующей термической обработки.

При упрочнении оксидом бериллия с увеличением его содержания с 0,7 до 3 % прочность возрастает. Эффективность упрочнения повышается с увеличением температуры и дисперсности оксидной фазы. Так, если при 25 °С предел текучести равен 195-245 МПа, то при 600 °С — 115-175 МПа.

Заготовки получают прессованием и спеканием, горячей экструзией бериллиевых порошков. Пластичность недеформированных ДКМ низка (1—2 %). После деформации вследствие дробления оксидных пленок пластичность возрастает до 5 — 15 %. Одновременно растут прочность (до 450 — 550 МПа), сопротивление ползучести и длительная прочность.

Коррозионная стойкость ДКМ бериллия в 70 — 80 раз выше, чем у литого бериллия.

ДКМ на основе бериллия обладают высокой прочностью и модулем упругости, большим коэффициентом рассеивания нейтронов, низкой плотностью, благодаря чему они широко применяются в ядерной и авиационной технике.

В ДКМ на железной основе в качестве упрочняющей фазы используются оксиды А1₂0₃, ТЮ₂, Zr0₂, которые вводятся в железо методом механического смешивания, термического разложения солей с последующим восстановлением и т. п. ДКМ получают прессованием брикетов с последующей горячей экструзией, изостатическим горячим прессованием.

Прочность ДКМ на основе железа возрастает с повышением содержания оксида. Например, прочность ДКМ, содержащего 0,4 % А1₂0₃, при 20 °С равна 560 МПа, а содержащего 6,2 % А1₂0₃ — 710 МПа. Однако ДКМ на железной основе без дополнительного легирования имеют малую жаростойкость. Поэтому в качестве матричной основы применяют легированное железо и стали. Так, ДКМ на основе железа с 20 % хрома 5% алюминия 2 % ванадия и 4 % А1₂0₃ при 1200 °С имеет длительную прочность при 100-часовой выдержке до 42 МПа в прутках и 28 МПа в листах.

ДКМ на основе сталей ферритного и аустенитного классов обладают пониженной склонностью к охрупчиванию при облучении, что позволяет эффективно использовать их в ядерной технике.

Весьма перспективными ДКМ являются материалы на основе никеля, упрочненные (2 — 3 % (об.)) оксидами алюминия, тория, гафния, циркония и ванадия, реже карбидами титана и тантала. Наиболее эффективен оксид тория ТЪ0₂, который в количестве 1 — 2 % используется для упрочнения никеля и нихрома. Основными марками таких ДКМ являются ВДУ-1, ТД-никель, ДБ-никель, ТД-нихром состава (80 % Ni 20 % Сг) 2 % Th0₂. Однако токсичность оксида тория ограничивает его применение. Оксид гафния НЮ₂, хотя и не токсичен, но при упрочнении никеля 2 % НЮ₂ (ДКМ ВДУ-2) снижается прочность.

Упрочняющие частицы в никель и его сплавы вводятся путем механического смешивания тончайших порошков основы и упрочняющих частиц, химического смешивания, внутреннего окисления, совместного осаждения солей из раствора с последующим восстановлением. Полученная смесь подвергается гидростатическому прессованию, а затем спеканию в водороде или вакууме при 1450 — 1300 °С в течение часа. Полученные спеченные брикеты обрабатываются методом горячей экструзии. Превращение заготовок в различные виды фасонного полуфабриката достигается ковкой, штамповкой, протяжкой, прокаткой.

Дисперсноупрочненный никель куется в температурном интервале от 60 до 1200 °С. Его штамповку, протяжку проводят при комнатной температуре. Он нечувствителен к перегреву и надрезам, хорошо обрабатывается резанием, характеризуется высоким сопротивлением ударным и циклическим нагрузкам, коррозионностоек, не подвержен межкристаллитному и высокотемпературному окислению. Установлено, что ДКМ на никелевой основе при температуре выше 1000 °С имеют в 2 —4 раза более высокую прочность и жаростойкость, чем жаропрочные сплавы на основе никеля и кобальта, уступая только тугоплавким металлам. Их ока- линостойкость в 3 — 5 раз выше стойкости чистого никеля, а тепло- и электропроводность практически соответствуют показателям чистого никеля. Благодаря высокой жаропрочности и окалиностой- кости ДКМ на никелевой основе широко применяются в авиастроении и космической технике для изготовления камер сгорания и лопаток газовых турбин, стабилизаторов пламени и других деталей, эксплуатируемых при температурах выше 1100 °С.

По аналогичным технологиям с ДКМ на основе никеля производят ДКМ на основе кобальта, упрочняемых оксидом тория Th0₂ (2 —4 % (мае.)). В качестве матричной основы применяют кобальт и его сплавы, легированные хромом, молибденом, вольфрамом. ДКМ на основе кобальта могут применяться для изготовления лопаток газовых турбин авиадвигателей, в ядерной технике для изготовления бойлеров, испаряющих ртуть, так как они устойчивы в парах ртути при высоких температурах.

Введение в медь оксидов алюминия, бериллия, тория и т. д., а также карбидов, нитридов и других тугоплавких соединений повышает ее жаропрочность, термическую стабильность при сохранении высокой электропроводности. Структура ДКМ на основе меди представляет собой мелкозернистую матрицу с равномерно распределенными в ней частицами упрочняющей фазы. При введении оксидов в ДКМ на основе меди для сохранения пластичности и электропроводности их содержание не должно превышать 1,5 — 2 % (об.). Такие материалы характеризуются высоким сопротивлением ползучести, высокой жаропрочностью и применяются для изготовления обмоток роторов двигателей, работающих при повышенных температурах, электровакуумных приборов, контактов и т. п. При наличии в меди дисперсных включений тугоплавких соединений она может применяться для изготовления электродов точечной и роликовой сварки. Эрозионная стойкость ДКМ на основе меди с 3 % нитрида бора в 3 — 6 раз выше, чем меди и латуни.

Оксид магния, введенный в хром, способствует измельчению его структуры. Являясь раскислителем, он одновременно связывает поверхностные оксиды порошка хрома и переводит их в шпинели. В связи с этим основной упрочняющей фазой в ДКМ на основе хрома является МдО, введение б % которого повышает прочность при комнатной и повышенных температурах. Если при высокотемпературном отжиге хром охрупчивается, то ДКМ на основе хрома с б % МдО сохраняют значительную пластичность.

Из ДКМ на хромистой матричной основе известны ДКМ следующих составов:

• 99.5 % Сг 0,5 % Ti с б % МдО (называется хром-30);
• 97 % Сг 2,5 % V 0,5 % Si с 3 % МдО (хром-90);
• 93.5 % Сг 2,5 % V 1 % Si 0,5 % Ti 2 % Та и 0,5 % С с 3 % МдО (хром-90 S).

Высокие прочностные свойства, жаро- и эрозионная стойкость позволяют использовать ДКМ на хромистой основе для работы в условиях окислительной среды в качестве материалов для сопел плазматронов, износостойких покрытий и т. п.

Наименьшей плотностью обладает ДКМ на основе магния, сочетающий высокую прочность с высокой вибрационной стойкостью. Наибольший эффект упрочнения достигается за счет собственного оксида МдО, который образуется на поверхности частиц магния при его размоле в контролируемой оксидной окислительной среде. Оптимальное содержание МдО 1,0—1,1 %.

ДКМ Мд —МдО получают брикетированием и горячей экструзией окисленных порошков магния при 350 — 550 °С. Эти ДКМ имеют повышенную длительную прочность и сопротивление ползучести при температурах до 500 °С. Длительная работа при 500 °С не приводит к их разупрочнению. Недостатком является низкая коррозионная стойкость в морской воде и на воздухе при повышенных температурах, поэтому их использование ограничивается рабочими температурами, не превышающими 400 °С. Применяются они в авиационной, ракетной и ядерной технике.

В ДКМ с матрицей на основе вольфрама упрочняющими фазами выступают оксид тория, реже оксид циркония и нитриды гафния и циркония. При производстве ДКМ с вольфрамовой матрицей и упрочняющей фазой 2 % ТЪС>2 смешивание производится механически. После спекания и уплотняющей обработки прочность ДКМ при 25 °С составляет 1100 МПа и 8 МПа при 2760 °С (для проволоки); для листов — более 10 МПа при 2200 °С.

Для повышения прочности и пластичности при низких температурах вводят рений (3 —5 %). Лист из вольфрама с 5 % рения и 2 % ТЪ0₂ при 25 °С имеет временное сопротивление 1300 МПа; при 1925 °С — 110 МПа.

ДКМ на основе платины упрочняют оксидами тория ТЪ0₂, карбидами титана TiC в количестве 0,2—1 %. Они отличаются высокой жаропрочностью, длительной прочностью и стойкостью к ползучести при физических свойствах, присущих чистой платине.

При приготовлении смеси платины с оксидами используют химическое осаждение, восстановление в растворах и внутреннее окисление. Карбиды вводятся механическим смешиванием. Спеченные брикеты подвергаются многократному волочению с промежуточными отжигами.

ДКМ на основе платины и ее сплавов применяются для работы в условиях повышенных температур и нагрузок, например при изготовлении тиглей для плавки оптических стекол, нагревательных элементов, термометров сопротивления, термопар и т. п.