ВЫСОКОПРОЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Лымарь Е.А.

Научный сотрудник, кандидат технических  наук, ОАО «Российские космические системы», Москва

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТРОИТЕЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ  АЛЮМИНИЯ

Аннотация

Получены материалы, которые, упрочняясь подобно дисперсионно-твердеющим сплавам дисперсными частицами, принципиально отличаются от них природой частиц, не растворяющихся в металлической матрице, что позволило улучшить механические свойства при высоких температурах. Установлено, что предел прочности композита возрастает при повышении давления прессования и температуры обжига порошковой смеси.

Ключевые слова: алюминий, материал, горячее прессование.

Lymar E.А.

Scientist, candidate of engineering sciences, OJSC "Russian space systems", Moscow

HIGH-COMPOSITE MATERIALS BUILDING DESIGN BASED ON ALUMINIUM

Abstract

Obtain materials which harden like precipitation hardening alloys dispersed particles, they are fundamentally different from the nature of the particles do not dissolve in a metal matrix which has improved mechanical properties at high temperatures. It has been established that the ultimate strength of the composite increases with increasing compaction pressure and the sintering temperature of the powder mixture.

Keywords: aluminum, material, hot pressing.

Современная  строительная индустрия требует создания  материалов, способных работать  при  экстремальных температурах и сохраняющих при этом высокие прочностные характеристики [1 - 22].

Перспективно получение композитов с использованием металлического компонента, т.к. это позволяет получить материалы с высокими механическими свойствами [23 - 30].

Большой интерес представляют материалы на основе металлической матрицы при использовании в условиях высоких напряжений и температур.

Композит представляет собой смесь различных, весьма несходных материалов (наполнителя и металла). Свойства наполнителя дополняют свойства металлической матрицы, что позволяет получить  композит, превосходящий по свойствам исходные  наполнитель и матрицу. Сложный материал комбинирует прочность и неподвижность неорганического наполнителя с пластичностью и податливостью металла.

В современных условиях актуально получение композитов на основе металлов методом горячего прессования. Такая технология, как показали наши исследования, позволяет получить композиты с высоким содержанием (до 80 %) наполнителя, что значительно удешевляет получаемый материал. Кроме того, метод горячего прессования менее трудоемкий и технологически более легкий по сравнению с производством на основе расплавов металлов.

При выборе металлической матрицы было отдано предпочтение алюминию, т.к. он относительно дешев, обладает хорошей пластичностью и податливостью, низкой температурой плавления. В качестве наполнителя использовали железорудные концентраты в форме оксидов железа, которые обладают высокой термической, химической и радиационной стабильностью. В связи с этим представляло теоретический и практический интерес использование оксидов железа с различным валентно-координационным состоянием в качестве активного наполнителя металлической матрицы. Кроме того, значительным резервом в обеспечении заполнения являются отходы стекольной промышленности, в том числе тяжелые флинты и кроны. Перспективно использование боя флинтов в виде отходов с переменным химическим составом в качестве активной стеклообразующей массы, которая формируется в присутствии расплава металла.

Активация поверхности наполнителей для обеспечения их совместимости с металлической матрицей и создания однородной структуры получаемого композита достигалась в результате механической обработки (тонкий помол), нагрева и химической модификации.

Материалы на основе алюминиевой матрицы получали последовательным помолом порошковой смеси металл – наполнитель, спеканием и горячим прессованием.  Нагрев порошковой смеси проводили с шагом температур в 50 ^оС  с целью определения оптимальной температуры обжига. Предварительная термообработка способствовала уничтожению источников газа в смеси. Нагретые порошки прессовали при различном давлении. Полученные образцы исследовали на прочность в зависимости от температуры и давления прессования.

В процессе горячего прессования происходит разрушение оксидных пленок на поверхности алюминиевой пудры, дробление частиц наполнителя и распределение их в виде мелкодисперсных включений по всей металлической матрице.

Получаемый материал является типичным представителем сплавов, упрочняющихся дисперсными частицами, и отличается от известных дисперсионно-твердеющих сплавов природой упрочняющей фазы и степенью наполнения.

Как известно, упрочнение дисперсионно-твердеющих сплавов происходит в результате выделения дисперсных частиц при распаде пересыщенного твердого раствора, поэтому при повышенных температурах вследствие коагуляции и растворения упрочняющей фазы происходит разупрочнение материала. Обычные дисперсионно-твердеющие сплавы могут упрочняться лишь теми элементами, которые растворяются в металлической матрице. Предел разумного легирования определяется пределом растворимости элемента в основном металле.

Полученные нами композиты упрочняются частицами оксидов   алюминия и наполнителей, которые практически не растворяются в алюминии. Поэтому предел заполнения не связан с пределом растворимости второй фазы и позволяет получить высоконаполненные материалы. Степень наполнения металлической матрицы ограничивается лишь прочностными характеристиками получаемого материала (табл. 1).

Таким образом, полученные материалы, упрочняясь подобно дисперсионно-твердеющим сплавам дисперсными частицами, принципиально отличаются от них природой частиц, не растворяющихся в металлической матрице, что позволило улучшить механические свойства при высоких температурах. Следует отметить, что полученные композиционные материалы несколько уступают в прочности монолитным алюминиевым блокам при температуре 20 ^оС. Однако,  композиты сохраняют  прочностные характеристики при высоких температурах, тогда как прочность алюминиевых блоков снижается до 9 кг/мм² при тех же температурах. Сохранение прочности получаемого материала при высоких температурах объясняется наличием упрочняющей фазы – высокодисперсных частиц наполнителя и оксида алюминия, внедренных в алюминиевую матрицу, которые характеризуются высокими температурами плавления, низкой диффузионной подвижностью, нерастворимостью в металлической матрице и высокой твердостью. Частицы наполнителя и оксида алюминия служат барьерами, препятствующими рекристаллизационным процессам в металлической матрице.

Таблица 1 - Механические свойства композитов при 20 ^оС

Содержание металлической матрицы, %	Наполнитель
	Гематит		Тяжелые флинты
	Температура обжига, оС	Предел прочности, кг/мм2	Температура обжига, оС	Предел прочности, кг/мм2
20	300 400 500 600	2,0 2,3 3,2 3,9	300 400 500 600	0,9 1,2 1,6 2,0
30	300 400 500 600	8,3 9,8 12 13,2	300 400 500 600	4,2 4,9 7 7,4
40	300 400 500 600	12 13 17 22	300 400 500 600	6,2 7 8 10
50	300 400 500 600	18 21,8 27 29	300 400 500 600	9 11 13 14

 

 В ходе исследований  установлено, что предел прочности композита возрастает при повышении давления прессования и температуры обжига порошковой смеси. Композит  может быть использован в конструкциях, испытывающих ударные, динамические и сжимающие нагрузки.

Таким образом, установлена принципиальная возможность получения высоконаполненных материалов на основе металлической матрицы методом горячего прессования, определен оптимальный состав материала, горячее прессование позволило получить монолитные композиты высокой плотности – 2,66 г/см³.

Литература

1. Алфимов, С.И. Техногенное сырье для силикатных материалов гидратационного твердения / С.И. Алфимов, Р.В. Жуков, А.Н. Володченко, Д.В. Юрчук // Современные наукоемкие технологии. – 2006. – № 2. – С. 59–60.
2. Володченко, А.Н. Попутные продукты горнодобывающей промышленности в производстве строительных материалов / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, С.И. Алфимов, Р.В. Жуков // Современные наукоемкие технологии. – 2005. – № 10. – С. 79.
3. Володченко, А.Н. Силикатный бетон на нетрадиционном сырье / А.Н. Володченко, Р.В. Жуков, Ю.В. Фоменко, С.И. Алфимов // Бетон и железобетон. – 2006. – № 6. – С. 16–18.
4. Володченко, А.Н. Регулирование свойств ячеистых силикатных бетонов на основе песчано-глинистых пород / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик, С.И. Алфимов, А.А. Володченко // Известия вузов. Строительство. – 2007. – № 10. – С. 4–10.
5. Володченко, А.Н. Повышение эффективности производства автоклавных материалов / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2008. – № 9. – С. 10–16.
6. Володченко, А.Н. Влияние механоактивации известково-сапонитового вяжущего на свойства автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 13–16.
7. Володченко, А.Н. Влияние состава сырья на пластическую прочность газобетонной смеси / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов SWorld по материалам международной научно-практической конференции. – 2013. – Т. 39. – № 2. – С. 45–49.
8. Володченко, А.Н. Глинистые породы в производстве силикатного кирпича / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2012. – Т. 26. – № 2. – С. 8–10.
9. Володченко, А.Н. Глинистые породы – сырье для производства автоклавных ячеистых бетонов / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2012. – Т. 26. – № 2. – С. 11–14.
10. Володченко, А.Н. Взаимодействие мономинеральных глин с гидроксидом кальция в гидротермальных условиях / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2012. – Т. 30. – № 3. – С. 35–37.
11. Володченко, А.Н. Вяжущее на основе магнезиальных глин для автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2012. – Т. 30. – № 3. – С. 38–41.
12. Володченко, А.Н. Автоклавные силикатные материалы на основе отходов горнодобывающей промышленности / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2012. – Т. 47. – № 4. – С. 29–32.
13. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинистых пород на оптимизацию микроструктуры автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2012. – Т. 47. – № 4. – С. 32–36.
14. Володченко, А.Н. Реологические свойства газобетонной смеси на основе нетрадиционного сырья / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 3. – С. 45–48.
15. Володченко, А.Н. Автоклавные ячеистые бетоны на основе магнезиальных глин / А.Н. Володченко, В.С. Лесовик // Известия вузов. Строительство. – 2012. – № 5. – С. 14–21.
16. Володченко, А.Н. Повышение морозостойкости силикатных материалов на основе нетрадиционного сырья / А.Н. Володченко // Инновации в науке. – 2013. – № 24. – С. 24–30.
17. Володченко, А.Н. Магнезиальные глины – сырье для производтва автоклавных ячеистых бетонов / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов SWorld по материалам международной научно-практической конференции. – 2013. – Т. 43. – № 1. – С. 3–7.
18. Володченко, А.Н. Влияние песчано-глинитых пород на пластичность газобетонной массы / А.Н. Володченко // Сборник научных трудов SWorld по материалам международной научно-практической конференции. – 2013. – Т. 43. – № 1. – С. 7–10.
19. Володченко, А.Н. Влияние глинистых минералов на свойства автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Инновации в науке. – 2013. – № 21. – С. 23–28.
20. Володченко, А.Н. Нетрадиционное сырье для автоклавных силикатных материалов / А.Н. Володченко // Технические науки – от теории к практике. – 2013. – № 20. – С. 82–88.
21. Володченко, А.А. Влияние наноразмерного сырья на процессы структурообразования в силикатных системах / В.С. Лесовик, В.В. Строкова, А.А. Володченко // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2010. – № 1. – С. 13–17.
22. Лесовик, В.С. Ячеистый бетон с использованием попутно-добываемых пород Архангельской алмазоносной провинции / В.С. Лесовик, А.Н. Володченко, С.И. Алфимов, Р.В. Жуков, В.К. Гаранин // Известия вузов. Строительство. – 2007. – № 2. – С. 13–18.
23. Ключникова, Н.В. Влияние пористости на свойства керамометаллических композитов / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2012. – Т. 6. – № 3. – С. 41–45.
24. Klyuchnikova, N.V. The effect of metal filler on structure formation of composite materials / N.V. Klyuchnikova, E.A. Lumar’ // Glass and Ceramics. – 2005. – Т. 62. – № 9-10. – С. 319–320.
25. Klyuchnikova, N.V. Production of metal composite materials / N.V. Klyuchnikova, E.A. Lumar’ // Glass and Ceramics. – 2006. – Т. 63. – № 1-2. – С. 68–69.
26. Klyuchnikova, N.V. Interaction between components at metal composites production / N.V. Klyuchnikova // European Journal of Natural History. – 2007. – № 6. – С. 110–111.
27. Ключникова, Н.В. Исследование физико-механических свойств керамометаллического композита / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2013. – Т. 7. – № 1. – С. 10–15.
28. Ключникова, Н.В. Выбор компонентов как важное условие создания композитов с заданными свойствами / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2013. – Т. 43. – № 1. – С. 16–21.
29. Ключникова, Н.В. Влияние металлического компонента на свойства керамометаллических композитов / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2013. – Т. 39. – № 2. – С. 54 – 60.
30. Ключникова, Н.В. Рентгенофазовый анализ композиционных материалов на основе глин / Н.В. Ключникова // Сборник научных трудов Sworld по материалам международной научно-практической конференции. – 2013. – Т. 7. – № 1. – С. 3 – 10.