Studiu Privind Proprietatile Tribologice ale Materialelor Compozite cu Particule Metalice

STUDIU PRIVIND PROPRIETĂȚILE TRIBOLOGICE ALE MATERIALELOR COMPOZITE CU PARTICULE METALICE

CUPRINS

INTRODUCERE……………………………………………………………………………………………….4

CAPITOLUL 1.

CATEGORII DE MATERIALE COMPOZITE…………………………………………….6

DOMENII DE UTILIZARE A MATERIALELOR COMPOZITE………………..9

CAPITOLUL 2.

ELEMENTE CARACTERISTICE MATRICELOR MATERIALELOR COMPOZITE………………………………………………………………………………………………….14

2.1 Condiții generale……………………………………………………………………………………14

2.2 Matrice metalice……………………………………………………………………………………14

2.3 Matrice organice……………………………………………………………………………………15

2.4 Matrice ceramice…………………………………………………………………………………..16

CAPITOLUL 3.

MATERIALE COMPLEMENTARE…………………………………………………………17

3.1 Materiale sub formă de fibre………………………………………………………………….17

3.1.1 Tipuri de fibre……………………………………………………………………………………17

3.1.2 Caracteristici fizice generale ale fibrelor……………………………………………….18

3.2 Materiale sub formă de particule……………………………………………………………23

3.2.1 Elemente caracteristice……………………………………………………………………….23

3.2.2 Procedee de obținere a particulelor……………………………………………………….24

3.3 Sisteme compatibile matrice-material complementar………………………………27

3.3.1 Criterii de compatibilitate……………………………………………………………………27

3.3.2 Compozite metalice……………………………………………………………………………28

CAPITOLUL 4.

PROCEDEE DE OBȚINERE A MATERIALELOR COMPOZITE CU MATRICE METALICĂ………………………………………………………………………………….28

4.1 Metode de realizare a amestecului destinat turnării……………………………….28

4.2 Procedee de turnare a materialelor compozite……………………………………….35

4.3 Obținerea produselor prin cuplarea componentelor în stare solidă…………43

4.3.1 Metoda bazată pe metalurgia pulberilor……………………………………………….43

4.3.2 Cuplarea componentelor prin difuzie în stare solidă ……………………………..45

4.4 Procedee de depunere a matricei lichide în stare pulverizată………………….46

4.5 Procesarea in-situ (procedeul intrinsec)…………………………………………………49

CAPITOLUL 5..

ASPECTE PRIVIND EVALUAREA TRIBOLOGICĂ A MATERIALELOR COMPOZITE METALICE ARMATE CU PARTICULE METALICE……………50

5.1 Semnificația și obiectivele studiului materialelor compozite…………………….50

5.2 Elemente de tribologie. Frecare-uzare-ungere…………………………………………50

5.3 Uzare și uzură. Tipuri de uzare. ……………………………………………………………43

5.4 Proprietăși tribologice ale compozitelor metalice armate cu particule metalice ……………………………………………………………………………………………………….

5.4.1 Prezentarea programului de experimentări pentru obținerea materialelor compozite armate cu particule metalice……………………………………………………………

5.4.2 Influența …………… asupra proprietăților de frecare-uzură în cazul uzurii adezive și abrazive…………………………………………………………………………………………

BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………………………………………

Obținerea de noi materiale a reprezentat din totdeauna o necesitate determinată de evoluția dinamică a producției de bunuri materiale. În momentul de față, atât producerea de noi materiale, cât și renunțarea la altele vechi reprezintă un proces extrem de activ, fără precedent. În general, aproape orice material solid cu destinație tehnică se poate încadra în una din următoarele categorii:

metale și aliaje;

ceramică și minerale;

sticle (nemetalice și metalice);

textile;

polimeri;

compozite.

Proprietățile și comportarea unui material sunt strâns legate de structura acestuia. Structura electronică și cristalină, ca și defectele structurale determină caracteristicile fizico-chimice și mecanice ale materialului: temperatura de topire, modulul de elasticitate, densitatea, reactivitatea chimică, conductivitățile electrică și termică, duritatea, rezistența mecanică la rupere, alungirea, tenacitatea etc.

Structura, pe de altă parte, poate să constituie un criteriu de clasificare. Astfel, materialele pot fi grupate din acest punct de vedere în trei categorii, și anume:

materiale cristaline, care pot fi:

policristaline (aliaje ferose și neferoase);

monocristaline (metale, oxizi, carburi, nitruri, materiale semiconductoare și optoelectronice);

microcristaline (aliaje supuse unor tratamente termice, cum ar fi călirea);

semicristaline (materiale polimerice);

materiale amorfe (metalice și nemetalice);

materiale compuse, care pot fi:

componente dispersate reciproc;

agregate de pulberi presate;

materiale compuse rezultate prin acoperirea suprafețelor cu substanțe metalice sau nemetalice;

stratificate (obținute prin asamblare succesivă sau simultană).

Materialele compozite fac parte din această ultimă categorie și au fost folosite din cele mai vechi timpuri (cărămizile alcătuite din argilă și paie, împletiturile sau cel mai răspândit material compozit natural sau utilizat în construcții: lemnul).

Ca o definiție generală, materialele compozite sunt amestecuri de două sau mai multe componente, ale căror proprietăți se completează reciproc, rezultând un material cu proprietăți superioare celor specifice fiecărui component în parte.

În legătură cu materialele compozite, este potrivită folosirea noțiunii de sinergie, care desemnează rezultatul unitar produs prin asocierea și dozarea convenabilă a caracteristicilor unor componente. Astfel, aceste componente vor „coopera”, deficiențele unora fiind suplinite de calitățile acestora, conferind ansamblului proprietăți pe care nici un component nu le poate avea.

Dificultatea care apare în delimitarea domeniului materialelor componente are la bază ideea (folosită adesea ca o obiecție), că, practic, aproape orice material este un compozit, deoarece sunt extrem de rare materialele fără impurități, defecte elemente de aliere sau cele care nu sunt impregnate, vopsite, tratate superficial, acoperite. Distincția este și mai greu de făcut dacă structura materialului se ia în considerare la scară atomică sau moleculară.

Din punct de vedere tehnic, noțiunea de materiale compozite se referă la materialele care posedă următoarele proprietăți:

sunt create artificial, prin combinarea – voită, rațională – a diferitelor componente (sunt excluse așadar compozitele naturale sau apărute fără intenția de a crea un material compozit: lemnul, fontele cenușii etc.);

reprezintă o combinare a cel puțin două materiale deosebite din punct de vedere chimic, între care există o suprafață de separație distinctă;

prezintă proprietăți pe care nici un component luat separat nu le poate avea.

Problemele apărute în încercarea de a defini cât mai exact materialele compozite sunt o dovadă a domeniului extrem de larg pe care îl ocupă acest tip de materiale, domeniu aflat într-o continuă și rapidă extindere (există un număr imens de combinații posibile între două sau mai multe componente).

Avantajul major, esențial al materialelor compozite, constă în posibilitatea modulării proprietăților și obținerea în acest fel a unei game foarte variate de materiale, a căror utilizare se poate extinde în aproape toate domeniile de activitate tehnică.

În cele mai multe cazuri, compozitul cuprinde un material de bază, matricea, în care se află dispersat un material complementar sau sub formă de particule sau fibre, iar principalele proprietăți care se urmăresc să se obțină sub o formă îmbunătățită sunt: rezistența la rupere, rezistența la uzare, densitatea, rezistența la temperaturi înalte, duritatea superficială, stabilitatea dimensională, capacitatea de amortizare a vibrațiilor. Superioritatea materialelor compozite în comparație cu materialele convenționale, în ceea ce privește rezistența la temperaturi înalte, rezultă din figura 1, în care se folosește drept criteriu sintetic de caracterizare raportul dintre rezistența la rupere și densitate. După cum se observă, materialele compozite cu matrice metalică sunt în mod evident superioare celor convenționale, dar cu proprietăți inferioare compozitelor ceramice și a celor pe bază de carbon.

Fig. 1. Locul pe care îl ocupă compozitele între materialele

rezistente la temperaturi înalte.

Capitolul 1

CATEGORII DE MATERIALE COMPOZITE

Varietatea mare de materiale compozite face ca la clasificarea acestora să fie necesară luarea în considerarea a mai multor criterii. Astfel, compozitele pot fi clasificate în categoriile prezentate în continuare.

I) După starea de agregare a matricei și a materialului dispersat, în:

compozite de tip lichid-solid (suspensii, barbotine);

compozite de tip lichid-lichid (emulsii);

compozite de tip gaz-solid (structuri „fagure”, aerodispersii);

compozite solid-solid (metal carbon, metal-particule ceramice, metal-fibre metalice, metal-fibre ceramice, polimeri-fibre, carbon-carbon).

II) După natura matricei, în:

compozite cu matrice organică (polimeri);

compozite cu matrice din carbon;

compozite cu matrice ceramică (carbură de siliciu, nitrură de siliciu).

III) După configurația geometrică a materialului complementar, în:

compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono – sau multifilamente);

compozite cu fibre continue;

compozite cu particule mari (grafit, oxizi, nitruri, carburi, aliaje), acestea având dimensiuni mai mari de 1 m și diferite forme: sferică, plată, elipsoidală, neregulată;

compozite cu microparticule (la care materialul dispersat în matrice reprezintă 1…15%, iar diametrul mediu al particulelor nu depășește de regulă 0,1 m);

compozite lamelare stratificate.

IV) După modul de distribuție a materialului complementar, în:

compozite izotrope, care conțin elemente disperse de tip particule, granule metalice sau fibre scurte, uniform repartizate;

compozite anizotrope (cu proprietăți variabile cu direcția, la care materialul complementar este sub formă de fibre continue (inserții, împletituri)), orientate unidirecțional, în plan sau în spațiu sau fibre scurte repartizate liniar;

compozite stratificate, în cazul cărora elementele componente sunt bidimensionale;

compozite cu distribuție dirijată a materialului dispersat, obținute prin solidificare unidirecțională sau deformare plastică la rece.

V) După modul de realizare a suprafeței de contact, în:

compozite integrate chimic, la care interacțiunile din suprafața de contact sunt de natură chimică (vitroceramul, gresia silicoasă, masele refractare fosfatice, cemenții);

compozite obținute prin agregare, la care predomină forțele de legătură de adeziune și coeziune între componenți;

compozite cu armare dispersă, care constau dintr-o matrice rigidă (ceramică) sau deformabilă (metale, aliaje, polimeri), în care se înglobează materialul complementar, constituit din fibre sau particule, forțele de legătură fiind de natură fizică sau/și chimică.

VI) După mărimea materialului complementar, în:

– microcompozite, la care materialul dispers este la scară microscopică sau sub formă de fibre continue (aliate sau împletite), fibre scurte (aliate sau nealiate), particule (sferice, plate, elipsoidale, sau alte configurații),microparticule, straturi lamelare,

rețele spațiale, componente multiple;

macrocompozite, categorie în care se încadrează compozitele stratificate macroscopic, materiale acoperite, materiale cu elemente de armare la scară macro.

VII) După tipul materialului dispersat și modul de distribuție al acestuia.

O clasificare mai generală a materialelor compozite, care le prezintă într-un mod sintetic, are la bază utilizarea concomitentă a principalelor criterii prezentate anterior: particularitățile geometrice ale materialului complementar și modul de orientare al acestuia în matrice.

Prezentarea schematică a unei astfel de reprezentări este făcută în figura 1.1.

Deși există o varietate mare de compozite care pot fi realizate, alegerea unui anumit material este dictată de o serie de condiții concrete, între care predomină cele legate de costul de producție și de gradul de complexitate a tehnologiei care poate fi adoptată.

Fig. 1.1. Clasificarea compozitelor în funcție de configurația materialului complementar și de modul de repartizare a acestuia în matrice

DOMENII DE UTILIZARE A MATERIALELOR COMPOZITE

Materialele compozite metalice s-au dezvoltat în primul rând din necesitatea reducerii greutății mașinilor și utilajelor și prelungirii duratei lor de funcționare, obiectiv deosebit de important în industria aeronautică sau cea a construcției de autovehicule. De asemenea, nu pot fi ignorate aplicațiile în domeniul electrotehnic, bazate pe tendința redusă de gripare a acestor materiale.

Prin folosirea materialelor de ranforsare, s-au putut înlocui aliajele feroase cu cele neferoase ușoare (Al, Mg), fără să fie afectate negativ – ci uneori chiar îmbunătățite – o serie de calități privind rezistența specifică, modulul de elasticitate, rezistența la uzare ș.a. Față de compozitele cu matricea din polimeri, compozitele metalice rezistă mai bine la temperaturi înalte și nu sunt inflamabile sau higroscopice. Ca material complementar se folosesc fibre metalice (tabelul 1.1), fibre nemetalice (tabelul 1.2) sau particule diversificate după natura lor chimică și după formă sau dimensiuni.

Tabelul 1.1

Domenii de utilizare a compozitelor cu matricea metalică și fibre metalice

Tabelul 1.2

Domenii de utilizare a compozitelor cu matricea metalică și fibre nemetalice

Printre primele compozite metalice produse se numără Al/B, fibrele de bor având valori mari pentru modulul de elasticitate, rezistență la tracțiune și compresiune și o greutate redusă. Un astfel de material a fost folosit pentru structura de susținere a navetelor spațiale.

Fiind ușoare, rigide, cu coeficient de dilatare scăzut, materialele compozite metalice sunt foarte utile în aplicațiile spațiale. În spațiu, în funcție de direcția de incidență a radiațiilor solare, piesele sunt solicitate termic diferit, apărând diferențe locale de temperatură de sute de grade, care conduc la distorsionarea excesivă a componentelor din aluminiu (cu un coeficient de dilatare de 2410-6 K-1). Prin ranforsarea cu fibre de carbon se poate realiza un coeficient de dilatare termică apropiat de zero, fără să fie influențată greutatea.

Compozitele cu matricea din aliaje de Ni și Co, cu fibre de Al2O3, carburi de tantal, zirconiu rezistă bine la temperaturi înalte și se pot folosi pentru realizarea unor piese din componența motoarelor utilizate în industria aeronautică sau spațială.

Materialele Al/Al2O3 și MgAl2O3 au rigiditate și rezistență la uzare mari, cuplate cu o rezistență mare la temperaturi înalte, fiind aplicabile în realizarea unor componente pentru automobile. De altfel, în industria de autovehicule, s-au impus deja numeroase materiale compozite metalice pentru fabricarea diverselor repere din cadrul motorului, suspensiilor, sistemelor de direcție și frânare (tabelul 1.3). Aplicațiile se referă în special la echipamentul mobil (biele, pistoane, axul pistonului) și la piesele solicitate la oboseală termodinamică.

Tabelul 1.3

Aplicații ale compozitelor metalice în construcția de mașini

Ranforsarea cu fibre se poate face integral, în cazul pieselor simple sau parțial, în porțiunile cele mai solicitate, combinând eventual diverse tipuri de materiale de ranforsare. Ranforsarea locală se poate realiza prin inserția materialului compozit (prin turnare, sudare) sau prin impregnarea unei preforme și a devenit o tehnică de rutină. Prin aplicarea acestui procedeu, la construcția pistoanelor pentru motoarele Diesel, s-au realizat pistoane de o calitate mai bună și cu 15% mai ieftine decât pistoanele tradiționale.

Compozitele metalice cu particule ceramice sau din grafit au un număr mare de posibile aplicații industriale, în mod deosebit ca materiale antifricțiune pentru construcția lagărelor de autovehicule și mașini-unelte, a unor repere ale motoarelor Diesel marine, vagoneților, sistemelor de transmisie, ventilatoarelor, pompelor etc.

O altă aplicație constă în realizarea contactelor electrice alunecătoare și a colectoarelor de curent.

Aluminiul, datorită densității sale reduse și a rezistenței mari la oxidare progresivă, este materialul care a căpătat cea mai mare extindere, ca matrice a compozitelor cu particule (tabelul 1.4).

Tabelul 1.4

Domenii de utilizare a compozitelor cu matrice de aluminiu și particule

Compozitele metalice cu particule de grafit, care prezintă proprietatea de autolubrifiere și nu au tendință de gripare, constituie o categorie vastă de materiale, având aplicații multiple (tabelul 1.5) în sistemele tribologice care lucrează la temperaturi înalte, când apare posibilitatea pierderii lubrifiantului lichid.

Tabelul 1.5

Aplicații ale compozitelor metalice cu particule de grafit

Compozitele Al/grafit sunt folosite în diverse aplicații ca materiale antifricțiune. Analiza calității compozitelor turnate a arătat că aceste materiale au proprietăți superioare celor obținute prin metalurgia pulberilor. În plus, turnarea reprezintă un procedeu ieftin și nu este limitat de mărimea produselor. Materialul matricei este frecvent alcătuit din aliaj Al-Si sau Al-4,5Cu, iar conținutul volumetric de grafit variază între 1 și 50%.

Filmul de grafit, cu rol de lubrifiere, devine continuu la un conținut volumetric mai mare de 2%. Materialele compozite Al/grafit înlocuiesc cu succes aliajele Cu-Pb-Sn-Cd utilizate la fabricarea lagărelor și pot fi folosite la producerea pistoanelor, cămășilor de cilindru și a altor repere din construcția motoarelor, conducând la reducerea uzării și economisirea combustibilului folosit în motoarele cu ardere internă. Apar și alte avantaje, legate de micșorarea greutății motorului și evitarea gripării, specifice pornirilor la cald sau situațiilor de pierdere a lubrifiantului.

Lagărele din Al/grafit pot să înlocuiască pe cele din bronz folosite la producerea mașinilor unelte, ventilatoarelor electrice, pompelor de apă și motoarelor Diesel marine.

Compozitele Ag/grafit (5 … 25% volum) sunt ideale pentru realizarea contactelor electrice alunecătoare deoarece sunt silențioase, au rezistență electrică scăzută și stabilă, coeficient redus de frecare și conductivitate electrică mare. Materialele Ag/grafit se folosesc numai în aplicațiile care le justifică prețul lor ridicat.

De asemenea, trebuie menționate materialele de tip fagure (obținute prin lipire cu adezivi), cu goluri de forma unor celule hexagonale, care, fiind ușoare și rezistente, sunt deja considerate ca materiale specifice industriei aeronautice.

Extinderea în viitor a aplicațiilor compozitelor metalice, îndeosebi în domeniul construcțiilor de autovehicule, implică însă anumite cerințe care necesită rezolvare:

realizarea de investiții pentru introducea unor procedee de prelucrare a compozitelor cu materiale de ranforsare dure (SiC, Al2O3);

schimbarea sau adaptarea principiilor de proiectare a pieselor și ansamblurilor, ținând seama de proprietățile specifice pe care le prezintă materialele compozite;

îmbogățirea pe cale experimentală a cunoștințelor privind: comportarea la frecare, rezistența la uzare, prelucrabilitatea, tenacitatea și rezistența la oboseală;

dezvoltarea procedeelor de control, care să asigure verificarea conținutului și distribuției materialelor de ranforsare în interiorul pieselor, metodele clasice de control al calității fiind considerate în mare parte inadecvate;

analiza posibilităților de reciclare a deșeurilor rezultate în urma prelucrării: de exemplu, tratarea specifică a topiturilor pentru îndepărtarea materialului complementar;

rezolvarea unor probleme care țin de producerea prin turnare a compozitelor: fluiditatea materialului în stare semisolidă, porozitatea reziduală, deformarea preformei, fenomenele de segregare gravitațională ș.a.;

găsirea unor materiale metalice noi mai ieftine pentru realizarea matricei și a unor aliaje la care microstructura sau microsegregarea sunt mai puțin afectate la solidificare de prezența componentei de ranforsare;

dezvoltarea compozitelor la care materialul de ranforsare se creează în timpul unei solidificări dirijate;

studierea mai aprofundată a proceselor chimice de la interfața matrice-material complementar, care influențează într-o măsură importantă calitatea compozitelor;

stabilirea unor metode specifice de testare a prototipurilor;

restructurarea strategiei de promovare a folosirii materialelor compozite în diferite aplicații industriale.

Materialele compozite ceramice au cunoscut o dezvoltare spectaculoasă în ultima perioadă datorită proprietăților fizice și chimice atrăgătoare pe care le au: inerție chimică în mediu oxidant până la temperaturi înalte (1400C SiC, 1600C Si3N4), rezistență la uzare și coroziune mai bună decât a metalelor ș.a.

Compozitele cu matrice de sticlă sinterizată și fibre de carbură de siliciu sunt utilizate îndeosebi pentru caracterul lor refractar și izolator. Deoarece suportă bine temperaturi de până la circa 1630C – fără să-și modifice semnificativ proprietățile – se pot folosi la placarea vehiculelor orbitale și a scuturilor de protecție termică pentru navetele spațiale.

Un domeniu în care compozitele ceramice sunt de neînlocuit îl reprezintă cel al producerii sculelor așchietoare prin tehnica presării și sinterizării pulberilor. Se exploatează astfel tehnologic duritatea excepțională a unor carburi și oxizi, care se menține nealterată până la temperaturi foarte înalte, specifice proceselor de așchiere.

Materialele de bază de Si3N4 cu particule sau fibre (din TiN, SiC, boruri ș.a.), cu densitate relativ redusă și rezistență foarte bună la uzare, și-au găsit utilitatea în numeroase aplicații în domeniul aerospațial, în construcția de autovehicule sau în industria metalurgică.

Datorită perspectivelor deosebite pe care le-au deschis și a avantajelor evidente pe care le prezintă, compozitele vor cunoaște o permanentă diversificare și se vor menține probabil încă multă vreme în atenția specialiștilor ca materiale strict necesare pentru tehnologiile viitorului.

Capitolul 2

ELEMENTE CARACTERISTICE MATRICELOR MATERIALELOR COMPOZITE

2.1. CONDIȚII GENERALE

Matricea materialelor compozite trebuie să fie constituită dintr-un material capabil să înglobeze componenta dispersă, care să nu o distrugă prin dizolvare, topire, reacție chimică sau acțiune mecanică.

Rezistența compozitului la temperatură și la coroziune sau oxidare este determinată în primul rând de natura matricei.

În cele mai multe cazuri, matricea reprezintă partea plastică deformabilă a materialului compozit, având o rezistență mecanică scăzută față de a materialului complementar pe care îl include.

Alegerea matricei se face în funcție de scopul urmărit și de posibilitatea de producere a compozitului. În tehnologiile actuale, se folosesc numeroase tipuri de matrice de natură organică, metalică, ceramică, din sticlă sau carbon. O comparație a câtorva tipuri de matrice în funcție de temperatura de utilizare și densitate este prezentată în figura 2.1.

Fig. 2.1. Domeniul termic de utilizare și densitatea pentru principalele categorii de matrice

2.2. MATRICE METALICE

Matricele metalice s-au folosit din necesitatea de-a obține compozite care să poată fi utilizate la temperaturi relativ înalte, comparativ cu cele cu matrice organică. Metalele (aliajele) prezintă și alte proprietăți care le recomandă în calitate de matrice: proprietăți mecanice bune, conductivitate mecanică și conductivitate electrică mari, rezistență mare la aprindere, stabilitate dimensională, capacitate bună de prelucrare, porozitate (determinată de gaze) scăzută. În schimb, densitatea este relativ mare (1,74 … 7,0 g/cm3), iar fabricarea compozitelor este uneori destul de dificilă. Principalele aliaje folosite ca matrice sunt cele pe bază de Al, Cu, Mg, Ti, Fe, superaliaje ș.a. (tabelul 6) și ele intră în procesul de fabricație în stare solidă (pulbere), lichidă, păstoasă sau în stare de vapori.

În cazul matricelor metalice, rezistente la temperaturi înalte, nu se poate folosi un material complementar organic, ci de natură ceramică sau metalică.

Pentru materialele destinate produselor care lucrează la temperaturi mai scăzute de 450C, se poate utiliza ca matrice metalică aluminiul și aliajele sale datorită costului relativ scăzut, densității mici, conductivității termice mari, fluidității bune sau prelucrării ușoare. În vederea îmbunătățirii comportării aliajelor de aluminiu la temperaturi înalte se recomandă utilizarea titanului ca element de aliere. Prezența titanului conduce la precipitarea fazei de TiAl3, care mărește stabilitatea termică și influențează pozitiv caracteristicile structurii primare (temperatură înaltă de topire, Tt = 1330C; rețeaua cristalină a aluminiului se cuplează cu un minimum de deformare elastică cu rețeaua tetragonală a TiAl3; difuzibilitate scăzută în aluminiu D = 1,6910-14 cm2/s).

Tabelul 2.2.1

Proprietăți termofizice ale principalelor materiale

utilizate ca materie metalică

În ultimul timp, s-au impus mai mult titanul și aliajele sale care prezintă o ductibilitate bună, iar interacțiunea chimică cu materialul complementar poate fi ținută sub control. Titanul prezintă două stări alotropice:

-Ti, stabilită la temperaturi mai scăzute de 882C, având o rețea cristalografică hexagonală compactă;

-Ti, stabilită la temperaturi mai înalte de 882C și caracterizată de o rețea cubică cu volum centrat.

Aceste materiale au densități mici și rezistență la rupere bună (în special aliaje de titan aliat cu Al, V, Mo, Cr etc.) fragilitate la rece redusă, iar coeficientul de dilatare liniară este de 1,4 ori mai mic decât cel al fierului și de 2,8 mai mic decât cel al aluminiului, ceea ce înseamnă o mai mare stabilitate la temperaturi înalte.

Elementele de aliere modifică în limite largi temperatura de transformare alotropică și permite menținerea sub control a interacțiunii chimice dintre matrice și materialul complementar.

2.3. MATRICE ORGANICE

Metalele organice folosite frecvent ca matrice sunt cele termoplastice și cele termorigide (tabelul 2.3.1).

Tabelul 2.3.1

Proprietăți ale unor materiale folosite ca matrice

Proprietățile materialelor plastice sunt dependente aproape în exclusivitate de temperatură, comportarea lor fiind determinată de:

mărimea forțelor de legătură dintre atomi;

numărul de legături chimice pe unitatea de volum;

rezistența la degradare a legăturilor sub acțiunea unor agenți externi.

Materialele termoplastice fac parte din categoria homopolimerilor cu structură liniară sau ramificată. Comparativ cu cele termorigide, prezintă tenacitate mai bună și un ciclu mai scurt de fabricație.

Ca materiale termoplastice utilizate frecvent pentru realizarea compozitelor organice se pot aminti: rășinile poliesterice, polietilena densă, polistirenul, polipropilena, policlorura de vinil, poliamidele, polisulfonele, etc.

Rășinile poliesterice prezintă proprietăți mecanice și electrice bune până la temperatura de 120C, stabilitate dimensională, dar au slabă rezistență la coroziune.

Materialele termorigide sunt caracterizate de creșterea densității rețelelor de monomeri cu temperatura, ceea ce conduce la micșorarea plasticității materialelor.

Pentru compozitele care lucrează la temperaturi peste 300C, se recomandă utilizarea unor matrice din poliimide. Aceste materiale au stabilitate dimensională la temperaturi înalte și se comportă bine în condiții de umiditate și pot suporta pe durată scurtă temperaturi de până la 475C. Rezistența la rupere la temperata de 20C este de 90 MPa, iar la 230C de 12,4 MPa.

2.4. MATRICE CERAMICE

Ceramica tehnică este tot mai frecvent utilizată pentru realizarea compozitelor, deoarece această categorie de materiale este caracterizată prin proprietăți intrinseci deosebite (tabelul 2.4.1), datorate în principal legăturilor interatomice (legături puternice ionice-covalente care limitează mișcarea electronilor):

rezistență mecanică mare la temperaturi înalte;

valori mari ale rezistenței la rupere; uneori, mai mari decât ale celor mai bune oțeluri;

rezistență la oxidare și la agenți chimici;

densitate de două ori, trei ori mai mică decât a oțelurilor;

valori specifice ale modului de elasticitate superioare celor ale oțelurilor;

duritate mare, stabilă la creșterea temperaturii.

Tabelul 2.4.1

Proprietățile materialelor ceramice

Fragilitatea mare pe care o prezintă aceste materiale, datorită defectelor interne și superficiale, se reduce substanțial prin prezența materialului complementar (sub formă de fibre), care blochează procesul de propagare a microfisurilor, determinând astfel îmbunătățirea tenacității.

Matricele ceramice pot să includă: alumină (Al2O3), oxid de zirconiu (ZrO2), carbură de siliciu (SiC), nitrură de siliciu (Si3N4) sau amestecuri ale acestor componente și compuși complecși (Al2O3Y2O3, 3Al2O32SiO2, Al2O3MgO).

Capitolul 3

MATERIALE COMPLEMENTARE

Materialele complementare, utilizate în scopul ranforsării energiei matricei sau pentru inducerea proprietății de autolubrifiere materialului compozit, diferă între ele prin natura chimică și configurație.

După configurație materialele complementare se împart în două mari categorii: fibre și particule, fiecare categorie incluzând numeroase alte tipuri, diferențiate după mărime, după raportul lungime / diametru și după compoziția chimică în secțiune transversală.

Comparativ cu fibrele, particulele sunt mai ușor de realizat și de înglobat în materialul matricei. În schimb, fibrele sunt de neînlocuit dacă se urmărește obținerea unui compozit cu tenacitate mare.

3.1. MATERIALE SUB FORMĂ DE FIBRE

3.1.1. Tipuri de fibre

Fibrele sunt folosite ca elemente de ranforsare, având rolul de-a prelua o mare parte din solicitările la care este supus materialul matricei. În funcție de natura matricei și scopul urmărit, fibrele se realizează din substanțe organice, metalice, ceramice sau cupluri de astfel de materiale, de forme și mărimi diferite.

Un criteriu important pentru clasificarea fibrelor (fig. 3.1.1.1) este raportul dintre lungime și diametru. După structură, fibrele pot fi policristaline, monocristaline sau amorfe.

.

Fig. 3.1.1.1 Clasificarea fibrelor folosite la producerea materialelor compozite

Fibrele continue ;

Fibrele discontinue se pot produce ca atare sau rezultă prin fragmentarea (tocarea) fibrelor cu lungime mai mare și se împart în următoarele categorii:

fibre discontinue lungi ;

fibre discontinue scurte ;

fibre discontinue foarte scurte (whiskers)

Fibre discontinue, lungi și scurte, se pot obține din orice material, însă în tehnica producerii materialelor compozite prezintă un interes deosebit cea din ceramică, sticlă și carbon.

Fig. 3.1.1.2. Modalități de dispunere a fibrelor continue în matrice

3.1.2. Caracteristici fizice generale ale fibrelor

Fibrele se pot introduce în matrice într-o proporție de până la 30% (volum), în cazul fibrelor discontinue, și de până la 60 … 80%, în cazul celor continue. Prin modul de poziționare în matrice se obțin proprietăți omogene (izotrope), dacă orientarea este aleatoare, și proprietăți neomogene (anizotrope) dacă orientarea este selectivă, situație caracteristică fibrelor continue.

Caracteristicile fibrelor care prezintă interes tehnologic sunt: rigiditatea, densitatea (scăzută), duritatea (mare), coeficientul de dilatare termică (redus), rezistența specifică la rupere (mare), flexibilitatea (proprietate importantă la realizarea împletiturilor) și coeficientul de formă.

3.1.3. Caracteristici chimice generale

O cerință esențială care apare la utilizarea fibrelor este ca matricea să adere cât mai bine la suprafața materialului complementar, fără să apară procese importante de coroziune.

În cazul unor reactivități mari ale fibrelor față de matrice, se recomandă acoperirea fibrelor cu materiale nereactive, inhibându-se astfel procesul de coroziune. Tehnica acoperirii se aplică frecvent pentru tratarea fibrelor de carbon, bor sau carbură de siliciu.

În matricele metalice, fibrele de carbon trebuie protejate împotriva formulării carburilor sau împotriva coroziunii electrolitice.

Efectul distructiv al unei reacții chimice poate fi limitat și prin adoptarea unei anumite tehnologii de producere a compozitelor, care evită desfășurarea intensă a acestor reacții.

3.1.4. Tehnici de producere a fibrelor

Metodele de producere a fibrelor s-au dezvoltat în paralel cu creșterea interesului pentru aceste materiale. Deși există o mare varietate de procedee de fabricație, tehnologiile actuale se pot încadra în următoarele trei categorii principale distincte:

tragerea din topitură, folosită pentru producerea a 50 … 60% din fibrele de sticlă și de alumină-silice, sau extracția din topitură, utilizată la obținerea fibrelor din aliaje amorfe;

transformarea în stare solidă, metodă utilizată la producerea fibrelor de carbon, carbură de siliciu, alumină-silice sau oxid de zirconiu, atât pentru cele continue (multifilamente), cât și pentru cele discontinue obișnuite. Procesul are la bază folosirea unui precursor sub formă de fibre, transformat în urma unui tratament termic în materialul care se urmărește să se obțină în final;

creșterea în stare de vapori, metodă folosită pentru producerea fibrelor foarte scurte (monocristaline) sau a fibrelor continue monofilament. Fibrele monofilament se obțin prin depunerea unui material pe fibre suport (cum ar fi depunerea de carbură de siliciu sau de bor pe fibre suport de wolfram sau carbon).

Fiecare din metodele prezentate au avantaje și dezavantaje. Astfel, de exemplu, tragerea din topitură este foarte ieftină, dar nu asigură calitate superioară fibrelor produse. Dimpotrivă, metoda cunoscută sub numele de creștere din stare de vapori conduce la obținerea unor fibre de calitate excepțională, dar care au un cost mare.

3.1.5. Fibre de carbon

Tehnica de producere a fibrelor de carbon constă dintr-o piroliză controlată, urmată de o orientare dirijată a structurii prin tratamente termice și metalice. Materia primă este diversă, putându-se folosi în toate stările de agregare în care se găsesc substanțele pe bază de carbon:

solidă: cărbune amorf asfalt de petrol, fibre organice (celuloză, mătase, poliacrilonitril);

lichidă: petrol, uleiuri aromatice, gudroane;

gazoasă: hidrocarburi, acetilenă.

Obținerea fibrelor de carbon din gudroane sau resturi aromatice cuprinde o succesiune de operații de purificare, filtrare, încălzire controlată (cu agitatoare), filare și prelucrare termică. Principalele etape tehnologice sunt prezentate schematic în figura 3.1.5.1.

Fig. 3.1.5.1. Succesiunea operațiilor efectuate la producerea fibrelor de carbon din gudroane și resturi aromatice

3.1.6. Fibre de sticlă și de cuarț

Fibrele de sticlă reprezintă 80 … 85% din producția de fibre folosite pentru armarea materialelor plastice.

Se pot folosi până la temperaturi de până la 700C și prezintă următoarele caracteristici tehnologice importante:

rezistență mecanică și modul de elasticitate mari;

conductivitate termică redusă ( = 0,0035 … 0,058 W/mK);

rezistență mare la coroziune pentru un conținut total de oxizi alcalini mai mic de 1%;

higroscopicitate practic nulă.

3.1.7. Fibre de carbură de siliciu

Carbura de siliciu, SiC, are o structură compusă din plane de tetraedre de tip SiC4 sau CSi4, care pot să se suprapună paralel sau antiparalel (figura 3.1.7.1.).

Fig. 3.1.7.1..Modul de suprapunere a tetraedrelor de SiC

a – paralel (tip a); b – antiparalel (tip b)

Prin așezarea straturilor în paralel se poate obține varietatea de SiC care prezintă o secvență de așezare de tip „aaa”, celula elementară fiind cubică, și poartă denumirea de -SiC sau -SiC(3C). Toate celelalte varietăți (hexagonale sau romboedrice) au notația generică -SiC.

Carbura de siliciu SiC prezintă numeroase caracteristici fizico-chimice remarcabile, care o fac utilizabilă în tehnologiile de vârf ale producției de materiale.

Rezistența mecanică este mare și stabilă până la temperaturi înalte (figura 18). La temperaturi de peste 2000C, în atmosferă reducătoare, carbura de siliciu începe să se disocieze în elementele componente, iar la circa 3000C sublimează.

Duritatea este cuprinsă între cea a corindonului și a carburii de bor, datorită legăturilor covalente similare celor ale atomilor de carbon din diamant.

Dilatarea termică a carburii de siliciu este redusă și apropiată de cea a silicatului de zirconiu, asigurându-i o rezistență mare la oxidare. Prin oxidare superficială se formează un strat coerent de SiO2, care împiedică oxidarea în continuare a carburii de siliciu fără să existe riscul desprinderii stratului apărut.

Modulul de elasticitate este mare, ceea ce ar însemna rezistență redusă la șoc termic, însă valorile mari ale rezistenței mecanice și conductivității termice compensează acest dezavantaj.

3.1.8. Fibre de alumină și alumină-silice

Alumina folosită la fabricarea fibrelor are la bază, de regulă, forma -Al2O3, oxid cu o structură romboedrică, având ionii de oxigen situați într-o rețea hexagonală densă. Ionii de Al3+ au sarcină mare și sunt capabili să modifice modul simetric de aranjare a ionilor de oxigen. Polarizarea produsă conferă un caracter parțial covalent (37%) și refractaritate mare, alumina topindu-se la 2050C.

În cazul materialelor din familia alumină-silice, a căror diagramă de echilibru este prezentată în figura 3.1.8.1, se disting trei tipuri de fibre:

fibre răsucite din sticlă de aluminosilicat (conținând 50 … 60% alumină), denumite și fibre caolin, care s-au produs inițial doar pentru caracterul lor izolator;

fibre policristaline, conținând 70 … 80% alumină, care se numesc fibre de mullit (mullitul fiind singurul compus definit în sistemul Al2O3-SiO2, Al6Si2O12);

fibre cu conținut de alumină mai mare de 80% (superaluminoase).

Fig. 3.1.8.1. Diagrama de echilibru a Al2O3-SiO2

3.1.9. Fibre de bor

Fibrele de bor prezintă interes datorită unor proprietăți de excepție: densitate relativ redusă (2,6 g/cm3), rezistență la rupere mare (3500 MPa), modul de elasticitate mare (400 GPa), duritate superioară corindonului și punct înalt de topire.

În schimb, sunt extrem de fragile și deci, nu pot fi obținute prin tragere din topitură (ca fibrele de sticlă). De aceea, tehnologia clasică a producerii fibrelor de bor constă în depunerea borului din faza gazoasă (de obicei, un amestec BCl3 – H2), pe un fir subțire de wolfram incandescent cu diametrul de circa 10 m.

3.1.10. Fibre metalice

Fibrele metalice, deși au proprietăți mecanice bune, sunt utilizate într-o mai mică măsură datorită densității lor mari.

Producerea unor filamente subțiri necesită costuri mari. Astfel, cu cât se micșorează grosimea firului metalic, cu atât crește costul de producție, deoarece se măresc investițiile în utilaje.

Fibrele metalice, realizate din oțeluri nealiate, oțeluri inoxidabile, titan wolfram ș.a. se obțin prin procedee mecanice, electrochimice sau prin extragere din topitură.

Realizarea filamentelor direct din topitură reprezintă varianta cea mai convenabilă din punct de vedere economic.

3.2. MATERIALE SUB FORMĂ DE PARTICULE

3.2.1. Elemente caracteristice

Folosirea materialului complementar sub formă de particule a cunoscut o mare extindere, deoarece prezintă unele avantaje importante, cum ar fi:

cost scăzut (în comparație cu fibrele, particulele sunt mai ieftine);

tehnologii simple de înglobare și dispersare a particulelor în matrice;

posibilitatea obținerii unor materiale izotrope (izotropie locală sau pe întreaga secțiune a compozitului).

Există o mare varietate de particule produse din SiC, grafit, Al2O3, mică, SiO2, zircon, nitrură de bor, sticlă, MgO, TiC, AlN, Si3N4, alice din oțel sau fontă, ZrO2, TiO2, Pb, Yn ș.a., cu dimensiuni variind în limite foarte largi, de la mai puțin de un micron (microcristale) până la 500 de microni și chiar mai mari.

Particulele, mari sau mici (microparticule), de formă sferică, plată sau de altă configurație, se utilizează, în special, pentru producerea compozitelor cu rezistență mare la uzare, asigurând produsul realizat greutate redusă, stabilitate dimensională remarcabilă și capacitate mare de amortizare a vibrațiilor.

Prezența particulelor conduce însă la micșorarea alungirii și deci a tenacității materialului (comparativ cu alungirea și tenacitatea matricei), care determină limitarea folosirii acestora doar la producerea compozitelor care nu sunt solicitate excesiv la șoc mecanic și termic.

Particulele se folosesc, în cele mai multe cazuri, la producerea materialelor compozite cu matrice metalică. Fiind relativ ieftine și ușor de produs, compozitele metalice cu particule s-au diversificat foarte mult (tabelul 3.2.1.1.) și reprezintă în momentul de față o categorie de materiale de care nu se poate face abstracție.

Tabelul 3.2.1.1.

Materiale sub formă de particule utilizate la producerea compozitelor

3.2.2. Procedee de obținere a particulelor

Pulberile folosite la realizarea materialelor compozite se produc prin diverse procedee chimice sau fizice, fiind preferate metodele care asigură grad mare de finețe și puritate a particulelor.

Particulele foarte fine de SiC, de exemplu, folosite intens la armarea matricelor metalice, se pot obține prin numeroase tehnici. O astfel de metodă constă în realizarea pulberii prin reacții în stare de vapori, produse într-un reactor de plasmă. În mod uzual, procesul se bazează pe următoarele reacții:

SiH4 + CH4 SiC + 4 H2 (3.2.1)

(CH3)4Si SiC + 3 CH3 (3.2.2)

CH3SiCl3 SiC + 3 HCl (3.2.3)

SiCl4 + CH4 SiC + 4 HCl (3.2.4)

Temperaturile la care se desfășoară primele două reacții sunt de 1300 … 1400C și respectiv 900 … 1400C, iar celelalte au loc la peste 2000C.

Schema unei instalații de obținere a particulelor de -SiC, pornind de la SiCl4 și utilizând un reactor cu plasmă, este prezentată în figura 3.2.1.1.

Pulberile ceramice se pot obține prin procedee mecanice, realizându-se particule cu dimensiuni foarte mici (micronice sau submicronice).

Fig. 3.2.1.1. Schema instalației de producere a SiC:

1 – dispozitiv de producere a plasmei; 2 – reactor; 3 – termocupluri; 4 – colector; 5 – separator; 6 – filtru; 7 – sistem de alimentare; 8 – vaporizator.

Schema de principiu, cuprinzând etapele producerii particulelor ceramice pe cale mecanică, este prezentată în figura 3.2.1.2.

Fig. 3.2.1.2. Succesiunea operațiilor la obținerea particulelor ceramice fine pe cale mecanică

În esență, procedeul constă într-o serie de operații de măcinare, care reduc succesiv mărimea particulelor.

Premăcinarea are rolul de-a reduce dimensiunile inițiale ale particulelor până la aproximativ 300 m.

Măcinarea uscată și sortarea se desfășoară concomitent și conduc la obținerea unor particule cu dimensiuni de circa 4 m.

Etapa următoare constă într-o măcinare umedă, prin care se realizează micșorarea în continuare a mărimii particulelor.

Pulberea astfel obținută este supusă unui proces de uscare sub jet, prin care se evită aglomerarea particulelor și se îndepărtează umiditatea până la 0,1%.

Etapa finală o reprezintă măcinarea în jet, care se realizează prin ciocnirea reciprocă a particulelor, deplasate cu viteză mare sub acțiunea unui agent de antrenare (aer comprimat), și duce la obținerea unei pulberi fine (cu diametrul mai mic de 3 m). Când se urmărește producerea unor particule cu dimensiuni foarte reduse (mai mici de un micron), se repetă operația de măcinare.

Particulele metalice din oțel sau fontă reprezintă un excelent material de armare utilizat, în special, în cazul matricelor din aliaje pe bază de cupru. Particulele au duritate mai mare decât cea a matricei, iar aceasta din urmă posedă plasticitate bună asigurând reținerea fermă a materialului dispersat.

Procesul de producere a granulelor metalice constă în dispersarea cu jet de apă (sau gaz) a aliajului lichid aflat în cădere. În acest scop, au fost proiectate și construite numeroase instalații moderne, de mare productivitate.

În figura 3.2.1.3. sunt ilustrate câteva scheme de dispersare a aliajului lichid cu ajutorul unor dispozitive de ejecție a fluidului de pulverizare.

Fig. 3.2.1.3. Variante pentru dispersarea aliajului lichid:

1 – aliaj lichid; 2 – conductă pentru introducerea agentului de pulverizare; 3 – jgheab.

Prin acest procedeu de obținere a alicelor se realizează viteze foarte mari de răcire, cuprinse între 103 și 1010 C/s.

O instalație completă de realizare a granulelor metalice este schițată în figura 3.2.1.4.

În principiu, funcționarea instalației constă în următoarele: aliajul este deversat din oala de turnare într-o cameră de pulverizare 16, granulele produse căzând într-o baie de răcire. Extrase cu un electromagnet, alicele (din aliaje feroase) se usucă într-un cuptor rotativ 4, după care se tratează termic în cuptoarele 10. De la extragerea din baia de răcire și până la etapa finală, granulele se sortează succesiv cu ajutorul mai multor sisteme de sitare, obținându-se o gamă dimensională variată.

Înainte de utilizare, alicele se curăță de stratul de oxizi rezultat în procesul de fabricație. Curățirea se face pe cale mecanică (în tobe rotitoare) sau chimică (prin decapare).

Fig. 3.2.1.4. Schema unei instalații complete de producere a granulelor metalice:

1 – jgheab de turnare; 2 – disc electromagnetic; 3 – sită; 4 – cuptor rotativ de uscare; 5 – elevator; 6 alimentator; 7 – site; 8 – recipiente; 9 – alimentator; 10 – cuptoare pentru tratamentul termic de revenire; 11 – site în cascadă; 12 – container pentru alice rebutate; 13 – containere pentru transport; 14 – transportor cu melc; 15 – container; 16 – cameră de pulverizare (cilindrică, având diametrul de 4,5 m și înălțimea de 6 … 10 m)

3.3 Sisteme compatibile matrice-material complementar

3.3.1. CRITERII DE COMPATIBILITATE

La proiectarea oricărui material compozit trebuie avută în vedere compatibilitatea dintre elementele componente, compatibilitate care poate fi privită sub aspect fizic și chimic.

În ceea ce privește compatibilitatea fizică, un factor important îl reprezintă diferența, , în valoare absolută, dintre coeficienții specifici de dilatare a matricei, m, și materialul complementar, c.

La temperaturi la care matricea și materialul dispersat nu mai suferă deformări plastice, diferența dintre coeficienții de dilatare:

= (T – 20) (3.3.1)

T fiind temperatura, în C, determinată de apariția tensiunilor interne, periculoase, cu efecte negative care decurg din acestea.

O compatibilitate fizică bună, în cazul compozitelor ceramice, se consideră că este realizată dacă are valori mici – matricea fiind fragilă – și dacă c > m (atunci când materialul complementar are capacitate mai mare de deformare).

O altă condiție, care apare la producerea compozitelor prin cuplarea materialului complementar cu matricea aflată în stare topită, este ca punctul de topire al fibrelor sau particulelor să fie superior celui al matricei. Se evită astfel degradarea prin topire a materialului dispersat.

Compatibilitatea chimică se referă la inexistența sau la desfășurarea într-o mică măsură a reacțiilor dintre componente. Astfel, la temperaturi înalte se intensifică procesele de difuzie și se pot forma compuși fragilizanți, care anulează legătura directă dintre componente, rezultând o scădere importantă a rezistenței mecanice a materialului compozit.

Stoparea proceselor de interacțiune chimică se poate realiza prin următoarele mijloace:

alegerea unor parametri convenabili de producere a materialului compozit, cum ar fi temperatura și durata procesului de realizare a amestecului;

alegerea unor anumite cupluri de materiale, în cazul cărora interacțiunile de la interfață sunt reduse;

acoperirea fibrelor sau particulelor cu materiale care să împiedice desfășurarea proceselor de difuzie între componente, procese care sunt direct răspunzătoare de interacțiunea chimică de la interfață.

Este necesar însă de precizat că nu întotdeauna se urmărește eliminarea completă a fenomenelor de natură chimică de la interfață, deoarece existența unei zone de interacțiune poate crea uneori o legătură puternică între componentele materialului compozit, având consecințe favorabile asupra comportării acestuia la solicitări mecanice.

Denumirea materialului compozit este dată de obicei de natura matricei, putându-se astfel distinge două categorii mari de compozite: metalice și nemetalice.

3.3.2. COMPOZITE METALICE

Compozitele metalice reprezintă o categorie distinctă de materiale. Față de compozitele cu matrice organică, aceste materiale pot fi folosite la temperaturi mai înalte, fiind rezistente la aprindere și la acțiunea solvenților organici, iar față de compozitele ceramice, prezintă tenacitate mai bună și pot fi prelucrate mai ușor.

Cele mai cunoscute compozite metalice au matricea pe bază de Al, Cu, Mg, Ni sau din aliaje feroase și superaliaje, faza dispersată (sub formă de fibre sau particule), fiind constituită din grafit, B/W, oxizi (Al2O3, Al2O3-SiO2, TiO2, ZrO2), carburi (SiC, TiC) sau nitruri (Si3N4, AlN).

O largă răspândire o au compozitele din sistemele: Al-grafit, Al-SiC și Al-Al2O3, care se folosesc până la temperaturi de circa 450C. Pentru temperaturi mai mari, când nu sunt probleme legate de greutatea piesei, se recomandă să se utilizeze compozitele pe bază de Ni și superaliaje.

În aplicațiile (numeroase), în care se cer proprietăți tribologice deosebite, se recomandă folosirea compozitelor metalice cu particule. Aceste compozite sunt mai ușor de obținut, comparativ cu cele cu fibre, și sunt deci mai ieftine, motiv pentru care au căpătat o mare răspândire.

Compozitele metalice se obțin în cea mai mare măsură prin turnare sau metalurgia pulberilor (ca pulberi metalice cele de Co, Ni, Cr, W, Mo, Ti, iar ca material ceramic pulberi de Al2O3, MgO, carburi, nitruri, boruri etc.).

În tabelul 3.3.2.1. sunt trecute câteva cupluri de materiale matrice-fază complementară, în special sub formă de particule, destinate turnării.

Criteriile care stau la baza alegerii fazei complementare sunt legate de proprietățile și forma geometrică a acesteia: densitatea, modulul de elasticitate, rezistența la rupere, punctul de topire, stabilitatea dimensională termică, mărimea și configurația fibrelor sau a particulelor, compatibilitatea fizică și chimică față de materialul matricei. Un factor de asemenea important este costul de producere, care se reflectă în prețul final al materialului compozit.

Tabelul 3.3.2.1.

Combinații matrice – fază complementară pentru obținerea componentelor turnate

CAPITOLUL 4

PROCEDEE DE OBȚINERE A MATERIALELOR COMPOZITE CU MATRICE METALICĂ

Odată cu lărgirea domeniului de aplicare a materialelor compozite metalice, s-au diversificat și metodele de producere și fasonare (figura 32), un accent deosebit punându-se pe procedeele care nu pretind investiții costisitoare, pe primul loc situându-se în acest sens modelele de turnare.

4.1. Metode de realizare a amestecului destinat turnării

Metodele folosite pentru introducerea materialului complementar în matricea lichidă sau semisolidă au la bază utilizarea unor forțe externe și urmăresc două scopuri:

înglobarea fazei secundare în metalul sau aliajul de bază prin învingerea forțelor de tensiune superficială, de visozitate și a forței arhimedice, care reprezintă o barieră în calea desfășurării acelui proces;

realizarea unui amestec cât mai bun al componentelor.

Principalele tehnici de producere a amestecului constau în:

introducerea materialului complementar într-o topitură sau într-un aliaj parțial solidificat, prin agitare mecanică;

injectarea materialului solid pulverulent cu ajutorul unui gaz purtător inert;

injectarea particulelor în jetul de aliaj la turnarea acestuia în formă;

înglobarea materialului pulverulent, sub formă de pelete sau brichete de dimensiuni mici, într-o baie metalică, agitată apoi prin amestecare manuală sau mecanică în scopul redispersării particulelor;

adăugarea fazei secundare în aliajul lichid și dispersarea acesteia cu ajutorul ultrasunetelor;

introducerea materialului complementar într-o baie metalică agitată electromagnetic;

dispersarea centrifugală a componentei solide în topitură;

producerea materialului dispersat în interiorul matricei pe cale chimică.

Câteva exemple concrete de realizare a unor compozite prin diverse metode sunt prezentate în tabelul 4.1.1.

Tabelul 4.1.1.

Moduri de realizare a unor compozite metalice (cu particule sau fibre discontinue)

Fig. 4.1.2. Metode de realizare a produselor din materiale compozite metalice

4.1.1. Amestecarea mecanică a componentelor

Metoda bazată pe amestecarea mecanică a componentelor s-a impus de la început, datorită simplității și costului relativ scăzut.

Varianta cea mai simplă (fig. 33) constă în adăugarea unei faze secundare în zona de vârtej, creată în topitură prin agitarea mecanică a acesteia cu ajutorul unui ax cu palete (procedeul VORTEX). Instalația prezentată schematic în figura 4.1.1.1. se compune dintr-o tijă rotitoare, antrenată de un motor electric cu turație variabilă, având la capăt un sistem de palete (metalice sau ceramice). Aliajul lichid, reprezentând matricea, este agitat puternic, apărând o zonă de vârtej în care se introduc cu ajutorul unor dispozitive de dozare, particule sau fibre discontinue.

Fig. 4.1.1.1. Instalație de tip VORTEX pentru agitarea mecanică a topiturii:

1 – creuzet; 2 – palete; 3 – cuptor; 4 – ax; 5 – motor electric; 6 – lagăre; 7 – cadru de sprijin

Prin introducerea progresivă a fazei solide, intensitatea agitării se micșorează, motiv pentru care turația axului cu palete trebuie adaptată al proporția de material complementar introdus în aliaj.

În cazul aliajelor cu oxidabilitate mare (cum ar fi cele din aluminiu sau magneziu), este necesar ca agitarea, prin care se mărește suprafața de contact cu aerul, să se realizeze într-o incintă cu atmosferă controlată sau în condițiile insuflării de argon deasupra băii metalice. Prezența unui gaz, chiar inert, este nedorită, deoarece în timpul agitării gazul este antrenat într-o oarecare măsură în topitură, iar la ieșire favorizează procesul de expulzare a componentelor solide. De aceea, agitarea în vid conduce la rezultate mai bune.

Fig. 4.1.1.2. Procesul de încorporare a particulelor de -SiC în topitura de aluminiu, la 1023K:

1 – SiC sub formă de pulbere (neînglobată); 2 – SiC sub formă aglomerată; 3- SiC sub formă dispersată în matrice.

Deplasarea lichidului în jurul particulelor solide are ca efect spălarea suprafeței acestora de impurități, îmbunătățind astfel condițiile de umectare.

Gradul de încorporare și de dispersare a fazei solide în matrice depinde de timpul de agitare. Într-o primă etapă, materialul complementar pătrunde în topitură sub formă de aglomerări, pentru ca ulterior să se producă dispersarea acestora. Cercetări în acest sens s-au realizat la producerea compozitelor cu matrice de aluminiu și particule de SiC cu diametrul de 14 m (fig. 4.1.1.2.).

La creșterea temperaturii topiturii, timpul necesar pentru agitare se reduce (fig. 4.1.1.3.).

Fig. 4.1.1.3. Efectul temperaturii topiturii de aluminiu asupra timpului de agitare

necesar înglobării particulelor de SiC:

1,2,3 – SiC sub formă de aglomerări; 4,5,6 – SiC sub formă dispersată;

1,4 – 1223K; 2,5 – 1073K; 3,6 – 993K

Particulele se introduc uneori în stare aglomerată, sub formă de pelete sau brichete de dimensiuni mici, pentru ca ulterior să fie dispersate uniform prin agitarea băii metalice. Recurgerea la această metodă se bazează pe faptul că în acest mod procesul de înglobare se realizează mai ușor.

Deși prin metodele de agitare mecanică (de tip VORTEX) conduc la rezultate satisfăcătoare, nu trebuie neglijate nici dezavantajele care apar:

posibilitatea introducerii unei proporții relativ reduse de componentă solidă, deoarece în general, materialul ceramic nu este umectat de aliajele lichide; aceasta face necesară folosirea acoperirilor care ridică prețul materialului compozit;

aglomerarea particulelor sau fibrelor discontinue în timpul înglobării și nedispersarea completă la continuarea agitării;

segregarea pozitivă sau negativă a fazei dispersate, ca urmare a diferențelor de densitate a componentelor;

fragmentarea particulelor sau fibre discontinue ca urmare a solicitărilor mecanice la care sunt supuse în timpul agitării;

flotarea fazei solide prin atașarea de bulele de gaz antrenate în baia metalică (atunci când agitarea nu se face în vid).

O variantă îmbunătățită de agitare mecanică prin care se elimină o serie din dezavantajele prezentate constă în folosirea instalației ilustrate în figura 4.1.1.4., realizat pentru producerea compozitelor pe bază de aluminiu.

Fig. 4.1.1.4. Instalația de amestecare mecanică a componentelor:

1 – tub pentru introducerea gazului inert; 2 – capac protector; 3 – elemente care împiedică formarea vârtejurilor; 4 – disc din fibre ceramice presate; 5 – element de legătură ceramic; 6 – conductă ceramică filetată; 7 – tub pentru admisia gazului inert și vidare; 8 – umplutură de ciment; 9 – inserție de alumină poroasă; 10 – strat de material complementar; 11 – topitură; 12 – creuzet; 13 – înfășurare inductoare; 14 – agitator.

Instalația cuprinde un creuzet din grafit 12 încălzit cu inductorul 13. La partea inferioară a creuzetului se montează un filtru de alumină 9 pe care se atașează un disc permeabil 4, realizat din fibre ceramice presate, prin care topitura de aluminiu nu poate pătrunde. Elementele tubulare 5 și 6 fac legătura dintre materialele refractare și tubul metalic 7 prin care poate să pătrundă argon uscat și se poate realiza un mediu vidat. Agitatorul 14 cuprinde o singură paletă orizontală, iar creuzetul este acoperit cu capacul 2 pentru a se putea menține o atmosferă de gaz inert deasupra băii metalice. Elementele 3 au rolul de a limita turbulența suprafeței topiturii și formarea vârtejurilor.

Creuzetul se preîncălzește la o temperatură care depășește cu 100C temperatura lichidus a aliajului matricei, se plasează materialul de ranforsare, care la rândul său se preîncălzește, după care se insuflă argon pe la partea inferioară. După oprirea admisiei gazului inert, se toarnă aliajul lichid. Se videază stratul de material complementar, se introduce agitatorul (preîncălzit) și se plasează aproape de componenta solidă. Agitatorul coboară progresiv pe măsură ce faza solidă este înglobată în lichidul antrenat într-o mișcare de rotație. După consumarea întregului strat de material complementar, operațiunea de vidare se întrerupe.

În vederea introducerii unei proporții mai mari de fază complementară și pentru evitarea producerii fenomenelor de segregare gravitațională, amestecarea se poate face folosindu-se matrice parțial solidificată (în stare semisolidă). Un dezavantaj important al metodei constă însă în aceea că, în cazul unui creuzet de dimensiuni mari, agitarea nu este uniformă, fiind localizată în zona elementului aflat în mișcare. Fenomenul este accentuat de faptul că aliajul parțial solidificat are viscozitatea mai mare în stare neagitată. Această proprietate poartă numele de tixotropie și exprimă capacitatea pe care o are un material de a-și reface, ca urmare a mișcării browniene, legăturile distruse prin acțiuni mecanice, procesul fiind o transformare izotermă reversibilă.

4.1.2. Injectarea componentei solide cu un gaz purtător inert

Prin injectarea materialului complementar în aliajul lichid, gazul inert se transformă în bule iar faza solidă pătrunde în topitură numai dacă vine în contact direct cu aceasta. Mecanismul desfășurării acestui proces, în cazul unei particule sferice, poate fi analizat secvențial luând în considerare următoarele două etape:

realizarea contactului particulă-aliaj lichid;

pătrunderea particulei în interiorul matricei.

Energia cinetică a particulei permite învingerea barierei de tensiune superficială la interfața lichid-gaz și pătrunderea acesteia în baia metalică. La pătrunderea în aliajul lichid pe distanța x (figura 4.1.2.1.), se efectuează un lucru mecanic ca urmare a variației energiei cinetice a particulei.

Fig. 4.1.2.1. Schema pătrunderii particulei în baia metalică

Corelația dintre diametrul critic al particulei, viteza de injectare și unghiul de umectare este ilustrată în figura 4.1.2.2.

După ce particula pătrunde în aliajul lichid, energia acesteia se consumă în continuare pentru învingerea forțelor de frecare și flotare. Prin urmare, distanța pe care o parcurge particula depinde de configurația și densitatea particulei, proprietățile topiturii metalice (densitate, viscozitate), precum și de viteza de injectare.

Fig. 4.1.2.2. Dependența diametrului critic al particulei de viteza de injectare și de unghiul de umectare

4.1.3. Dispersarea fazei complementare cu ultrasunete

La introducerea materialului pulverulent în matricea lichidă și tratarea amestecului cu ultrasunete, presiunea creată de acestea determină distrugerea peliculelor formate la limita de separație lichid-solid. În același timp, datorită fenomenului de cavitație se produc unde de șoc care realizează dispersia materialului complementar în matrice.

Eficiența tratării suspensiilor depinde de:

frecvența undelor ultrasonore;

amplitudinea oscilațiilor;

intensitatea câmpului ultrasonor;

timpul de acționare a ultrasunetelor;

modul de introducere a energiei ultrasonore în masa suspensiei;

viteza de propagare a undelor;

presiunea statică la care se desfășoară procesul de dispersare.

Schema de principiu a unei instalații de producere a ultrasunetelor este prezentată în figura 4.1.3.1.

Fig. 4.1.3.1. Schema unei instalații de producere a ultrasunetelor:

1 – sursă primară de energie; 2 – traductor; 3 – element de fixare și izolare; 4 – adaptor; 5 – concentrator de energie; 6 – cuplaj; 7 – element de transfer al energiei ultrasonore.

Dificultatea introducerii ultrasunetelor este legată de temperatura înaltă a aliajului care poate conduce la distrugerea elementului de transfer al energiei ultrasonore.

Tratarea suspensiei cu ultrasunete (figura 4.1.3.2.) se poate face:

pe la partea superioară a creuzetului;

prin contact direct cu topitura, caz în care este necesară luarea unor măsuri de protecție a elementului de transfer al energiei;

pe la partea inferioară a creuzetului, situație în care există posibilitatea apariției unei pelicule separatoare care micșorează eficiența transmisiei ultrasonore;

în mod indirect, prin peretele unui recipient suplimentar, înainte ca amestecul să ajungă în creuzet, caz în care apare dezavantajul creării unui câmp de unde staționare în masa topiturii, aliajul putând intra într-un regim de rezonanță.

Parametrii regimului de tratare cu ultrasunete sunt specifici fiecărui tip de amestec aliaj-fază complementară.

Fig. 4.1.3.2. Metode de introducere a ultrasunetelor în

sistemul matrice lichidă-fază complementară

a – pe la partea superioară; b – pe la partea inferioară; c – în mod indirect; 1 – materialul compozit; 2 – creuzet;

3 – radiator acustic; 4 – concentrator de ultrasunete; 5 – flanșă nodală; 6 – traductor; 7 – creuzet intermediar.

4.1.4. Realizarea amestecului prin agitare electromagnetică

Agitarea electromagnetică se produce în prezența unui câmp magnetic variabil în aliajul lichid. Transferul de masă și energie este influențat de câmpul magnetic ca urmare a apariției unei mișcări convective forțate.

Câmpul electromagnetic determină punerea în mișcare a electronilor liberi din aliajul topit, într-o anumită direcție. Electronii antrenează atomii metalului, iar lichidul se pune în mișcare în aceeași direcție cu electronii.

Distanța dintre inductor și aliajul lichid (întrefierul) trebuie să fie cât mai mică, deoarece, o dată cu mărirea grosimii peretelui despărțitor refractar, crește rezistența magnetică și scade inducția magnetică, deci scade forța utilă de agitare. În plus, crește numărul liniilor de forță care se închid prin masa refractară, fără a mai trece prin aliajul lichid, ceea ce conduce la scăderea suplimentară a factorului de sarcină.

Instalațiile folosite pentru agitarea topiturilor metalice pot avea un număr diferit de poli care realizează câmpul magnetic rotitor (fig 4.1.4.1.).

Fig. 4.1.4.1. Tipuri de înfășurări primare ale sistemelor de agitare electromagnetică:

a – bifazică; b – trifazică

În mod obișnuit se folosesc câmpuri magnetice învârtitoare realizate cu ajutorul a doi poli, construcția fiind similară cu cea a statorului unui motor.

Mișcarea de rotație imprimată amestecului aliaj lichid-fază complementară solidă determină apariția unor curenți turbulenți capabili să omogenizeze amestecul.

Față de agitarea mecanică, folosind dispozitive cu palete, agitarea electromagnetică prezintă avantajul că permite amestecarea materialului compozit în toată masa acestuia, până la temperaturi mai coborâte, fără să fie necesar un contact direct al sistemului de agitare cu topitura metalică.

4..2. Procedee de turnare a materialelor compozite

4.2.1. Turnarea prin curgerea liberă a amestecului

Turnarea gravitațională este varianta cea mai simplă de obținere a produselor din materiale compozite și constă în introducerea într-o formă clasică, pe bază de nisip cuarțos, sau într-o formă metalică a amestecului deja realizat (de exemplu, prin agitare mecanică) sau a amestecului rezultat prin adăugarea fazei complementare în jetul de aliaj lichid în timpul turnării (figura 4.2.1.1.).

Fig. 4.2.1.1. Turnarea prin curgere liberă

a – amestecarea compozitelor; b – turnarea amestecului deja realizat; c – adăugarea materialului complementar în jetul de aliaj lichid; 1 – faza solidă; 2 – agitator; 3 – amestec; 4 – aliaj lichid; 5 – oală de turnare; 6 – formă.

La turnarea în forme pe bază de nisip, viteza de răcire a aliajului este redusă, ceea ce favorizează tendința de segregare a materialului dispersat ca urmare a diferențelor dintre densitățile componentelor.

Astfel, în aliajele de aluminiu, particulele din grafit, mică sau alumină vor flota, în timp ce particulele de SiC, SiO2, TiO2 sau ZrO2 se vor depune. Acest fenomen poate avea utilitate atunci când se urmărește obținerea unui material compozit doar într-un strat superficial al piesei.

Atunci când, dimpotrivă, se urmărește realizarea unei distribuții cât mai uniforme este necesară luarea unor măsuri de mărire a vitezei de răcire a amestecului (la turnarea pieselor cu pereți subțiri, fenomenul de segregare a materialului dispersat se manifestă într-o mai mică măsură).

Pentru intensificarea schimbului de căldură se folosesc amestecuri de formare cu microrăcitori ,răcitori tubulari (prin care circulă un fluid de răcire: aer sau apă) sau forme metalice, simple sau răcite. În aceste condiții, se scurtează substanțial durata în care materialul dispersat poate segrega.

Împotriva segregării se poate acționa și prin alte mijloace, cunoscându-se că fenomenul este dependent, în afară de viteza de răcire, de următorii factori:

viscozitatea topiturii în curs de solidificare;

proprietățile termice ale particulelor și materialului matricei;

diferența dintre densitățile componentelor;

forma, mărimea și fracția volumetrică a fazei complementare;

morfologia fazelor cristalizate și modul de interacțiune dintre acestea și componenta complementară;

intensitatea procesului de aglomerare (de apariție a clusterilor);

prezența unor forțe exterioare care acționează în perioada de răcire a amestecului.

În cazul turnării în forme metalice, fenomenul de segregare este diminuat.

În cazul aliajelor de aluminiu, adăugarea de particule de alumină, grafit, mică ș.a. determină reducerea fluidității (măsurată pe proba spirală). Care scade liniar cu suprafața specifică (pe unitatea de masă) a particulelor (figura 4.2.1.2.).

Fig. 4.2.1.2. Fluiditatea compozitului Al-11,8, Si/Al2O3 în funcție de suprafața specifică a materialului dispersat

Fenomenul se explică prin creșterea progresivă a forțelor de frecare internă odată cu mărirea proporției de componentă solidă dispersată.

Variația fluidității compozitului cu temperatura este asemănătoare cu cea a unui aliaj lipsit de particule în sensul că, la scăderea temperaturii, se micșorează fluiditatea.

Într-un domeniu de temperaturi mai scăzute, fluiditatea este mult mai puternic influențată de proporția de particule.

Fluiditatea depinde, de asemenea, de forma și mărimea particulelor, de gradul de aglomerare și de intensitatea procesului de segregare. S-a constatat că descreșterea fluidității la micșorarea distanței dintre particulele de grafit, dispersate într-o matrice din aliaj Al-Si-Cu, este aproximativ liniară, cu un coeficient de corelație de 0,72, mai mic în comparație cu același coeficient, în cazul dependenței fluiditate-suprafață specifică.

Efectul mărimii particulelor, al conținutului procentual (procente de masă) al acestora și influența temperaturii de turnare asupra fluidității sunt ilustrate în figura 4.2.1.3.

La conținuturi mai mari de 15% particule nemetalice, dispersate într-o matrice metalică, amestecul prezintă proprietatea de tixotropie (viscozitatea micșorându-se prin agitarea amestecului).

În absența unei fluidități corespunzătoare, metoda de turnare gravitațională nu mai poate fi aplicată.

Fig. 4.2.1.3. Variația fluidității compozitului cu matricea Al-1,8 Si și particule de alumină în funcție de conținutul de material dispersat:
a – la o temperatură de turnare de 680C; b – la o temperatură de turnare de 700C.

4.2.2. Turnarea centrifugală

Turnarea centrifugală, aplicabilă în cazul unor piese cu configurație simplă, prezintă un avantaj important prin faptul că materialul turnat este mai compact, adică mai lipsit de porozitate decât în cazul turnării prin curgere liberă.

Modificarea condițiilor fizice este apreciată prin valoarea coeficientului K, ce exprimă raportul dintre forța centrifugală Fc și greutatea G:

(4.2.2.1)

în care: m este masa unei particule de material fluid;

– viteza unghiulară;

r – distanța de la această particulă până la axa de rotație;

g – accelerația gravitațională.

Coeficientul de supraîncărcare K indică de câte ori este mai mare forța centrifugă decât forța gravitațională.

Viteza critică de rotație, sau turația critică ncr, la echilibrul celor două forțe, va fi:

(4.2.2.2)

De asemenea, mai trebuie precizat că grosimea produsului turnat nu este perfect uniformă, variația de grosime S fiind dependentă de conform relației:
(4.2.2.3)

Turnarea centrifugală se utilizează adesea pentru obținerea unui material compozit cu neomogenitate controlată.

Sub acțiunea forței centrifuge se produce o segregare diferențiată, în funcție de densitatea materialului dispersat. Gradul de neomogenitate este în corelație cu parametrii instalației de turnare.

În materialul solidificat vor apărea două zone distincte:

o zonă cu o concentrație mare de fază complementară;

o zonă, reprezentând restul secțiunii cu conținut redus de particule sau fibre discontinue.

Astfel, în aliajele de aluminiu, fragmentele de grafit și de mică se vor concentra spre interior, iar particulele de zirconiu sau de carbură de siliciu SiC (care au densitatea mai mare decât aluminiul) spre exterior. Particulele de Zr conferă rezistență la abraziune, iar cele de grafit determină creșterea rezistenței la uzare prin lubrifierea suprafețelor de contact.

Prin acest procedeu de turnare pot fi realizate concentrări de particule de până la 8% în cazul grafitului și de până la 30% în cazul Zr.

Modul de variație a conținutului de grafit (în materialul compozit Al-grafit) pe grosimea unui cilindru cav, turnat centrifugal este prezentat în figura 4.2.2.1.

Distribuția care se obține este un rezultat al forței centrifuge, dar și al deplasării încetinite a particulelor ca urmare a creșterii viscozității topiturii, determinate de scăderea temperaturii și de mărirea concentrației în particule.

Fig. 4.2.2.1. Variația conținutului de grafit pe grosimea unui cilindru cav, turnat centrifugal din

Al-grafit (particule cu mărimea medie de 200 m) la temperatura de turnare de 710C și viteza de rotație de 680 rot/min

4.2.3. Turnarea amestecului cu matricea în stare semisolidă

Procedeul de fasonare a materialelor compozite prin turnarea la temperaturi scăzute (CAMPOCASTING) constă în realizarea unui amestec aliaj parțial solidificat – material complementar prin agitare intensă și turnarea compozitului obținut la temperaturi situate în intervalul de solidificare.

Fracția de aliaj solidificat se menține la valoarea de 0,4 prin creșterea progresivă a aportului de căldură pe măsura introducerii componentei solide, sub formă de particule (în special) sau fibre discontinue.

Principalul avantaj al amestecării componentelor cu matricea în stare semisolidă constă în faptul că fragmentele de fază solidificată antrenează particulele în topitură, chiar dacă acestea nu sunt umectate de aliaj. În plus, prin agitarea intensă a amestecului se îmbunătățesc condițiile de umectare datorită curățirii abrazive a suprafeței particulelor.

Metoda permite introducerea unei proporții mari de material complementar, distribuția acestuia în matrice fiind relativ uniformă pe secțiunea produsului, deoarece tendința de segregare este diminuată de viscozitatea mare a aliajului.

Schema unei instalații de turnare prin procedeul descris este prezentată în figura 4.2.3.1.

Fig. 4.2.3.1. Instalație pentru turnarea la temperaturi scăzute (în intervalul de solidificare a materialului matricei)

1 – formă din grafit răcită cu apă; 2 – cuptor electric; 3 – agitator; 4 – termocuplu; 5 – cameră răcită cu apă, din oțel inoxidabil, cu atmosferă controlată.

Prin acest procedeu s-au obținut produse din materiale compozite cu matricea din aliaj de Al-Si în care s-au înglobat 16% (volum) fibre de SiC, având diametrul de 15 m ți lungimea de 1 mm; compozite Al-Si cu 10% (masă) particule de Al2O3 cu mărimea de 44 m; compozite Al-Si cu 29% (masă) particule de SiC cu mărimea de 14 m; compozite Al-Si cu 30% (masă) microsfere din sticlă, cu mărimea de 30m sau compozite cu matricea din aliaj de Al-Mg cu 15% (masă) particule de Al2O3 cu mărimea de 100 m.

La folosirea fibrelor discontinue apare riscul ruperii acestora sub acțiunea mecanică a agitatorului sau a fragmentelor de fază solidă. Evitarea producerii acestui fenomen se poate realiza prin înglobarea fibrelor în aliajul aflat complet în stare lichidă, urmată de solidificarea amestecului. Ulterior, produsul este retopit și presat pe un filtru ceramic, operațiunea prin care se poate îndepărta până la 70% din topitura în exces.

Porozitatea relativ mare a produsului obținut reprezintă o altă problemă care necesită rezolvare.

În general porozitatea crește odată cu mărimea proporției de fază dispersată. Corelația

dintre cei doi parametri este ilustrată în figura 4.2.3.2. pentru cazul compozitului cu matrice de Mg-10% Al și particule de SiC.

Fig. 4.2.3.2. Variația porozității în funcție de proporția de particule de SiC adăugate într-o matrice semisolidă din aliaj de Mg cu 10% Al

Analiza micrografică a pus în evidență concentrarea particulelor de SiC în jurul separărilor de gaz, concentrare explicată prin slaba umectare a SiC de către matricea din Mg-10% Al.

Porozitatea înrăutățește proprietățile mecanice ale materialului compozit și de aceea este necesară luarea unor măsuri pentru reducerea acesteia. Astfel, porozitatea este micșorată la agitarea în vid sau prin presarea în matriță a materialului compozit turnat.

O atenție deosebită trebuie acordată, de asemenea, modului de introducere a componentelor solide, deoarece la debite mari apare o neuniformitate locală importantă a distribuției, reprezentată de aglomerări ale materialului pulverulent, care nu sunt dispersate nici în cazul în care turnarea este urmată de presare în matriță.

Cercetările efectuate în cazul aliajelor de Al-Si (4 … 16% Si) cu 2,8% (masă) particulele de grafit au arătat că tendința de aglomerare este mai pronunțată în cazul aliajului eutectic sau a aliajelor hipereutectice în comparație cu cele hipoeutectice.

4.2.4. Turnarea prin infiltrare

Procedeul se bazează pe introducerea aliajului în porii unei preforme – alcătuite în special din fibre continue – sub acțiunea forțelor de gravitație sau capilare, prin aplicarea unei presiuni aliajului sau vidarea preformei (fig. 4.2.4.1.). pentru o bună înglobare a materialului complementar în matrice este uneori necesară folosirea acoperirilor, care micșorează unghiul de contact dintre componente.

Fig. 4.2.4.1. Metode de infiltrare a matricei lichide în preformă:
a – sub acțiunea forțelor capilare; b – prin aplicarea unei presiuni produse de gaz; c – prin vidarea preformei;

d – cazul turnării continue; 1 – aliaj lichid; 2 – fibre.

O variantă tehnologică a acestui procedeu constă în introducerea preformei într-o incintă metalică (figurile 4.2.4.2. ,4.2.4.3.) , cu posibilități de vidare, amplasată deasupra unui creuzet cu topitură, aflat la rândul său într-o cameră care poate fi presurizată. Sub acțiunea presiunii create cu ajutorul unui gaz, lichidul urcă printr-un tub de legătură și pătrunde în preforma vidată.

O altă metodă de infiltrare folosită, de exemplu, la producerea compozitelor cu matrice din aliaj de aluminiu 3 … 10% Mg și 55 … 60% alumină sau carbură de siliciu este prezentată în figura 4.2.4.4.

Aliajul, sub formă de lingou, se amplasează deasupra preformei, după care ansamblul se încălzește într-o atmosferă de azot, după topire și supraîncălzire, aliajul pătrunde în porii preformei, incluzând și o cantitate de nitrură de aluminiu, apărută ca rezultat al reacției dintre alumină și azotul din atmosferă. Cantitatea de nitrură de aluminiu este dependentă de conținutul de azot din atmosferă și de temperatura de încălzire, care influențează viteza de infiltrare. Nitrura de aluminiu din microstructură mărește rigiditatea și reduce coeficientul de dilatare termică.

Prin oxidarea aluminiului la temperaturi înalte, în timpul pătrunderii acestuia în spațiile goale ale preformei, apar în matrice separări de alumină, cu efect durificator.

Fig. 4.2.4.2. Infiltrarea cu lichid topit cu presiune de gaz:

a – introducerea preformei în matriță și închiderea matriței; b – evacuarea aerului; c – aplicarea presiunii gazului pentru infiltrare, până la solidificare

Fig. 4.2.4.3. Schema de principiu a unui procedeu de turnare prin infiltrare:
a – montarea preformei; b – vidarea formei metalice; c – presurizarea și infiltrarea topiturii; d – extragerea produsului rezultat; 1 – formă metalică; 2 – preformă; 3 – topitură.

Fig. 4.2.4.4. Infiltrarea aliajului Al-Mg într-o preformă de alumină sau carbură de siliciu, în atmosferă de azot

4.2.5. Turnarea urmată de presarea în matriță

Procedeul de turnare și presare în matriță (SQUEEZE CASTING) se folosește fie pentru prelucrarea unor amestecuri deja realizate, fie pentru infiltrarea aliajului lichid, sub presiune înaltă, într-o preformă constituită din fibre continue, fibre discontinue sau particule. Se obțin astfel din materiale compozite cu o configurație apropiată de cea finală și o compactitate mare.

Aplicarea procesului în cazul amestecului de aliaj și particule și în cazul presării aliajului într-o preformă este ilustrat schematic în figurile 4.2.5.1. și 4.2.5.2.

Fig. 4.2.5.1. Presarea amestecului deja realizat în matriță:

1 – poanson; 2 – matriță; 3 – ejector; 4 – amestec; 5 – produs sub formă finală în curs de solidificare.

Fig. 4.2.5.2. Presarea aliajului lichid într-o preformă:

a – injectarea topiturii; b – infiltrare și solidificare; 1 – preformă; 2 – topitură.

Presiunea de infiltrare este cuprinsă de obicei în intervalul 70 … 200 MPa.

Preforma se realizează, de regulă, prin presare, obținându-se o configurație apropiată de cea a produsului final. În cazul fibrelor discontinue se poate utiliza metoda ilustrată schematic în figurile 4.2.5.3. și 4.2.5.4. , care constă în amestecarea materialului complementar cu apă și presarea ulterioară a suspensiei pe un filtru montat într-o formă metalică. În final, preforma obținută se usucă pentru îndepărtarea completă a umidității.

Fig. 4.2.5.3. Confecționarea preformei prin presare:

a – amestecarea componentei solide cu apă; b – turnarea amestecului într-o preformă metalică;

c – presarea amestecului pentru îndepărtarea apei; d – uscarea preformei; 1 – agitator; 2 – amestec;

3 – formă metalică; 4 – piston; 5 – apă.

Calitatea compozitului realizat prin turnare și presare depinde de numeroși parametri, cum ar fi:

temperatura de încălzire a fibrelor;

densitatea aparentă a preformei (sau porozitatea);

gradul de supraîncălzire a topiturii;

presiunea de infiltrare.

Astfel, dacă temperatura aliajului sau a preformei este prea mică, infiltrarea are loc incomplet, rezultând un material compozit cu pori, iar dacă aceste temperaturi sunt prea mari se intensifică reacțiile chimice dintre componente, ducând la degradarea materialului complementar. De asemenea, la presiuni mari de infiltrare, preforma poate să sufere deformări.

Fig. 4.2.5.4. Squeeze casting:

a) introducerea preformei în cavitatea matriței; b) turnarea metalului în cantitate exactă; c) închiderea matriței și aplicarea presiunii; d) retragerea poansonului; e) extragerea compusului

4.3. Obținerea produselor prin cuplarea componentelor în stare solidă

4.3.1. Metoda bazată pe metalurgia pulberilor

Metalurgia pulberilor reprezintă o metodă competitivă și în cazul fabricării produselor din compozite metalice. Consolidarea inițială a amestecului de pulberi metalice (matricea) și ceramice (materialul de ranforsare) se realizează prin presare la rece și la cald, în cel de-al doilea caz obținându-se o sintetizare a particulelor la temperaturi mai coborâte decât cele necesare sintetizării în absența presiunii. La temperaturi mai scăzute se reduc efectele negative ale reacțiilor de la interfață sau ale proceselor de descompunere termică. Presarea poate fi izostatică sau unidirecțională. Produsul astfel obținut, cu porozitate mare (până la 25%), este în continuare degazat și prelucrat prin forjare, extruziune sau laminare, rezultând un produs final sau semifabricat, care, urmează alte procese de prelucrare secundară (prelucrări mecanice, de îmbinare ș.a.). etapele de realizare și fasonare a compozitelor prin metalurgia pulberilor sunt prezentate schematic în figura 4.3.1.1.

În calitate de pulberi metalice se folosesc de obicei cele din Co, Cr, W, Ni, Ti, Mo, Si, iar ca pulberi ceramice: Al2O3, carburi, MgO, nitruri, boruri ș.a.

O condiție importantă care se pune este aceea de-a exista o asemănare a curbelor de contracție sau dilatare termică ale componentelor, pentru ca în timpul sintetizării să nu mai apară fisuri. Tendința de fisurare este cu atât mai pronunțată cu cât diferența dintre coeficienții de dilatare termică este mai mare.

De asemenea, trebuie să existe o compatibilitate chimică, în sensul existenței unei anumite reactivități între componente pentru asigurarea condițiilor de difuzie în sistemul metal-ceramică.

Fig. 4.3.1.1. Schema procesului de realizare și fasonare a materialelor compozite, bazat pe metalurgia pulberilor

Dacă pulberea ceramică este oxidică, procesul de sinterizare este favorizat de crearea unor condiții ușor oxidante. Astfel, de exemplu, în cazul amestecurilor Cr-Al2O3, în jurul particulelor de Cr se formează un strat subțire de Cr2O3 care este izomorf cu alumina.

Metalurgia pulberilor se folosește și pentru producerea compozitelor cu fibre. Pulberea – reprezentând matricea – se toarnă în jurul fibrelor, după care, ansamblul se compactează și este supus sinterizării la temperaturi înalte. Sinterizarea poate fi realizată și prin lichefierea parțială a matricei, pulberea fiind presată la temperaturi cuprinse în intervalul de solidificare.

Compozitele cele mai cunoscute obținute prin metalurgia pulberilor sunt următoarele: cobalt-carbură de wolfram (duritate mare, folosite la producerea sculelor așchietoare și a capetelor sapelor de foraj); crom-alumină, crom+molibden-alumină, crom+wolfram-alumină (compozite cu rezistență mare la temperaturi înalte), nichel-carbură de titan (cu proprietăți superioare de rezistență la uzare); siliciu-carbură de siliciu, nichel oxid de magneziu (utilizate cu precădere în industria nucleară).

Din cauza creșterii importanței acestei tehnici de producere a pieselor din materiale compozite, a fost necesară dezvoltarea unor metode analitice pentru descrierea modului în care crește densitatea la presare și a modului de deformare a particulelor luate în considerare individual.

La studiul procesului de compactare este necesară luarea în considerare a faptului că pentru creșterea compactității materialului supus presării se folosesc amestecuri de particule cu dimensiuni diferite. Problema este în realitate și mai complexă, deoarece, de cele mai multe ori, faza de ranforsare și pulberea metalică au nu numai mărimea, dar și forma diferită. De asemenea modulul de elasticitate al fazei complementare (ceramice) este de regulă mult mai mare decât cel al matricei, ceea ce înseamnă că particulele aflate în mixtură nu se deformează la fel în timpul prelucrărilor prin presare.

4.3.2. Cuplarea componentelor prin difuzie în stare solidă (îmbinarea prin difuzie în stare solidă)

Îmbinarea prin difuzie în stare solidă se obține prin punerea în contact a două suprafețe la temperatură înaltă și presiune mecanică redusă (sau înaltă, atunci când o dată cu procesul de difuzie se produce și deformarea intenționată a materialului), în vid sau într-o atmosferă controlată.

Consolidarea sistemului format din matrice și fază complementară prin difuzie în stare solidă se aplică în special la realizarea produselor din materiale stratificate cu fibre (fig. 4.3.2.1.).

Fig. 4.3.2.1. Legături prin difuzie:

a – intercalarea fibrelor cu folii; b – formarea benzii (placajului); c – consolidare; d – presare la cald;

e, f – finisare.

Produsele sub formă de benzi se obțin prin laminare, iar cele cu forme complexe, prin presare în matriță (fig. 4.3.2.2.).

Difuzia reciprocă a atomilor este intensificată la creșterea presiunii și temperaturii. Aceasta din urmă este cuprinsă uzual în domeniul 0,5 … 0,95 Tt (Tt fiind temperatura de topire a materialului metalic al matricei).

Principalele avantaje ale metodei constau în posibilitatea cuplării unor suprafețe mari și a unor materiale greu de îmbinat prin alte metode, fără utilizarea unor substanțe de legătură, obținând anumite structuri ale compozitului.

Fig. 4.3.2.2. Cuplarea componentelor prin difuzie în stare solidă:

a – obținerea benzilor din materiale compozite; b – producerea pieselor cu configurație complexă;

1 – foaie metalică; 2 – fibre.

Procesul de difuzie poate avea loc de-a lungul interfeței metal/ceramică sau transversal pe aceasta. Condiția ca fenomenul să se producă este ca materialele să fie apropiate la distanțe foarte mici, egale cu distanțele interatomice. În acest scop, atât suprafața materialului metalic, cât și a celui ceramic trebuie să fie curate, fără impurități sau pelicule aderente. Din acest motiv, este de altfel necesar un control al atmosferei în care decurge procesul.

4.4. Procedee de depunere a matricei lichide în stare pulverizată

Depunerea prin pulverizare constă în principiu în dezintegrarea matricei lichide în picături foarte fine sub acțiunea unui curent puternic de gaz inert, în care se injectează simultan materialul de ranforsare în stare pulverulentă (figura 4.4.1.).

Amestecul de picături parțial solidificate și de particule solide se depune pe o suprafață răcită cu apă, care poate avea diferite configurații, produsul fiind apoi prelucrat prin deformare plastică.

Fig. 4.4.1. Depunerea matricei prin pulverizare cu un gaz inert:

1 – substrat răcit cu apă; 2 – material pulverulent în pat fluidizat; 3 – pulverizator; 4 – injector de pulbere;

5 – cameră de depunere; 6 – gaz inert; 7 – cuptor încălzit prin inducție; 8 – tijă de dozare.

Proiectarea picăturilor cu viteză mare duce la obținerea unei structuri fine, fără macrosegregații. Din cauza vitezei mari de solidificare, reacțiile de la interfață sunt reduse, iar dispersarea este uniformă, chiar în cazul unor faze complementare foarte fine, deoarece nu se mai produce fenomenul de segregare dendritică.

În vederea evitării proceselor de oxidare excesivă (în cazul aliajului Al-Li și a altora cu afinitate mare față de oxigen), incinta în care are loc depunerea trebuie să aibă atmosferă controlată.

Metoda permite exercitarea unui control strict asupra timpului de contact dintre componente la temperaturi înalte și deci, asupra interacțiunii chimice.

O altă metodă constă în introducerea unui amestec de pulbere metalică și ceramică într-un jet de plasmă de joasă presiune, plasma fiind creată prin încălzirea unui gaz inert în arc electric la temperaturi de circa 10000K sau chiar mai mari.

Materialul se topește rapid și este proiectat pe o suprafață de răcire, viteza de scădere a temperaturii fiind de ordinul a 105 … 106 K/s. Protecția față de interacțiunea cu mediul înconjurător se realizează prin injectarea unui gaz inert în jurul jetului și a substratului de răcire. Materialul rezultat are o structură fină, omogenă și, în consecință, proprietăți mecanice superioare.

Arcul electric poate fi folosit pentru topirea electrodului (reprezentat de materialul matricei), picăturile rezultate fiind amestecate cu faza de ranforsare injectată cu un curent de gaz inert (argon). Amestecul obținut se depune pe un substrat de răcire (figura 4.4.2.).

Controlul asupra procedeului se realizează prin intermediul parametrilor proceselor de topire a materialului metalic și de răcire a amestecului, precum și prin caracteristicile gazului de antrenare.

Procedeul a fost folosit la obținerea semifabricatelor din materiale compozite Al-SiC (particule sau fibre scurte), arcul electric fiind realizat între capătul electrodului de Al și un catod de Cu răcit cu apă. La o intensitate a curentului electric de 230 A, s-au produs particule de Al cu diametrul de circa 1 mm, viteza de topire fiind de ordinul a 2 kg/h.

Principalele avantaje ale acestei tehnici constau în:

posibilitatea folosirii oricărui metal sau aliaj (chiar și a celor cu temperatură înaltă de topire);

posibilitatea antrenării oricărui tip de material complementar, sub formă pulverulentă;

menținerea cu ușurință sub control a arcului produs.

Metoda de depunere a matricei lichide prin pulverizare poate fi utilizată și la producerea materialelor compozite cu fibre care alcătuiesc o preformă.

Fig. 4.4.2. Schema procedeului de depunere a matricei lichide, topite în arc electric:

1 – gaz inert (Ar) + material de ranforsare; 2 – substrat; 3 – arc electric; 4 – răcire cu apă; 5 – depunere.

În figura 4.4.3. este ilustrat un procedeu prin care matricea topită în arc electric este pulverizată pe o pâslă (alcătuită din fibre tocate și presate), înfășurată pe un tambur aflat într-o incintă vidată.

Fig. 4.4.3. Obținerea prin pulverizare a compozitului cu fibre tocate:

1 – materialul matricei; 2 – gaz de pulverizare; 3 – dispozitiv de topire în arc și pulverizare; 4 – cameră vidată; 5 – tambur cu fibre.

Solidificarea rapidă duce la obținerea unei matrice cu microstructură fină, fără alte reacții chimice. Depunerile se pot face și din fază de vapori (fig. 4.4.4.).

Fig. 4.4.4. Depunerea matricei prin procedeul atomizării: în metalul pulverizat se introduc particule de armare

4.5. Procesarea in-situ (procedeul intrinsec)

O perspectivă deosebită o au compozitele eutectice (in situ) pe bază de Al, Co, Ni sau Ta, dacă sunt folosite în aplicații care presupun temperaturi înalte. Unul din sistemele eutectice cu rezistență mecanică îl reprezintă cel cu matricea de -Ni, durificată cu Ni3Al: faza de durificare poate fi însă constituită și din Ni3Nb, Mo, TaC, NbC sau Cr3C2. de asemenea, compozitul din sistemul InSb-NiSb prezintă proprietăți fizice speciale, care îl fac utilizabil în fabricarea dispozitivelor magnetorezistente.

Procedeul se bazează pe solidificarea unidirecțională a aliajelor eutectice, ce duc la microstructura bifazică, în care una este lamelară sau cilindrică, aliniate aproximativ paralel cu direcția de evacuare a căldurii (figura 4.5.1.).

Fig. 4.5.1. Solidificarea unidirecțională în compozitele in-situ :

a- diagrama eutectică; b – introducerea căldurii; c – alinierea microstructurii bifazice.

CAPITOLUL 5

ASPECTE PRIVIND EVALUAREA TRIBOLOGICĂ A MATERIALELOR COMPOZITE METALICE ARMATE CU PARTICULE METALICE

5.1 Semnificația și obiectivele studiului materialelor compozite

Se poate spune că materialele compozite au deschis posibilitatea apariției unei noi filozofii în proiectarea materialelor, deoarece permit realizarea compoziției ideale a materialului dorit, odată cu proiectarea optimă a structurii finale, în cadrul unui proces interactiv.

Aprofundarea știintei și tehnologiei acestor materiale noi necesită conlucrarea unor discipline tehnice dintre cele mai diferite, precum proiectarea și analiza structurală, mecanică tehnică, știința materialelor, respectiv ingineria fabricării și prelucrării lor.

Se consideră că cercetările asupra materialelor compozite au următoarele obiective :

stabilirea caracteristicilor fizico-mecanice ale constituenților și apoi a materialului global;

elaborarea unor procedee de fabricare corecte și eficiente, precum și întelegerea efectelor acestora asupra proprietăților materialului final;

stabilirea unor proceduri analitice care să servească la evaluarea proprietăților compozitului, dar și pentru predicția comportării în exploatare a structurii finale;

optimizarea materialului în raport cu cerințele aplicației vizate;

dezvoltarea unor metode experimentale adecvate pentru caracterizarea materialului, ca și pentru analiza tensiunilor din structura lui și a comportării sale la rupere;

folosirea unor metode nedistructive pentru evaluarea integritații și siguranței în exploatare a structurii compozite;

evaluarea durabilității, a starilor critice de defectare și a duratei de viata a unei astfel de structuri.

Acestea trebuie să fie, în principiu, capitolele de studiu avute în vedere în activitățile de instruire și de perfecționare a specialistilor care lucrează cu materiale compozite.

5.2 Elemente de tribologie. Frecare-uzare-ungere

Frecarea reprezintă un proces de natură moleculară, mecanică și energetică, care apare între suprafețele corpurilor cu mișcare relativă sau cu tendința de mișcare relativă.

5.2.1 Frecarea uscată

Apare atunci când contactul dintre piese este direct, nemijlocit, fără film de lubrifiant, oxizi sau apă.

Două corpuri în contact care se deplasează reciproc formează o cuplă de frecare. Cuplele se clasifică în patru clase:

– clasa I, formată din cuple de frecare cu contact punctiform;

– clasa II, formată din cuple de frecare cu contact liniar ( rulmenți cu role );

– clasa III, compusă din cuple de frecare cu contact pe suprafață;

– clasa IV, compusă din cuple de frecare cu contact pe suprafețe plane ( pene de alunecare sau de strângere ).

Clasa I și II formeză cuplele de frecare superioare, în timp ce cuplele de clasa III și IV formează categoria cuplelor de frecare inferioare.

Suprafața de frecare este zona prin care se face transmiterea fluxului de forță. Aceasta nu este netedă, prezintă abateri de la forma ideală. La contactul a două solide, pe suprafața de contact, asperitățile se deformează elastic, plastic sau se rup prin încovoiere sau prin forfecare, uneori se mai și topesc.

În tabelul 5.1 sunt prezentate valori ale coeficientului de frecare pentru diferite cupluri de materiale care funcționează în două regimuri de frecare ungere.

Tabelul 5.1

5.2.2 Frecarea limită ( la limită )

Terminologia și condițiile de apariție a regimuli de frecare la limită nu sunt încă ananim acceptate. Condițiile reale de expluatare a unei cuple duc la micșorarea coeficientului de frecare de alunecare față de regimul teoretic uscat, datorită prafului, oxizilor, a straturilor onctuase. Există mai multe cazuri de apariție a regimului de frecare la limită, acestea manifestându-se separat sau concomitent.

Corpurile sunt separate prin straturi subțiri moleculare de lubrifiant, absorbite sau chemisorbite. La încărcări foarte mari stratul onctuos este străpuns.

Fig 5.1 Strat aderent legat de metal

2. Corpurile sunt separate prin substanțe solide, cu structura lamelară. De obicei substanța adăugată este încorporată într-o rășină epoxidică.

Fig 5.2 Straturi de clivaj

3. Lubrificația de extremă presiune, apare în cazul formării unui strat solid obținut ca rezultat al reacției chimice dintre o substanță anorganică și metal.

4. Lubrificația cu strat metalic subțire depus anterior expluatării.

5. Lubrificația cu straturi de oxizi, sulfuri sau cloruri.

În tabelul 5.2 sunt prezentate valorile coeficientului de frecare al câtorva cuple de frecare unse cu diverți lubrifianți.

Tabelul 5.2

5.2.3 Frecarea semifluidă sau mixtă

Frecarea semifluidă este un fenomen complex ce apare la limita frecării fluide, atunci când stratul gros de fluid se rupe și se reface succesiv. În pungile dintre piese există ungere fluidă și pe vârfurile în contact, ungere la limită ( figura 5.3 ). Regimul este caracteristic pornirii și opririi mașinii sau în cazul cuplelor cu mișcare alternant-simetrică.

Fig. 5.3 Frecarea mixtă

Când încărcările cresc se ajunge la regimul de frecare strict "la limită".

Trecerea de la starea de ungere fluidă la starea de ungere la limită se poate materializa printr-o diagramă ( figura 5.4 ) în care coeficientul de frecare crește simultan cu creșterea temperaturii.

Fig. 5.4 Diagrama coeficientului de frecare

Tabelul 5.3 prezintă valori ale coeficientului de frecare în funcție de tipul regimului de ungere-frecare.

Tabelul 5.3

Regimurile uscat limită și mixt duc la instabilitate în funcționare, astfel atunci când viteza sau turația scad, coeficientul de frecare crește și mașina se oprește.

5.3 Uzare și uzură. Tipuri de uzare.

Ioan Crudu definește noțiunea de tribosistem legat de uzare, acesta fiind un proces care însoțește frecarea de cele mai multe ori. Uzarea duce la modificarea stării inițiale a suprafețelor unui tribosistem, ca urmare a desprinderii de material [12].

Uzura reprezintă efectele uzării: urmele de deteriorare de pe suprafețe și produsele desprinse de pe suprafețe.

Se admite că există patru tipuri fundamentale de uzare: adeziune, abraziune, aboseala și coroziunea. Pe lângă acestea mai sunt menționate și alte forme derivate sau particulare.

Uzarea abrazivă, reprezintă un proces de distrugere a suprafețelor prin zgârieturi sau desprinderi de asperități, prin forfecarea sau oboseala acestora .

Volumul de material uzat prin abraziune ( Uv ) poate fi calculat cu relația:

Uv = Ku * (5.1)

Uzarea de contact, apare datorită dispariției pe durată scurtă a lubrifiantului, ducând la alunecări plastice locale, topiri locale, ruperi și forfecări de microjoncțiuni. Dacă procesul continuă poate duce la gripaj.

Gripajul este reprezentat de realizarea unor suduri pe suprafețe mai mari conducând la dislocări de material, rizuri adânci urmând deteriorarea și blocarea definitivă a cuplei.

În tabelul 5.4 sunt prezentate principalele tipuri de uzare, natură și exemple de cuple de frecare afectate la uzare [14].

Tabelul 5.4

Uzarea superficială de contact, este cauzată de oboseală și apare datorită încărcăturilor și descărcărilor repetate în prezența tensiunilor normale hertiziene și a celor tangențiale în stratul superficial lasând în urmă microfisuri și dislocări microscopice. Unirea mai multor microfisuri conduce la fisuri. Sub acțiunea uleiului presat în fisuri acestea se măresc, conducând la dislocări de material facând să apară gropițe, cipituri, acest fenomen fiind cunoscut sub numele de pitting. Pittingul se poate evita prin folosirea uleiurilor vâscoase, prin durificare sau rectificarea suprafețelor.

În figura 5.5 este prezentat pittingul aparut pe flancul unui dinte al unei roți dințate.

Fig5.5 Uzura superficială-pittingul

Uzarea de fretaj, apare la suprafețele în mișcare de mică amplitudine, la care se produc microalunecări pe distanțe atomice. În zona contactului se produc reacții chimice care generează coroziunea de fretaj. Fretajul apare de obicei la asamblări presate sau la lagăre cu alunecare transportate pe distanțe lungi.

Coroziunea are loc datorită acțiunii unor factori chimici activi. Ruginirea este cel mai cunoscut factor de coroziune activă, el producându-se sub acțiunea oxigenului din aerul umed.

Uzarea de cavitație, se produce pe paletele sau rotoarele de pompă, pe elicele navelor și se manifestă prin apariția unor ciupituri profunde de forme neregulate care evoluează în timp.

Brinelarea, reprezintă deformarea plastică sub forma unor calote sferice care apar pe suprafețele aflate în contact cu piese sferice.

Uzarea de impact, se produce de obicei la piesele care suferă contacte de șoc și prezintă concomitent mai multe forme: abraziune, adeziune, deformare plastică, etc.

5.4 Proprietăți tribologice ale compozitelor metalice armate cu particule metalice

5.4.1 Prezentarea programului de experimentări pentru obținerea materialelor compozite armate cu particule metalice

5.4.2 Influența …………… asupra proprietăților de frecare-uzură în cazul uzurii adezive și abrazive