ВВЕДЕНИЕ

Современная техника располагает широкой гаммой материалов с самыми разнообразными свойствами. Наряду с главным конструкционным материалом — металлом, расширяется область применения полимеров и керамики. Однако требования, предъявляемые к материалам новыми отраслями науки и техники, постоянно повышаются. Нередко возникает потребность в материалах, обладающих, казалось бы, несовместимыми свойствами: высокой прочностью и низкой плотностью, износостойкостью и электропроводностью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и теплопроводностью и т.д. Ни один металл или сплав, полимер или керамика не может обеспечить требуемый комплекс свойств. Только объединение нескольких материалов в единое структурное целое, т.е. создание композиции, позволяет получить совершенно новый материал, свойства которого отличаются от свойств его составляющих.

Что же такое композиционный материал или, как его еще называют, композит? В широком смысле слова это - любой материал, структура которого состоит из двух или более фаз. Почти всякий современный материал представляет собой композицию, так как в чистом виде материалы используют очень редко. Например, сталь — это композиция из двух фаз с разными свойствами — феррита и цементита. Еще более расширяется понятие "композиционный материал", если его рассматривать на молекулярном или атомном уровне: здесь мы будем иметь дело с композициями из молекул и атомов.

Современное материаловедение называет композиционным созданный человеком материал, который в отличие от природных композитов, например древесины, состоит из двух или более компонентов, различающихся по химическому составу и разделенных границей, и имеет свойства, отличные от свойств компонентов. Состав, форма и распределение компонентов задаются заранее.

В соответствии с этими признаками к композиционным относят следующие материалы: слоистые, которые состоят из двух или более слоев различных компонентов; волокнистые (армированные), состоящие из волокон одного компонента (арматуры), расположенных в другом компоненте (матрице); дисперсионные, представляющие собой механическую смесь частиц одного или нескольких компонентов с матричной компонентой.

Характерной особенностью волокнистых композиционных материалов является то, что в них основную нагрузку несут высокопрочные волокна, а матрица связывает волокна, защищает их от воздействия внешней среды и придает материалу нужные физико-механические свойства (электро- и теплопроводность, коррозионную стойкость и др.). В дисперсионных композиционных материалах основная нагрузка приходится на матрицу, а дисперсные частицы упрочняют ее, препятствуя пластической деформации.

Особая роль среди новых материалов со специальными свойствами принадлежит слоистым металлическим композициям. Такие материалы могут быть изготовлены соединением разнородных металлов в монолитную композицию, сохраняющую надежную связь составляющих при дальнейшей технологической обработке и в условиях эксплуатации. Слоистая металлическая композиция, или слоистый металл, — это материал, состоящий из двух или более слоев двух или более разнородных металлов, обладающий новыми качествами, отличными от качеств исходных металлов. Основную часть этих материалов представляют биметаллы — композиции, состоящие из слоев двух металлов.

Применение слоистых металлов позволяет не только повысить надежность и долговечность большого класса деталей и оборудования, но и значительно сократить расходы на их изготовление в результате экономии дорогостоящих цветных металлов. Кроме того, использование слоистых композиций способствует разработке более совершенных конструкций машин, приборов, аппаратов.

Слоистые металлы — одни из самых современных и перспективных материалов известны человеку уже много столетий: медные и бронзовые украшения, покрытые слоем золота и серебра, инструмент и оружие, в которых бронзовую часть отливали совместно с рукояткой из меди, дамасская сталь, получаемая совместной ковкой пакета из нескольких полос или проволок железа и стали, двух- и трехслойные клинки холодного оружия и инструмента.

В конце XIX — начале XX вв. биметаллы начали производить промышленными методами: биметаллические провода, двухслойные листы и трубы, термобиметаллы. Один из первых промышленных биметаллов — сталемедная проволока, применявшаяся вместо медной в слаботочных цепях (телефонных, телеграфных, сигнальных и т.п.).

Примерно в это же время началось и промышленное производство биметаллических листов с помощью совместной прокатки разнородных металлов. Биметалл сталь + алюминий (так называемый ферран) применяли для изготовления посуды, ложек, консервных банок, бидонов и т.п. Для изготовления посуды использовали также биметалл сталь + никель.

В Советском Союзе промышленное производство биметаллов впервые было освоено на металлургических заводах им.С.Орджоникидзе (г.Кольчугино), "Красный Выборжец" (г.Ленинград) и "Серп и молот" (г.Москва). В 1928 г. было налажено производство сталемедной проволоки путем отливки стального стержня жидкой медью и последующей прокатки и волочения. Позднее (в 1930 г.) начали производить биметаллическую проволоку и методом совместной прокатки и волочения. Одновременно развивалось производство биметаллических листов и лент. В 1929 г. начали выпускать листы дюралюмина, плакированные чистым алюминием толщиной 5—10 % от толщины основного слоя. В 1931 г. был налажен выпуск листов из биметалла сталь + алюминий для изготовления посуды.

В больших для того времени масштабах производили методом горячей прокатки биметалл сталь + томпак толщиной 0,15—1 мм.

По заказу радиотехнической промышленности было освоено производство ленты и проволоки из биметалла сталь + никель, которые стали применять для изготовления анодов радиоламп вместо чистого никеля.

Биметаллические трубы изготовляли с помощью формовки стального листа с нанесенным на него гальваническим способом слоя меди в трубную заготовку и ее последующей раскатки на оправке, а также методом совместной протяжки через волоку биметаллической заготовки, собранной из двух коаксильных труб.

Горячей совместной прокаткой получали термобиметаллы сталь + инвар, томпак + инвар, латунь + инвар и др. Осваивали и методы получения биметаллического литья для изготовления втулок, подшипников и других деталей для авиа- и автостроения. Был использован метод непрерывной заливки баббита и свинцовистой бронзы на стальную ленту. Увеличивался объем производства и расширялся ассортимент биметаллов, росло их народнохозяйственное значение.

Сегодня слоистые металлические композиции — это важнейшая группа промышленных материалов с широким спектром свойств. Из них изготовляют ленты, листы, прутки, проволоку, трубы, фасонные профили, т.е. почти все изделия, изготовляемые из монометаллов и их сплавов.

Однако, несмотря на высокую техническую и экономическую эффективность применения слоистых металлов, их производство существенно отстает от потребностей народного хозяйства. Кроме причин организационного характера, это положение вызвано и недостатками существующих технологических процессов производства, которые в ряде случаев не обеспечивают требуемого качества продукции. Указанные недостатки в свою очередь являются следствием слабого развития теории процессов соединения разнородных металлов, их совместной пластической деформации, формирования и изменения свойств композиций при их изготовлении, обработке и применении.

Назад, на страницу описания