Никель (Ni) - матрица

Никель (лат. Niccolum), Ni, химический элемент первой триады VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 28, атомная масса 58,70; серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. При обычных условиях Никель существует в виде в-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку. Основные физико-механические характеристики никеля приведены ниже. (табл.1).

Таблица 1. Физико-механические характеристики никеля.

Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения. Никель - металл средней активности. Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H2, СО и других); насыщение Никеля газами ухудшает его механические свойства.

Получение Никеля. Около 80% Никеля от общего его производства получают из сульфидных медно-никелевых руд. После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавят в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения Никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10-15% Ni. Обычно электроплавке предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Cu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni - файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового Никель отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Никель (марка 110) 0,01%.

Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов. Все более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислорода при повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно Никель переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением). [5]

Матрицы на основе никеля. Никель и никелевые сплавы, пригодные для применения в качестве матрицы КМ, выпускаются промышленностью в виде листов, лент и порошков. Технически чистый никель можно использовать при получении КМ, армированных проволоками тугоплавких металлов, керамическими волокнами и УВ, методами, предотвращающими взаимодействие волокон и матрицы. Однако жаростойкость КМ на основе технически чистого никеля низка. Более широко применяются КМ на основе промышленных окалиностойких и жаропрочных никелевых сплавов. Добавки вольфрама, молибдена, алюминия и титана увеличивают жаропрочность и термическую стойкость.

Жаропрочные деформируемые сплавы сочетают существенную окалиностойкость со способностью работать в нагруженном состоянии при высоких температурах. Повышенные длительная прочность, сопротивление ползучести и усталости достигаются в этих сплавах за счет введения титана и алюминия, образующих дисперсные упрочняющие фазы Ni3Ti и Ni3Al (г'-фаза), а также за счет легирования тугоплавкими элементами (вольфрамом, молибденом, ниобием), упрочняющими твердый никелевый раствор, и малыми добавками бора, церия и других элементов, увеличивающими стабильность межзеренных границ. Жаропрочные литейные сплавы имеют тот же механизм упрочнения, что и деформируемые, однако они легированы большим количеством тугоплавких элементов, которые обеспечивают более высокую жаропрочность вплоть до температуры 1373 К. Их основной технологический недостаток - низкая пластичность. Поэтому жаропрочное литье применяют преимущественно в термически обработанном состоянии.

Матрицы КМ на никелевой основе должны быть совместимы с материалом армирующих волокон, прочными при высоких температурах, пластичными, обладать сопротивлением высокотемпературной коррозии и технологичностью. Никелевый матричный сплав считается совместимым с армирующими волокнами, если при температурах предполагаемой эксплуатации КМ не происходят процессы, разупрочняющие арматуру и материал в целом (химическая реакция между компонентами, взаимная диффузия, интенсивная рекристаллизация волокон). Наилучшей совместимостью с вольфрамовой проволокой при температурах 1273-1473 К обладает отечественный сплав ХН60ВТ, из зарубежных (США) - NASA-1, NASA-3, NASA-5 и NASA-7.

При температурах ниже 1373 К жаропрочная матрица способна вносить достаточно большой вклад в прочность КМ. Пластичность ряда никелевых сплавов позволяет обеспечить сопротивление КМ ударным нагрузкам и снятие термических напряжений, возникающих в КМ вследствие различных к. т. р. Внутренние термические напряжения образуются в КМ при нестационарных температурных режимах и могут привести к растрескиванию хрупкой матрицы. При создании КМ на никелевой основе необходимо учитывать значения к. т. р. и теплопроводности матричных сплавов.

В условиях эксплуатации КМ подвергаются воздействию внешней среды (окислению, сульфидной коррозии и т.д.), поэтому одними из требований, предъявляемых к жаропрочной матрице, являются жаростойкость и обеспечение надежной защиты поверхности легкоокисляющейся армировки от коррозионного разрушения.

Окалиностойкие никелевые сплавы хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. Жаропрочные деформируемые сплавы обрабатываются методами пластической деформации при нагревании. Для получения КМ на основе окалиностойких сплавов используются заготовки типа "сэндвич", состоящие из чередующихся тонких матричных листов и слоев армирующих волокон, которые уплотняют методами пластической деформации (динамическое горячее прессование, диффузионная сварка, прокатка и др.). [4]

Жаропрочные деформируемые никелевые сплавы выпускают в виде отливок, поковок или проката. Их армируют волокнами с помощью жидко - фазных методов (литья, вакуумного всасывания), прокаткой либо способами порошковой металлургии. Литейные жаропрочные сплавы выпускают в виде отливок, выплавляемых преимущественно в вакууме методами индукционной, дуговой, электронно-лучевой и плазменной плавок. КМ из них изготавливают жидкофазными методами и методами порошковой металлургии. Окалиностойкие никелевые сплавы хорошо свариваются различными видами сварки с применением присадочного материала того же состава. Прочность сварного соединения достигает 70-100 % прочности свариваемого материала. Жаропрочные дисперсионно-твердеющие сплавы склонны к образованию при сварке трещин, поэтому перед сваркой их необходимо закаливать на твердый раствор, а после сварки сварное соединение подвергать термической обработке.

Оксид алюминия (Аl203)

Оксид алюминия Аl203 - в природе распространён как глинозём, нестехиометрическая смесь оксидов алюминия, калия, натрия, магния и т.д.

Свойства:

· бесцветные нерастворимые в воде кристаллы.

· химические свойства - амфотерный оксид. Практически не растворим в кислотах. Растворяется в горячих растворах и расплавах щелочей.

· tпл 2044°C.

· Является полупроводником n-типа, но несмотря на это используется в качестве диэлектриков в алюминиевых электролитических конденсаторах.

· Диэлектрическая проницаемость 9,5 - 10.

· Электрическая прочность 10 кВ/мм.

Применение. Оксид алюминия (б-Аl203), как минерал, называется корунд. Крупные прозрачные кристаллы корунда используются как драгоценные камни. Из-за примесей корунд бывает окрашен в разные цвета: красный корунд называется рубином, синий, традиционно - сапфиром. Согласно принятым в ювелирном деле правилам, сапфиром называют кристаллический б-оксид алюминия любой окраски кроме красной. В настоящее время кристаллы ювелирного корунда выращивают искусственно, но природные камни всё равно ценятся выше, хотя по виду не отличаются. Также корунд применяется как огнеупорный материал.

Остальные кристаллические формы используются, как правило, в качестве катализаторов, адсорбентов, инертных наполнителей в физических исследованиях и химической промышленности.

Так называемый в-оксид алюминия в действительности представляет собой смешанный оксид алюминия и натрия. Он и соединения с его структурой вызывают большой научный интерес в качестве металлопроводящего твёрдого электролита.

2.2 Характеристика композиционного материала