Изделия из синтетических минеральных сплавов (симиналов) обычно предназначены для работы в условиях статических нагрузок [1], однако часто при их эксплуатации могут возникать динамические или ударно-волновые воздействия [2], в результате которых в материале неизбежно будут образовываться трещины, что естественно приведет к невозможности их дальнейшей эксплуатации. В ряде случаев таких ситуаций можно избежать при условии армирования изделий, благодаря внутреннему каркасу, даже изделия с развитыми магистральными трещинами могут сохранять свою функциональность, пусть и непродолжительное время.
Возможность применения стальной арматуры при изготовлении изделий из симиналов требует предварительного изучения как влияния режимов производства армированных симиналов, так и влияния состав симиналов и арматуры на сцепляемость каркаса с материалом. Известно, что прочность сцепления симиналов и металла определяется преимущественно силами химического взаимодействия. Однако механическое удерживание симинала на поверхности металла зависит в значительной степени от коэффициентов теплового расширения как металла, так и симинала, а также от температуры плавления и механической прочности симиналов.
Настоящая работа рассматривает влияние коэффициентов теплового расширения на сцепляемость симинала с поверхностью металлической арматуры без учета химического сцепления.
Объектом исследования являются симиналы, полученные на основе минерального сырья Пермского края (состав 2), Среднего Урала (состав 1) и металлические конструкционные материалы марок Ст. 3, Ст. 5, Св. 08 и 25, их составы указаны в табл. 1 и 2.
Коэффициент теплового расширения (КТР) соответствующих составов симиналов были установлены экспериментально при измерениях, выполненных на дифференциальном дилатометре марки NETZSCH DIL 402С [3]. Дилатометр состоит из цилиндра, сделанного из материала с известным КТР, который закреплен одним концом и помещен в нагреватель. В конце цилиндра располагается образец. Напротив образца устанавливается стержень, сделанный из того же материала, что и цилиндр. Другой конец стержня соединяется с устройством, способным фиксировать даже очень малое изменение своего положения. Нагревание пространства вокруг образца вызывает его расширение, а также расширение цилиндра. Если КТР образца отличается от КТР материала аппаратуры, то конец стержня сместится на расстояние, зависящее от длины образца и разницы КТР образца и материала аппаратуры. Для определения истинного КТР образца необходимо вводить коррекцию на расширение материала аппаратуры.
Таблица 1
Оксидный состав образцов симиналов
|
Материал (симинал) |
Содержание компонентов, % масс. |
||||||||||
|
SiO2 |
TiO2 |
Al2O3 |
FeO + Fe2O3 |
MnO |
MgO |
CaO |
K2O + Na2O |
Cr2O3 |
CaF2 |
п.п.п. |
|
|
Состав 1 на основе горнблендита |
47,3 |
2,3 |
12,5 |
14,3 |
- |
8,3 |
9,5 |
2,1 |
0,5 |
- |
3,2 |
|
Состав 2 на основе габбро-диабаза |
48,6 |
4,4 |
12,4 |
8,6 |
0,2 |
3,7 |
8,3 |
3,5 |
- |
- |
3,77 |
|
Состав 20 |
21,5 |
- |
29,5 |
- |
- |
11,0 |
6,0 |
- |
- |
29,0 |
3,0 |
|
Состав 28 |
7,5 |
- |
38,0 |
- |
- |
2,0 |
39,0 |
- |
- |
12,5 |
1,0 |
|
Состав 70 |
6,5 |
- |
30,0 |
- |
- |
- |
30,0 |
- |
- |
30,0 |
3,5 % |
Таблица 2
Химический состав конструкционных сталей
|
Марки стали |
Содержание компонентов, % масс. |
||||||||||
|
С |
Si |
Mn |
Ni |
S |
P |
Cr |
N |
Cu |
As |
Fe |
|
|
Ст.3 |
0,14–0,22 |
0,15–0,3 |
0,4–0,65 |
до 0,3 |
до 0,05 |
до 0,04 |
до 0,3 |
до 0,008 |
до 0,3 |
до 0,08 |
~97 |
|
Ст.5 |
0,28–0,37 |
0,05–0,15 |
0,5–0,8 |
до 0,3 |
до 0,05 |
до 0,04 |
до 0,3 |
до 0,008 |
до 0,3 |
до 0,08 |
~97 |
|
Св. 08 |
0,08 |
до 0,03 |
0,35–0,6 |
0,25 |
до 0,03 |
до 0,03 |
0,12 |
– |
0,25 |
– |
~98,5 |
|
25 |
0,22–0,3 |
0,17–0,37 |
0,5–0,8 |
до 0,3 |
до 0,04 |
до 0,035 |
до 0,25 |
– |
– |
до 0,08 |
~97 |
Образец, который помещается против плоской стенки измерительной системы, при нагревании перемещается в горизонтальном направлении пружинным толкателем. Это перемещение образца относительно либо цилиндра системы, либо второго стержня-толкателя измеряется с помощью LVDT (линейный датчик дифференциальной переменной).
Схема двойного дифференциального дилатометра
Элементы системы измерения и тяги, как правило, сделаны из оксида алюминия или оксида кремния (кварца). Средний КТР кварца во всем изучаемом интервале температур составляет лишь 0,55⋅10–6 К–1, поэтому поправочный коэффициент, учитывающий расширение материала аппаратуры, достаточно мал.
В настоящей работе в качества стандартного образца использован образец из платины определенной длины. Условием к получению хороших достоверных результатов исследований является равномерность температуры по образцу и стандарту, оба из которых должны быть плоскими, с параллельными торцами. Дифференциальная точность улучшается, если неизвестный и стандартный образцы близки по характеристикам теплового расширения.
Исследования были проведены на образцах размером 4×4×20 мм, диапазон нагрева 20–1000 °C, скорость нагрева 10 °C/мин, скорость охлаждения 30 °C/мин.
Полученные результаты дилатометрии представлены в табл. 3. Известно [1], что наилучшая сцепляемость силикатного неметаллического материала и металлической поверхности обеспечивается при условии наименьшего КТР силикатного материала и его низкой температуры размягчения [4]. Так же известно, что наилучшая сцепляемость наблюдается у материалов, чьи значения КТР близки друг к другу. То есть чем меньше разница между КТР симинала (α) и армирующего материала (αМе), тем лучше для сцепляемоти [5].
Таблица 3
Коэффициент термического расширения для симиналов и конструкционных сталей
|
Материал |
αt, 106град.–1, при температурном интервале |
|||||||||
|
20–100 |
20–200 |
20–300 |
20–400 |
20–500 |
20–600 |
20–700 |
20–800 |
20–900 |
20–1000 |
|
|
Состав 1 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
1,9 |
2,0 |
2,8 |
2,8 |
– |
|
Состав 2 |
1,3 |
1,3 |
1,3 |
1,3 |
1,3 |
2,3 |
2,2 |
2.6 |
2,6 |
– |
|
Состав 20 |
12,8 |
12,8 |
12,6 |
11,6 |
11,6 |
11,6 |
11,6 |
11,4 |
11,2 |
11,0 |
|
Состав 28 |
9,5 |
10,0 |
9,6 |
9,1 |
8,8 |
8,9 |
9,0 |
– |
– |
– |
|
Состав 70 |
8,4 |
8,3 |
8,4 |
8,0 |
6.6 |
8,6 |
6,8 |
6,4 |
– |
|
|
Ст. 3 |
11,9 |
11,9 |
12,6 |
12,9 |
13,6 |
13,6 |
14,6 |
13,8 |
12,4 |
– |
|
Ст. 5 |
11,9 |
11,9 |
12,6 |
12,9 |
13,6 |
13,6 |
14,6 |
13,8 |
12,4 |
– |
|
Св. 08 |
12,8 |
12,8 |
13,3 |
13,8 |
14,0 |
14,0 |
18,6 |
19,0 |
19,3 |
– |
|
Сталь 25 |
12,2 |
13,0 |
13,7 |
14,4 |
14,7 |
15,0 |
15,2 |
12,7 |
12,4 |
13,4 |
В табл. 3 приведены результаты измерений коэффициентов термического расширения некоторых симиналов и конструкционных сталей. Наименьшим значением величины коэффициента теплового расширения обладают симиналы состава 1 и 2 (a1 = 0,5–2,8∙10–6/ °C; a2 = 1,3–2,6∙10–6/ °C), более высокие значения αt (11,0–12,8∙10–6/ °C) соответствуют симиналу состава 20. В табл. 3 приводятся также результаты измерений коэффициентов αt для соответствующих марок сталей. Значения величины коэффициентов αt для сталей приблизительно одинаковы и колеблются в пределах от 11,9 до 19,3.
Из табл. 3 видно, что симинал на основе горнблендита (состав 1) имеет наибольшее отклонение α (0,5–2,8∙10–6/ °C в области температур 20–1000 °C), от αМе, для симинала на основе габбро-диабаза (состав 2) значения α (1,3-2,6⋅10–6/°C в области температур 20–1000 °C) на всех интервалах температур также далеки от αМе.
Среди рассмотренных материалов составы 20, 28 и 70 (a20 = 11,0–12,8∙10–6/ °C; a28 = 9,0–10,0∙10–6/ °C; a70 = 6,4–8,6∙10–6/ °C) обладают термическим расширением, схожим с аналогичным свойством сталей Ст. 3, Ст. 5, СВ-08 и Сталь 25 (aст3 = 14,6–11,9∙10–6/ °C; aст5 = 14,6–11,9∙10–6/ °C; aсв-08 = 12,8–19,3∙10–6/ °C; aсталь25 = 12,2–15,2∙10–6/ °C) в наибольшей степени.
Очевидно, что сцепляемость симинала с поверхностью армирующего каркаса из конструкционных сталей будет увеличиваться с уменьшением разности между коэффициентами термического расширения симинала и металла.
При более низком значение αt симинала, чем αt метала, симинал, охлаждаясь, сжимается медленнее, чем металл. При этом возникают напряжения сжатия, и симинал самопроизвольно отскакивает от поверхности арматурного каркаса, то есть сцепляемость уменьшается.
Если коэффициент теплового расширения симинала αt больше, чем αt металла, то симинал сжимается быстрее, чем металл, и вследствие этого возникают растрескивающие усилия, что не способствует ухудшению сцепляемости (ситуация очень редкая).
Таким образом, можно заключить, что чем больше разность (абсолютная величина) между коэффициентами термического расширения симинала и металла, тем хуже сцепляемость симинала с поверхностью арматурного каркаса (при отсутствии учета химического сцепления).
Очевидно, что повысить сцепляемость арматуры и симинала возможно двумя способами – выбрать более близкий по тепловому расширению материал для армирования или скорректировать состав симинала, ведь известно, что манипуляции с концентрацией оксидов в их составе могут обеспечить различные значения теплового расширения [2]. Повлиять на тепловое расширение симинала возможно при корректировке его состава. Так [3], концентрация SiO2 – 25–45 %, масс. в составе симиналов снижает КТР, а минимальные значения КТР обеспечиваются при концентрации 35–42 %, масс.; концентрация Al2O3 – 10–35 %, масс. снижает КТР симиналов, а выше данной концентрации способствует его повышению; концентрации MgO – 15–25 %, масс. и СаО – 5–15 %, масс. способствуют снижению КТР симиналов.
Рецензенты:
Игнатов М.Н., д.т.н., профессор, ведущий специалист НПО «Гелий», г. Пермь;
Файнбург Г.З., д.т.н., профессор, консультант НПО «Гелий», г. Пермь.
Работа поступила в редакцию 20.09.2013.