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

Таблица 2

Химический состав конструкционных сталей

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

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.