Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ НА СЦЕПЛЯЕМОСТЬ СИНТЕТИЧЕСКОГО МИНЕРАЛЬНОГО СПЛАВА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРМАТУРОЙ

Игнатова А.М. 1
1 ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Повысить сцепляемость арматуры и синтетических минеральных сплавов возможно двумя способами – выбрать более близкий по тепловому расширению материал для армирования или скорректировать состав шихты для получения синтетического минерального сплава, ведь известно, что манипуляции с концентрацией оксидов в их составе могут обеспечить различные значения теплового расширения. Повлиять на тепловое расширение симинала возможно при корректировке его состава. Так, концентрация диоксида кремния SiO2 – 25–45 %, масс. в составе симиналов снижает КТР, а минимальные значения КТР обеспечиваются при концентрации 35–42 %, масс.; концентрация оксида алюминия Al2O3 – 10–35 %, масс. снижает КТР симиналов, а выше данной концентрации способствует его повышению; концентрации оксида магния MgO – 15–25 %, масс. и оксида кальция СаО – 5–15 %, масс. способствуют снижению КТР симиналов.
синтетические минеральные сплавы
армирование
коэффициент термического расширения
1. Коэффициент термического расширения синтетических минеральных сплавов с фазовым разделением / М.Н. Игнатов, А.М. Игнатова, А.О. Артемов, А.Ю. Чумаченко, Л.И. Шевцова // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. – 2013. № 2. – С. 49–53.
2. Изучение влияния оксидного состава и температуры на коэффициент термического расширения синтетических минеральных сплавов / М.Н. Игнатов, А.М. Игнатова, А.О. Артемов, Л.И. Шевцова, А.Ю. Чумаченко // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. – 2013. № 1. – С. 86-89.
3. Исследование зависимости коэффициентов термического расширения металла шва и сварочных шлаков от температуры в диапазоне 100–1000 °С / М.Н. Игнатов, А.М. Игнатова, С.В. Наумов, Е.Е. Корниенко, А.Ю. Чумаченко // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. – 2012. № 3. – С. 116–119.
4. Игнатова А.М., Игнатов М.Н., Наумов С.В. Применение дифференциальной сканирующей калориметрии для оценки минерального сырья Пермского Края в производстве сварочных материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. – 2011. – Т. 13. – № 4. – С. 107–116.
5. Наумов С.В., Игнатова А.М., Игнатов М.Н. Опыт использования минерального сырья Пермского края в производстве сварочных материалов // Современные проблемы машиностроения: сб. трудов МНТК. – Томск: НИ ТПУ. – 2010. – С. 372–377.
6. Наумов С.В., Игнатова А.М. Исследование физико-химических процессов, протекающих при сварке в сварочных материалах на основе техногенных образований // Научно-технический вестник Поволжья. – 2012. – № 4. – С. 150–153.

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).

pic_12.tif

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.


Библиографическая ссылка

Игнатова А.М. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ НА СЦЕПЛЯЕМОСТЬ СИНТЕТИЧЕСКОГО МИНЕРАЛЬНОГО СПЛАВА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ АРМАТУРОЙ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-5. – С. 982-985;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32437 (дата обращения: 12.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074