Коррозия электрохимическая и химическая.

Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды. При этом часто, но не всегда металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют).

Коррозия помимо уничтожения металла отрицательно влияет на эксплуатационные характеристики деталей, содействуя всем видам разрушения.

Различают:

– электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей, солей. К электрохимической коррозии относится также атмосферная и почвенная;

– химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные). Химическая коррозия может происходить за счет взаимодействия металла с газовой средой при отсутствии влаги. Продуктом коррозии являются оксиды металла. Образуется пленка на поверхности металла толщиной в 1…2 периода кристаллической решетки. Этот слой изолирует металл от кислорода и препятствует дальнейшему окислению, защищает от электрохимической коррозии в воде.

Механизм электрохимической коррозии:

Если в электролит (влажный воздух, водные растворы солей и щелочей и т.д.) поместить два соприкасающихся различных металла, образуется гальванический элемент. При этом металл, который легче отдает электроны, служит анодом, а другой катодом. В процессе работы гальванического элемента анод разрушается.

Микрогальванические элементы возникают также между различными фазами сплавов и даже чистых металлов, где роль анодов играют границы зерен и другие дефектные участки, а роль катодов – тело зерна.

В зависимости от структуры коррозия имеет разное проявление: при однородном металле – коррозия происходит равномерно по всей поверхности. Наиболее часто коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности. Эту коррозию в свою очередь подразделяют на:

– точечную,

– пятнистую,

– с язвами.

Наиболее опасна интеркристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам зерен вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Коррозия без заметных внешних признаков быстро развивается по границам зерен вглубь, резко снижая при этом механические свойства. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам зерен.

Коррозионное растрескивание – образование в металле тонкой сетки трещин, проходящих по объему зерна, при воздействии коррозионной среды и напряжений одновременно.

 

Сталь, устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах (свыше 550°С) называют окалиностойкой (жаростойкой).

Стали, устойчивые к электрохимической (атмосферной, почвенной, кислотной, солевой), межкристаллитной и другим видам коррозии называют коррозионно-стойкими (нержавеющими).

Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, а также повышающих электрохимический потенциал в агрессивных средах.

Металлы, стандартный потенциал которых отрицательный – корродируют в воде, в которой растворен кислород тем активнее, чем отрицательней значение электрохимического потенциала.

Метод обработки внешней среды состоит в удалении из раствора растворенного кислорода или в добавлении к этому раствору веществ, замедляющих коррозию – ингибиторов. Применяется, когда объем жидкости ограничен.

9.2. Коррозионно-стойкие стали.

Можно разделить на два основных класса:

– хромистые,

– хромоникелевые.

Хромистые

после охлаждения на воздухе могут иметь ферритную, мартенситную или мартенситно-ферритную структуру.

Содержание хрома должно быть не менее 13% (13…18%). При введении в сталь 12-14% хрома, ее электрохимический потенциал становится положительным, и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской (пресной) воде, ряде слабых растворов солей, кислот и щелочей. Стали обладают лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что все содержание хрома в стали приходится на долю твердого раствора. В этом случае образуется защитная пленка (Cr, Fe)₂O₃.

Различают стали ферритного класса 08Х13, 12Х17, 08Х25Т, 15Х28. Стали с повышенным содержанием хрома не имеют фазовых превращений в твердом состоянии и поэтому не могут быть подвергнуты закалке. Значительным недостатком ферритных хромистых сталей является повышенная хрупкость из-за крупнокристаллической структуры. Эти стали склонны к межкристаллитной коррозии (по границам зерен) из-за обеднения хромом границ зерен. Межкристаллитная коррозия обусловлена тем, что часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом и образует карбиды. Концентрация хрома в твердом растворе у границ становится меньше 13% и сталь приобретает отрицательный потенциал. Для избежания этого вводят небольшое количество титана. Титан связывает углерод и исключает возможность образования карбидов хрома.

Из-за склонности к росту зерна ферритные стали требуют строгих режимов сварки и интенсивного охлаждения зоны сварного шва. Недостатком является и склонность к охрупчиванию при нагреве в интервале температур 450…500^oС

Из ферритных сталей изготавливают оборудование азотно-кислотных заводов (емкости, трубы).

Для повышения механических свойств ферритных хромистых сталей в них добавляют 2…3 % никеля. Стали 10Х13Н3, 12Х17Н2 используются для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих в агрессивных средах.

Коррозионная стойкость стали повышается термической обработкой (закалкой и высоким отпуском) и созданием шлифованной и полированной поверхности. Термическую обработку для ферритных сталей проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что и увеличивает коррозионную стойкость.

Стали мартенситного класса 20Х13, 30Х13, 40Х13. После закалки и отпуска при 180…250^oС стали 30Х13, 40Х13 имеют твердость 50…60 HRC и используются для изготовления режущего инструмента (хирургического), пружин для работы при температуре 400…450^o, предметов домашнего обихода.

Хромоникелевые

Стали аустенитного класса.

Никель – аустенитообразующий элемент, сильно понижающий критические точки превращения. После охлаждения на воздухе до комнатной температуры имеет структуру аустенита. Нержавеющие стали аустенитного класса 04Х18Н10, 12Х18Н9Т имеют более высокую коррозионную стойкость, лучшие технологические свойства по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, лучше свариваются. Они сохраняют прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна при нагреве и не теряют пластичности при низких температурах.

Для большей гомогенности хромоникелевые стали подвергают закалке с температуры 1050…1100^oC в воде. При нагреве происходит растворение карбидов хрома в аустените. Выделение их из аустенита при закалке исключено, так как скорость охлаждения велика. Получают предел прочности s_В= 500…600 МПа, и высокие характеристики пластичности, относительное удлинение d= 35…45%.

Упрочняют аустенитные стали холодной пластической деформацией, что вызывает эффект наклепа. Предел текучести при этом может достигнуть значений 1000…1200 МПа, а предел прочности – 1200…1400 МПа.

Для уменьшения дефицитного никеля часть его заменяют марганцем (сталь 40Х14Г14Н3Т) или азотом (сталь 10Х20Н4АГ11).

Аустенитно-ферритные стали 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т являются заменителями хромоникелевых сталей с целью экономии никеля.

Свойства сталей зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз (оптимальные свойства получают при соотношении – Ф:А=1:1). Термическая обработка сталей включает закалку от температуры 1100…1150^oC и отпуск-старение при температуре 500…750^oC.

Аустенитно-ферритные стали не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением: трещины могут возникать только на аустенитных участках, но ферритные участки задерживают их развитие. При комнатных температурах аустенитно-ферритные стали имеют твердость и прочность выше, а пластичность и ударную вязкость ниже, чем стали аустенитного класса.

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе

Коррозионно-стойкие стали не обеспечивают высокой коррозионной стойкости в кислотах. Используют сплавы. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами.

08ХН40МДТЮ – предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты.

Для работы при повышенной температуре во влажном хлоре, соляно-кислых и сернокислых средах, хлоридах, смесях кислот и др. агрессивных средах наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ.

Сплавы типа хастеллой содержат до 80 % никеля, другим элементом является молибден в количестве до 15…30 %. Сплавы являются коррозионно-стойкими в особо агрессивных средах (кипящая фосфорная или соляная кислота), обладают высокими механическими свойствами. Недостатком является склонность к межкристаллической коррозии, поэтому содержание углерода в этих сплавах должно быть минимальным.

9.3. Жаростойкость, жаростойкие стали.

Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.

Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550^oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей).

Сплавы на основе железа при температурах выше 570^oC интенсивно окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла оксид железа (вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой окалины.

Повышение окалиностойкости достигается главным образом введением в сталь хрома (5 – 25%), а также алюминия или кремния, т.е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)₂O₃; (Al, Fe)₂O₃.

Чем выше содержание хрома, тем более окалиностойки стали (например, сталь 15Х25Т является окалиностойкой до температуры 1100…1150^oC).

Наиболее распространенные жаростойкие стали, содержащие:

– хром и кремний (сильхромы),

– хром и алюминий (хромали),

– хром, кремний и алюминий (сильхромали).

Типичные представители: 40Х9С2, 10Х13СЮ, Х8СМ, Х8С2М.

 

9.4. Жаропрочность, жаропрочные стали и сплавы.

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

Повышение температуры влияет на все механические свойства: понижает предел упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцепления), предел текучести и предел прочности. Причем в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях, чем при обычных статических испытаниях.

Если при высокой температуре нагружать металл постоянно действующим напряжением даже ниже s_т, то он будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление называется ползучестью. Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре. Развитие ползучести может привести к разрушению. Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном воздействии нагрузки, называют жаропрочностью.

При испытаниях образцы помещают в печь с заданной температурой и прикладывают постоянную нагрузку. Измеряют деформацию индикаторами.

В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается кривой состоящей из трех участков (кривая ползучести):

1. ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;

2. АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести;

3. ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость.

Если напряжения достаточно велики, то протекает третья стадия (участок СД), связанная с началом разрушения образца (образование шейки).

Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве выше 400^oС.

Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести ( – предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 часов при температуре 700°С. Необходимо указать по суммарной или остаточной деформации определяется предел ползучести). Или жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности ( =200МПа, т.е. при 700°С в течении 1000 часов максимальная приложенная нагрузка составляет 20 кг/мм², после 1000 часов произойдет разрушение).

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют
(0,4–0,8)Т_пл. Требуемые сроки службы жаропрочных сплавов изменяются от 1–2 часов (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины).

Деформация и разрушение при высоких температурах часто происходит по границам зерен, где легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжение отсутствует диффузия не имеет направленного характера. При наличии даже небольших напряжений, эти перемещения атомов, особенно по границам зерен, приобретают направленный характер, что способствует ползучести металла. В процессе ползучести происходит перемещение одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела – проскальзывание.

Такой механизм называют диффузионной пластичностью, в отличие от сдвигового (дислокационного) механизма.

Таким образом, если при низких температурах границы зерен упрочняют сплав, то при высоких температурах наоборот, способствуют разупрочнению. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается.

Жаропрочность зависит от величины межатомной связи. Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раствора, приводящее к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных, и особенно, интерметаллидных фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах создают на основе железа, никеля, кобальта; а для работы при очень высоких температурах
(1200–1500°С) на основе молибдена и других тугоплавких металлов.

В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.

При температурах до 300^oC обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.

Для работы в интервале температур 350…500^oC применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.

Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные и низколегированные стали, содержащие хром, ванадий, молибден и ниобий. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высокоотпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы. Рабочая температура менее 600°С.

Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей).

Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000^oС в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации.

Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.

Жаропрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000^oС и отпуску при температуре 720…780^oС.

При рабочих температурах 500…700^oC применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин, сопловые аппараты реактивных двигателей и т.д.

Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600^oС, из-за выделения по границам различных фаз.

По структуре стали подразделяются на две группы:

1. Аустенитные стали с гомогенной структурой 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100^oС в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750^oС.

2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р. Термическая обработка сталей включает закалку с 1050…1100^oС. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750^oС). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается.

Жаропрочные сплавы

Детали, работающие при температурах 700…900^oC, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей).

Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали.

По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).

Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.

Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150^oС на воздухе и отпуска – старения при 600…800^oС.

Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.

Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900^oC (до 2500^oС), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других.

Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400^oС, тантал – 3000^oС, молибден – 2640^oС, ниобий – 2415^oС, хром – 1900^oС.

Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической решетке и высокими температурами рекристаллизации.

Наиболее часто применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование, на поверхности сплавов образуется слой MoSi₂ толщиной 0,03…0,04 мм. При температуре 1700^oС силицированные детали могут работать 30 часов.

Вольфрам – наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах различного назначения, в электротехнике и электронике (нити накала, нагреватели в вакуумных приборах).

В качестве легирующих элементов к вольфраму добавляют молибден, рений, тантал. Сплавы вольфрама с рением сохраняют пластичность до –196^oС и имеют предел прочности 150 МПа при температуре 1800^oС.

Для сплавов на основе вольфрама характерна низкая жаростойкость, пленки образующихся оксидов превышают объем металла более, чем в три раза, поэтому они растрескиваются и отслаиваются. Изготавливают изделия, работающие в вакууме.

ТЕМА 10

Цветные металлы и сплавы

10.1. Алюминий. Деформируемые и литейные сплавы алюминия.

10.2. Медь и ее сплавы.

10.3. Титан и сплавы титана.

10.4. Магний и магниевые сплавы.

 

Цветные металлы являются более дорогими и дефицитными по сравнению с черными металлами, однако область их применения в технике непрерывно расширяется. Это связано с тем, что данные материалы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.

 

10.1. Алюминий. Деформируемые и литейные сплавы алюминия.

Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 600^oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку.

Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50 %, модуль упругости 7000 МПа.

Свойства алюминия определяют его применение:

– высокая пластичность – позволяет производить глубокую штамповку и прокатку до малой толщины (пищевая алюминиевая фольга)

– высокая электропроводность (65% от меди) – для электротехнических целей (провода)

– высокая коррозионная стойкость. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al₂O₃, предохраняет его от коррозии.

Железо и кремний являются постоянными примесями алюминия. В зависимости от постоянных примесей различают:

· алюминий особой чистоты, марки А999 (0,001% примесей)

· алюминий высокой чистоты маркируется А935, А99, А97, А95 (0,005–0,5% примесей). Пример А99 (99,99%Al), A97 (99,97%Al).

· Технический алюминий А85, А8, А7, А6, А5, А0 (содержание алюминия от 99,85% до 99,0%).

Технический алюминий маркируют АД0, АД1.

Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.

Механические свойства алюминия невысоки, поэтому как конструкционный материала он применяется ограниченно. Для повышения физико-механических и технологических свойств алюминий легируют различными элементами (Mn, Mg, Cu, Si, Zn).

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.

Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:

· деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой;

· деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;

· литейные сплавы.

Деформируемые предназначены для получения полуфабрикатов (листов, плит, труб и т.п.), а также поковок и штамповых заготовок. Литейные предназначены для фасонного литья.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Сплавы:

· алюминия с магнием, марки АМг

· алюминия с марганцем, марки АМц

После обозначения элемента указывается его содержание (АМг3 – 3% магния).

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Сплавы пластичны, хорошо штампуются и свариваются, но имеют невысокую прочность. Применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

 

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

· Дуралюмины

Сплавы Al-Cu-Mg и дополнительно вводят марганец. Медь и магний – для повышения прочности, марганец – для повышения коррозионной стойкости.

Д1 (Cu~4%, Mg~0,4–0,6%, Mn~0,4–0,8%)

Д16 (Cu~4%, Mg~1,2–1,8%, Mn~0,3–0,9%)

С целью упрочнения дуралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500^oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период. Максимальная прочность достигается через 4…5 суток. После закалки структура – a-твердый раствор и нерастворимые соединения железа.

Широкое применение дуралюмины находят в авиастроении (обшивки самолетов), автомобилестроении (кузова грузовых автомобилей), строительстве.

· Высокопрочные сплавы

Сплавы Al-Cu-Mg-Zn. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость.

В95 (1,4–2 %Cu, 1,8–2,8%Mg, 0,2–0,6%Mn, 5–7%Zn, 0,2–0,25%Cr)

В93

В96

Подвергают закалке и старению.

По прочностным показателям высокопрочные алюминиевые сплавы превосходят дуралюмины, однако, они менее пластичны и чувствительны к концентраторам напряжений.

Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

· Сплавы для ковки и штамповки

Сплавы Al-Cu-Mg с добавками кремния.

АК2

АК6 (1,8–2,6%Cu, 0,4–0,8%Mg, 0,4–0,8%Mn, 0,7–1,2%Si)

АК8 (3,9–4,8%Cu, 0,4–0,8%Mg, 0,4–1%Mn, 0,6–1,2%Si)

Подвергают закалке и старению. Поковки изготавливаются при температуре 380…450^oС, подвергаются закалке от температуры 500…560^oС и старению при 150…165^oС в течение 6…15 часов.

Сплавы этого типа отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами, позволяющими получить качественные слитки.

Сплавы применяют для высоконагруженных штампованных деталей – поршней, лопастей винтов и др.

· Жаропрочные сплавы

Имеют сложный химический состав, дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300^oС.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей. Они могут эксплуатироваться при температурах до 300°С.

АК4-1, Д20.

 

Литейные сплавы

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины), содержащие 10…13 % кремния.

По составу близки к эвтектике и поэтому отличаются высокими литейными свойствами, а отливки – большой плотностью.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Маркировка АЛ: А–означает, что сплав алюминиевый; Л – литейный; цифра – порядковый номер в ГОСТе.

Чем выше порядковый номер, тем меньше кремния, дальше от эвтектики

Применение:

АЛ2 (содержит 10–13% кремния) – тонкостенные детали сложной формы – корпуса двигателей и приборов;

АЛ4 (содержит 8–10% кремния) – высоконагруженные детали – корпуса компрессоров, поршни цилиндров и т.д.;

АЛ9 (содержит 6–8% кремния) – детали средней нагруженности, но сложной конфигурации.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

 

10.2. Медь и ее сплавы.

Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку. Плотность меди 8,92г/см³, температура плавления 1083^oС. Характерным свойством меди является ее высокая электропроводность (уступает только серебру), поэтому она находит широкое применение в электротехнике. Медь пластична, коррозионно-стойкая, легко поддается пайке, легко обрабатывается давлением даже в холодном состоянии. К недостаткам относят низкие литейные свойства и плохую обрабатываемость резанием.

Медь в чистом виде имеет красный цвет, чем больше в ней примесей, тем грубее и темнее излом. Примеси оказывают существенное влияние на физико-механические характеристики меди. Вредными примесями являются: свинец, висмут, сера и кислород. Свинец и висмут образуют на границах зерен легкоплавкую эвтектику, вызывающую горячеломкость. Сера и фосфор образует с медью хрупкие химические соединения.

Технически чистая медь маркируется: М00 (99,99 % Cu), М0 (99,95 % Cu), М2 (99,97 % Cu), М3 (99,7 % Cu), и М4 (99 % Cu).

Механические свойства меди относительно низкие: предел прочности составляет 150…200 МПа, относительное удлинение – 15…25 %. Поэтому в качестве конструкционного материала медь применяется редко. Повышение механических свойств достигается созданием различных сплавов на основе меди.

Химические элементы в марках медных сплавов обозначают следующими индексами:

А – алюминий Внм – вольфрам Ви – висмут В – ванадий Км – кадмий Гл – галлий Г – германий Б – бериллий

Мг – магний Мц – марганец Мш – мышьяк Н – никель О – олово Ж – железо С – свинец

Сн – селен Ср – серебро Су – сурьма Ти – титан Ф – фосфор Ц – цинк Х – хром

Медные сплавы классифицируют:

1. по хим. составу:

– латуни – сплавы меди с цинком,

– бронзы – сплавы меди с другими (кроме цинка) элементами,

– медноникелевые сплавы;

2. по технологическому назначению:

– деформируемые,

– литейные;

3. по изменению прочности после термической обработки:

– упрочняемые,

– неупрочняемые.

Латуни

Латуни могут иметь в своем составе от 4%до 45 % цинка. Повышение содержания цинка до 45 % приводит к увеличению предела прочности до 450 МПа. Максимальная пластичность имеет место при содержании цинка около 37 %.

При сплавлении меди с цинком образуется ряд твердых растворов.

Из диаграммы состояния медь – цинк видно, что в зависимости от состава имеются однофазные латуни, состоящие из – твердого раствора, и двухфазные (a+b) – латуни.

Латуни различают на деформируемые и литейные.

Деформируемые латуни маркируются буквой Л, за которой следует число, показывающее содержание меди в процентах, например в латуни Л62 содержится 62 % меди и 38 % цинка. Если кроме меди и цинка, имеются другие элементы, то ставятся их начальные буквы (О – олово, С – свинец, Ж – железо, Ф – фосфор, Мц – марганец, А – алюминий, Ц – цинк). Количество этих элементов обозначается соответствующими цифрами после числа, показывающего содержание меди, например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60 меди, 1% алюминия, 1% железа и 38% цинка.

Однофазные a–латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволоку.

Для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500^oС используют (a+b) – латуни. Из двухфазных латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой изготавливают детали. Обрабатываемость резанием улучшается присадкой в состав латуни свинца, например, латунь марки ЛС59-1, которую называют “ автоматной латунью ”.

Латуни имеют хорошую коррозионную стойкость, которую можно повысить дополнительно присадкой олова. Латунь ЛО70-1 стойка против коррозии в морской воде и называется “ морской латунью “.

Добавка никеля и железа повышает механическую прочность до 550 МПа.

Литейные латуни также маркируются буквой Л, После буквенного обозначения основного легирующего элемента (цинк) и каждого последующего ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, латунь ЛЦ23А6Ж3Мц2 содержит 23 % цинка, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца. Наилучшей жидкотекучестью обладает латунь марки ЛЦ16К4. К литейным латуням относятся латуни типа ЛС, ЛК, ЛА, ЛАЖ, ЛАЖМц. Литейные латуни не склонны к ликвации, имеют сосредоточенную усадку, отливки получаются с высокой плотностью.

Латуни являются хорошим материалом для конструкций, работающих при отрицательных температурах.

Бронзы

Сплавы меди с другими элементами кроме цинка назаваются бронзами.

Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, указывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показывающие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначения легирующих элементов и ставится цифра, указывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Оловянные бронзы При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Структура литых оловянистых бронз имеет ярко выраженный дендритный характер, что обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Оси дендритов обогащены медью, междендритные пространства – оловом. Эвтектоид, если он есть, располагается в междендритном пространстве. При работе на трение междендритные пространства служат износостойкой опорой, а мягкие – оси дендритов, вырабатываясь, способствуют образованию на поверхности мельчайших каналов, в которых удерживается и циркулирует смазка.

Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 %, для обеспечения необходимой пластичности, БрОФ6,5-0,4, БрОЦ4–3, БрОЦ4–4–2,5.

В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

Литейные оловянные бронзы, БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17, применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.

Оловянные бронзы не дают концентрированной усадочной раковины, и отливка получается пористой по всему объему. Эти м объясняется малая усадка при литье, наименьшая из всех известных сплавов; отливки могут иметь сложную форму, поэтому используются в художественном литье.

Алюминиевые бронзы, БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение – твердого раствора. При содержании алюминия 9,4…15,6 % сплавы системы медь – алюминий двухфазные и состоят из a– и g¢ фаз (g¢ – электронное соединение Cu₃₂Al₉).

Оптимальными свойствами обладают алюминиевые бронзы, содержащие 5…8% алюминия. Увеличение содержания алюминия до 10…11 % вследствие появления g¢– фазы ведет к резкому повышению прочности и сильному снижению пластичности.

Алюминиевые бронзы являются хорошими заменителями оловянных бронз. Они имеют более высокую коррозионную стойкость (хорошо сопротивляются коррозии в морской воде и тропической атмосфере), значительно дешевле, но литейные свойства у них хуже, чем у оловянных.

Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработкой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету.

Кремнистые бронзы, БрКМц3-1, БрК4, применяют как заменители оловянных бронз. Они немагнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря высокой устойчивости к щелочным средам и сухим газам, их используют для производства сточных труб, газо- и дымопроводов. Применяют для изготовления пружин и пружинящих деталей и радиооборудования, работающих при температуре до 250°С, а также в агрессивных средах (пресная, морская вода).

Свинцовые бронзы, БрС30, используют как высококачественный антифрикционный материал. Свинец практически не растворяется в жидкой меди, поэтому сплавы после затвердевания состоят из включений меди и свинца, что и обеспечивает высокие антифрикционные свойства.

По сравнению с оловянными бронзами имеют более низкие механические и технологические свойства.

Нередко свинцовистые бронзы легируют никелем и оловом для повышения механических и коррозионных свойств.

Бериллиевые бронзы, БрБ2, являются высококачественным пружинным материалом. Они сочетают высокую прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, повышенную электропроводность. Хорошо свариваются и обрабатываются резанием.

Поддаются термической обработке – закалке. После закалки и старения s_В=600МПа.

 

10.3. Титан и сплавы титана.

Титан легкий металл с плотностью 4,5 г/см³. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680^oС.

Чистый титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет предел прочности около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства.

При температуре 882^oС титан претерпевает полиморфное превращение, a–титан с гексагональной решеткой переходит в b– титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.

Технический титан выпускают двух марок ВТ1-00 (99,53% Ti), ВТ1-0 (99,46% Ti)

Титан имеет низкую теплопроводность. При нормальной температуре обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах (не стоек в плавиковой, концентрированных серной и азотной кислотах), благодаря тому, что на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных оксидов. При нагреве выше 500^oС становится очень активным элементом. Он либо растворяет почти все соприкасающиеся и ним вещества, либо образует с ними химические соединения.

Титан поставляют в виде листов, труб, прутков, проволоки и других полуфабрикатов.

Сплавы на основе титана ВТ1, Вт3, Вт4, ВТ5, ВТ6, ВТ14, ВТ15 получили значительно большее распространение, чем технический титан.

Преимущества титановых сплавов:

· сочетание высокой прочности с хорошей пластичностью (например ВТ8
s_В = 1050…1250 МПа, d = 11%);

· малая плотность, обеспечивающая высокую удельную прочность;

· хорошая жаропрочность, до 600…700^oС;

· высокая коррозионная стойкость.

Однородные титановые сплавы, не подверженные старению, используют в криогенных установках до гелиевых температур.

В результате легирования титановых сплавов можно получить нужный комплекс свойств. Легирующие элементы, входящие в состав промышленных титановых сплавов, образуют с титаном твердые растворы замещения и изменяют температуру аллотропического превращения.

Элементы, повышающие температуру превращения, способствуют стабилизации a–твердого раствора и называются a–стабилизаторами, это – алюминий, кислород, азот, углерод.

Элементы, понижающие температуру превращения, способствуют стабилизации b– твердого раствора и называются b– стабилизаторами. Это – молибден, ванадий, хром, железо.

Кроме a– и b–стабилизаторов различают нейтральные упрочнители: олово, цирконий, гафний.

Сплавы на основе титана можно подвергать всем видам термической обработки, химико-термической и термомеханической обработке. Упрочнение титановых сплавов достигается легированием, наклепом, термической обработкой.

Часто титановые сплавы легируют алюминием, он увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает вредное влияние водорода, увеличивает термическую стабильность. Для повышения износостойкости титановых сплавов их подвергают цементации или азотированию.

Основным недостатком титановых сплавов является плохая обрабатываемость режущим инструментом.

По способу производства деталей различаются деформируемые (ВТ 9, ВТ 18) и литейные (ВТ 21Л, ВТ 31Л) сплавы.

Области применения титановых сплавов:

· авиация и ракетостроение (корпуса двигателей, баллоны для газов, сопла, диски, детали крепежа);

· химическая промышленность (компрессоры, клапаны, вентили для агрессивных жидкостей);

· оборудование для обработки ядерного топлива;

· морское и речное судостроение (гребные винты, обшивка морских судов, подводных лодок);

· криогенная техника (высокая ударная вязкость сохраняется до –253^oС).

 

10.4. Магний и магниевые сплавы.

Магний – самый легкий из технических цветных металлов, его плотность –
1,74 г/см³. Температура плавления – 650^oС. Магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Очень активен химически, вплоть до самовозгорания на воздухе.

Технический магний выпускают трех марок МГ90 (99,9%), МГ95 (99,95%) и МГ96 (99,6%). Механические свойства для литого магния: s_В = 115 МПа,
s_0,2 = 25МПа, d = 8%, 30НВ.

Используется в пиротехнике и химической промышленности.

Основными магниевыми сплавами являются сплавы магния с алюминием, цинком, марганцем, цирконием. Сплавы делятся на деформируемые и литейные.

Деформируемые магниевые сплавы.

Магний плохо деформируется при нормальной температуре. Пластичность сплавов значительно увеличивается при горячей обработке давлением (360…520^oС). Деформируемые сплавы маркируют МА1, МА5, МА8, МА9.

Из деформируемых магниевых сплавов изготавливают детали автомашин, самолетов, прядильных и ткацких станков. В большинстве случаев эти сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью.

Литейные магниевые сплавы.

Литейные сплавы маркируются МЛ1, МЛ3, МЛ5.

Отливки изготавливают литьем в землю, в кокиль, под давлением. Необходимы меры, предотвращающие загорание сплава при плавке, в процессе литья.

Из литейных сплавов изготавливают детали двигателей, приборов, телевизоров, швейных машин.

Магниевые сплавы, благодаря высокой удельной прочности широко используются в самолето- и ракетостроении.

 

ТЕМА 11

Неметаллические материалы.

11.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы.

11.2. Резины.

11.3. Композиционные материалы.

 

11.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы.

Основным типом неметаллических материалов, широко используемых в машиностроении и других отраслях промышленности, являются пластические массы (пластмассы).

Пластическими массами называют такие искусственные материалы, которые получают на основе органических полимерных связующих веществ с различными наполнителями.

В качестве связующих при получении пластмасс используют синтетические или природные высокомолекулярные соединения, в том числе синтетические смолы, высокомолекулярные соединения или продукты их переработки, например, эфиры целлюлозы, битумы и др.

Смолы, используемые для изготовления пластмасс, могут быть термореактивными или термопластичными, что и определяет их основные технологические и эксплуатационные свойства.

Многие пластмассы (преимущественно, термопластичные) состоят из одного связующего вещества. К таким материалам относится полиэтилен, полистирол, полиамиды, органические стекла, капрон и др. Особенностью термопластичных материалов является их способность размягчаться при нагревании и вновь затвердевать при охлаждении. Причем эти процессы протекают обратимо и происходят одинаково при каждом цикле нагрева и охлаждения. Строение материала при этом не изменяется, в нем не происходит никаких химических реакций.

Термопластичные материалы характеризуются малой плотностью, хорошей формуемостью, устойчивостью к горючесмазочным материалам. Полиэтилен имеет теплостойкость до 50 ºС, морозостойкость до -70, химически стоек, однако подвержен старению. Применяется для изготовления пленок, труб, контейнеров, предметов домашнего обихода. Полипропилен имеет более высокие прочностные свойства, но имеет более низкую морозостойкость (до минус 20 ºС). Области применения близкие к полиэтилену. Полистирол - твердый прозрачный компактный материал. Используется для изготовления деталей приборов и машин (ручки, корпуса, трубы и др.). Полиуретаны и полиамиды: капрон, нейлон используются для изготовления высокопрочных нитей и пленок. Органические стекла - прозрачные твердые вещества, используются в самолетостроении, автомобилестроении, приборостроении.

К термопластам также относятся фторопласты - уникальные материалы с очень низким коэффициентом трения. Их используют для вентилей, кранов, насосов, втулок, прокладок и др.).

Термореактивные материалы при нагревании размягчаются лишь в начальный период времени, а затем твердеют при температуре нагревания за счет протекания необратимых химических реакций в их структуре, в результате чего такой материал остается твердым и не размягчается при повторных нагревах до достаточно высоких температур. Представителями термореактивных материалов являются фенолформальдегидная, глифталевая, эпоксидная смолы, непредельные полиэфиры и др. Природа протекания химических реакций, приводящих к необратимому затвердеванию, может иметь различный характер. Оно может стимулироваться добавлением в смолы специальных веществ - отвердителей, либо происходить только за счет термической активации - при нагреве. Однако в обоих случаях особенностью термореактивных пластмасс является необратимый характер изменения основных свойств материала.

Основой реактопластов являются термореактивные полимеры. В качестве наполнителей используют различные неорганические материалы. В зависимости от типа наполнителя такие материалы подразделяются на порошковые, волокнистые и слоистые. Порошковые материалы используют в качестве наполнителей древесную или целлюлозную муку, молотый кварц, тальк, цемент, графит и др. Такие пластмассы имеют однородные свойства по всем направлениям, хорошо прессуются. Недостаток - низкая устойчивость к ударным нагрузкам. Применяются для изготовления корпусных деталей приборов, технологической оснастки в литейном производстве (моделей) или слабонагруженных деталей штампов. Волокнистые пластмассы (волокниты) имеют высокие прочностные свойства, особенно, стекловолокниты, поскольку, по существу, они являются композиционными материалами и используют преимущества в свойствах как основы, так и волокон, применяемых для создания этих материалов. Слоистые пластики, как и волокниты, являются композиционными материалами. Они характеризуются наиболее высокими прочностными и, одновременно, пластическими свойствами. Существуют текстолиты (наполнитель - хлопчатобумажная ткань), гетинакс (наполнитель - бумага), древеснослоистые пластики (древесный шпон), стеклотекстолиты (ткань из стекловолокна). Текстолит имеет повышенное сопротивление износу. Может применяться для изготовления зубчатых колес, кулачков, подшипников и других тяжело нагруженных деталей. Гетинакс - электроизоляционный и декоративно-строительный материал. Стеклотекстолит на эпоксидной смоле используется для наиболее ответственных нагруженных деталей, поскольку имеет наиболее высокие прочностные свойства среди остальных пластических масс.

В зависимости от основного назначения пластмассы разделяются на следующие группы:

а) конструкционные, обладающие высокой механической прочностью и применяющиеся для силовых и не силовых конструкций;

б) электроизоляционные, обладающие хорошими диэлектрическими свойствами; область применения - электротехника, приборостроение;

в) теплостойкие, применительно к трем температурным областям применения: 120 - 150 ºС, 150 - 200 ºС и выше 200 ºС;

г) звуко- и теплоизоляционные, обладающие звукоизоляционными свойствами и малой теплопроводностью - обычно, высокопористые материалы;

д) фрикционные, обладающие при сухом трении высоким коэффициентом трения и малым износом;

е) антифрикционные, также имеющие высокую износостойкость при очень малом коэффициенте трения;

ж) антикоррозионные, обладающие повышенной стойкостью к внешним химически агрессивным факторам (атмосферные осадки, кислоты, щелочи); часто используются для покрытия металлических изделий с целью защиты от коррозии;

з) декоративно-отделочные и облицовочные, обладающими хорошими декоративными свойствами;

и) прокладочные и уплотнительные, обладающие стойкостью против действия воды, жидкого топлива, минеральных масел, кислот и щелочей;

к) тропикоустойчивые, хорошо сопротивляющиеся действию температуры, влажности воздуха, ультрафиолетового облучения, стойкие к грибковой плесени;

л) химически стойкие, обладающие стойкостью к действию сильных кислот и щелочей, ароматических углеводородов, бензину, спиртам и другим растворителям.

Большинство пластмасс обладает комплексом свойств, позволяющих применять их не в одной, а сразу в нескольких областях, в различных сочетаниях, например, винипласт обладает электроизоляционными, конструкционными и антикоррозионными свойствами.

Конструкционные пластмассы подразделяются по прочности:

а) высокопрочные, с пределом прочности на растяжение σ_в выше 196 МПа;

б) средней прочности при σ_в от 78,4 до 196 МПа;

в) низкой прочности при σ_в не выше 78,4 МПа;

г) теплостойкие;

д) декоративно-отделочные и облицовочные.

Электро- и радиотехнические пластмассы бывают:

а) электроизоляционные;

б) электропроводные;

в) радиопрозрачные.

Тепло- и звукоизоляционные пластмассы подразделяются на следующие подгруппы:

1. Пенопласты полистирольные и на иной основе:

а) эмульсионные с ячеистой структурой (например, пенопласт, полистирольный плиточный ПС-1 и ПС-4);

б) вспенивающиеся полистиролы, являющиеся продуктами полимеризации стирола в присутствии порошкообразователя (например, ПСВ, ПСВ-А, ПСВ-С).

2. Пенополиуретаны эластичные, получаемые путем взаимодействия полиэфира П-2200 с толуилендиизицианатом в присутствии катализатора, эмульгатора и специальных добавок.

3. Тепловая изоляция, наносимая на изделия в виде матов, состоящих из материалов с низкой теплопроводностью и экранов - материалов с высокой отражательной способностью:

а) электронно-вакуумная тепловая изоляция, представляющая собой набор экранов - материалов с высокой отражательной способностью, разделенных прокладками из материалов с низкой теплопроводностью;

б) тепло- звукоизоляционный материал, состоящий из слоев стеклянных волокон, обклеенных с одной или двух сторон фольгой, пленкой или не оклеенных вообще.

11.2. Резины.

Резина отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку – главному исходному материалу резины. Для резиновых материалов характерна высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и ингредиентов, рассмотренных ниже.1. Вулканизирующие вещества (агенты) участвуют в образовании пространственно-сеточной структуры вулканизата. Обычно в качестве таких веществ применяют серу и селен, для некоторых каучуков перекиси. Для резины электротехнического назначения вместо элементарной серы (которая взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения – тиурам (тиурамовые резины). Ускорители процесса вулканизации; полисульфиды, оксиды свинца, магния и другие влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии оксидов некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в составе резиновой смеси активаторами.2. Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют противостарители химического и физического действия. Действие первых заключается в том, что они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука (применяются альдоль, неозон Д и др.). физические противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже.3. Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины. В качестве мягчителей вводят парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, растительные масла. Количество мягчителей составляет 8—30 % массы каучука.4. Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Активные наполнители (углеродистая сажа и белая сажа — кремнекислота, оксид цинка и др.) повышают механические свойства резин: прочность, сопротивление истиранию, твердость. Неактивные наполнители (мел, тальк, барит) вводятся для удешевления стоимости резины. Часто в состав резиновой смеси вводят регенерат — продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.5. Красители минеральные или органические вводят для окраски резин. Некоторые красящие вещества (белые, желтые, зеленые) поглощают коротковолновую часть солнечного спектра и этим защищают резину от светового старения. К группе резин общего назначения относят вулканизаты неполярных каучуков – НК, СКБ, СКС, СКИ. НК — натуральный каучук является полимером изопрена (С5Н8)n. Он растворяется в жирных и ароматических растворителях (бензине, бензоле, хлороформе, сероуглероде и др.), образуя вязкие растворы, применяемые в качестве клеев. При нагреве выше 80—100 °С каучук становится пластичным и при 200 °С начинает разлагаться. При температуре —70 °С НК становится хрупким. Обычно НК аморфен. Однако при длительном хранении возможна его кристаллизация. Кристаллическая фаза возникает также при растяжениикаучука, что значительно увеличивает его прочность. Для получения резины НК вулканизуют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами.СКБ – синтетический каучук бутадиеновый (дивинильный) получают по методу С. В. Лебедева. Формула полибутадиена (С4Н6)n. Он является некристаллизующимся каучуком и имеет низкий предел прочности при растяжении, поэтому в резину на его основе необходимо вводить усиливающие наполнители. Морозостойкость бутадиенового каучука невысокая (от —40 до —45 °С). Он набухает в тех же растворителях, что и НК.Стереорегулярный дивинильный каучук СКД по основным техническим свойствам приближается к НК. Дивинильные каучуки вулканизуются серой аналогично натуральному каучуку.СКС — бутадиенстирольный каучук получается при совместной полимеризацией бутадиена (С4Н6) и стирола (СН2=СН—С6Н5). Это самый распространенный каучук общего назначения. В зависимости от процентного содержания стирола каучук выпускают нескольких марок: СКС-10, СКС-30, СКС-50. Свойства каучука зависят от содержания стирольных звеньев. Так, например, чем больше стирола, тем выше прочность, но ниже морозостойкость. Из наиболее распространенного каучука СКС-30 получают резины с хорошим cопротивлением старению и хорошо работающие при многократных деформациях. По газонепроницаемости и диэлектрическим свойствам они равноценны резинам на основе НК. Каучук СКС-10 можно применять при низких температурах (от —74 до —77 °С). При подборе соответствующих наполнителей можно получить резины с высокой механической прочностью.СКИ — синтетический каучук изопреновый — продукт полимеризации изопрена (С5Н8). Получение СКИ стало возможным в связи с применением новых видов катализаторов. По строению, химическим и физико-механическим свойствам СКИ близок к натуральному каучуку. Промышленностью выпускаются каучуки СКИ-3 и СКИ-ЗП, наиболее близкие по свойствам к НК; каучук СКИ-ЗД, предназначенный для получения электроизоляционных резин, СКИ-ЗВ — для вакуумной техники.Резины общего назначения могут работать в среде воды, воздуха, слабых растворов кислот и щелочей. Интервал рабочих температур составляет от —35 до 130 °С. Из этих резин изготовляют шины, ремни, рукава, конвейерные ленты, изоляцию кабелей, различные резинотехнические изделия. Специальные резины подразделяют на несколько видов: маслобензостойкие, теплостойкие, светоозоностойкие, износостойкие, электротехнические, стойкие к гидравлическим жидкостям. Механические свойства каучуков и резин могут быть охарактеризованы комплексом свойств.К особенностям механических свойств каучуков и резин следует отнести: 1) высокоэластический характер деформации каучуков; 2) зависимость деформаций от их скорости и продолжительности действия деформирующего усилия, что проявляется в релаксационных процессах и гистерезисных явлениях 3) зависимость механических свойств каучуков от их предварительнойобработки, температуры и воздействия различных немеханических факторов (света, озона, тепла и др.). Различают деформационно-прочностные, фрикционные и другие специфические свойства каучуков и резин. К основным деформационно-прочностным свойствам относятся: пластические и эластические свойства, прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве, остаточное удлинение после разрыва, условные напряжения при заданном удлинении, условно-равновесный модуль, модуль эластичности, гистерезисные потери, сопротивление раздиру, твердость. К фрикционным свойствам резин относится износостойкость, характеризующая сопротивление резин разрушению при трении, а также коэффициент трения. К специфическим свойствам резин относятся, например, температура хрупкости, морозостойкость, теплостойкость, сопротивление старению. Очень важным свойством резин является сопротивление старению (сохранение механических свойств) после воздействия света, озона, тепла и других факторов.

 

11.3. Композиционные материалы.

Композиционные материалы – искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку.

Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей.

Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой.

Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице, природе компонентов.

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

· с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

· с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;

· с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

· с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

· с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;

· с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

· композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;

· композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

· композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;

· композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств ком