Материаловедение Конспект лекций. Конспект лекций для студентов 2 курса бакалавриата направления 221700 Стандартизация и метрология
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
8.2. Резиновые материалы Резины различных видов и марок относятся к группе эластич- ных материалов – эластомеров. Резины подразделяются на формовые и неформовые. К неформовым относится большая группа так назы- ваемых сырых резин. Сырые резины выпускаются под номерами (10, 11, 14 и т.д.) в виде разнотолщинных пластин, покрытых тальком (для предохранения от слипания), или в виде рулонов с тканевой про- кладкой (измиткаля), которая также предохраняет резину от слипа- ния. Неформовая сырая резина получается путём вулканизации из резиновых смесей, изготавливаемых на основе синтетических каучу- ков или натурального. Основным вулканизирующим веществом явля- ется сера, но еще применяют селен и теллур. В зависимости от марок сырая резина используется для получения различных формовых изде- лий с определёнными свойствами. Резина представляет собой искусственный материал, получае- мый в результате специальной обработки резиновой смеси, основным компонентом которой является каучук. Каучук – это полимер, отли- чительной особенностью которого является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. Это свойство объясняется строением каучука. Его макромолекулы имеют вытянутую извилистую форму. При нагрузке происходит выпрямление 64 макромолекул, что и объясняет большие деформации. При разгрузке макромолекулы принимают исходную форму. Различают натураль- ный и синтетический каучук. Натуральный каучук добывают из неко- торых видов тропических растений в незначительных количествах. Поэтому производство резины основано на применении синтетиче- ских каучуков. Сырьём для производства синтетическою каучука служит спирт, на смену которому приходит нефтехимическое сырьё. Резину получают из каучука путём вулканизации, т.е. в процес- се химического взаимодействия каучука с вулканизатором при высо- кой температуре, вулканизатором чаще всего является сера. В про- цессе вулканизации сера соединяет нитевидные молекулы каучука и образуется пространственная сетчатая структура. Основное свойство резины – очень высокая эластичность. Рези- на способна к большим деформациям, которые почти полностью об- ратимы. Кроме того, резина характеризуется высоким сопротивлени- ем разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, неболь- шой плотностью, малой сжимаемостью, низкой теплопроводностью. По назначению резины подразделяются на резины общего и специального назначения. Из резин общего назначения изготовляют- ся автомобильные шины, транспортёрные ленты, ремни ременных передач, изоляция кабелей, рукава и шланги, уплотнительные и амор- тизационные детали, обувь и др. Резины общего назначения могут использоваться в горячей воде, слабых растворах щелочей и кислот, а также на воздухе при температуре от -10 до +150 °С. Резины специ- ального назначения подразделяются на теплостойкие, которые могут работать при температуре до 250…350 °С; морозостойкие, выдержи- вающие температуру до -70 °С; маслобензостойкие, работающие в среде бензина, других топлив, масел и нефтепродуктов; светоозоно- стойкие, не разрушающиеся при работе в атмосферных условиях в течение нескольких лет, стойкие к действию сильных окислителей; электроизоляционные, применяемые для изоляции проводов и кабе- лей; электропроводящие, способные проводить электрический ток. Лекция 9. Композиционные материалы Композиционные материалы – сложные или составные мате- риалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы – стеклопластики), принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления. 65 Развитие авиации, ракетно-космической техники, ядерной энер- гетики и многих других отраслей промышленности, а также задача повышения качества выпускаемых изделий потребовали создания но- вых конструкционных материалов. Материалы характеризуются высокими прочностью, термостой- костью и жаропрочностью, малой плотностью, теплопроводностью и электропроводимостью, диэлектрическими, магнитными и другими специальными физическими свойствами. Объединение различных ценных свойств отдельных материалов позволило создать единое це- лое – композицию. Композицию получают путём введения в основной материал (матрицу) определённого количества другого материала, который до- бавляется в целях получения специальных свойств. Композиционными называют сложные материалы в состав ко- торых входят отличающиеся по свойствам, не растворимые друг в друге компоненты. Основой композиционных материалов является сравнительно пластичный материал – компонент, непрерывный во всём объёме композиционного материала, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более твёрдые и прочные веще- ства, называемые упрочнителями или наполнителями. Матрица мо- жет быть металлической, полимерной, углеродной, керамической. По типу упрочнителя композиционные материалы делятся на дисперсно- упрочнённые, в которых упрочнителем служат дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и др., волокнистые, в которых упрочни- телем являются волокна различной формы, и слоистые, состоящие из чередующихся слоёв волокон и листов матричного материала. Композиционные материалы – искусственно созданные мате- риалы, которые состоят из двух или более компонентов, различаю- щихся по составу, и которые имеют новые свойства, запроектирован- ные заранее. Компонент прерывистый, разделённый в объёме композицион- ного материала, называется арматурой. Матрица придаёт требуемую форму изделию, влияет на созда- ние свойств композиционного материала, защищает арматуру от ме- ханических повреждений и других воздействий среды. В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неор- ганические, керамические, углеродные и другие материалы. 66 Свойства матрицы определяют технологические параметры про- цесса получения композиции и её эксплуатационные свойства: плот- ность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление ус- талостному разрушению и воздействию агрессивных сред. В последнее время находят широкое применение так называе- мые гибридные КМ. Гибридными называют КМ, содержащие в своём составе три или более компонентов. По назначению КМ разделяют на общеконструкционные, тер- мостойкие, пористые, фрикционные и антифрикционные и т.д. Все КМ условно можно классифицировать по следующим при- знакам; материалу композиции, типу арматуры и её ориентации, спо- собу получения композиции и изделий из них, по назначению. Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними. Практически всякий современный материал представляет собой композицию, поскольку материалы редко используются в чистом виде. Физико-механические свойства КМ в зависимости от концен- трации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут меняться в очень широких пределах. Тем самым открывается возможность специального созда- ния (конструирования) материала с заданными свойствами для опре- делённого изделия. Отличительной особенностью КМ является то, что в них прояв- ляются достоинства компонентов, а не их недостатки. Созданы КМ с комбинированными матрицами, состоящими из чередующихся слоёв различного химического состава. Поскольку главную роль в упроч- нении КМ играют наполнители (компоненты), их часто называют уп- рочнителями. Основная функция наполнителя – обеспечить прочность и жёст- кость КМ. Частицы наполнителя должны иметь высокую прочность во всём интервале температур, малую плотность, быть нерастворимыми в матрице и нетоксичными. Армирующими свойствами в КМ являют- ся оксиды, карбиды (обычно – карбид кремния SiC), нитрит кремния (Si 3 N 4 ), стеклянные или вольфрамовая проволока. По форме наполнителя КМ разделяют на дисперсно-упрочнён- ные, слоистые и волокнистые. Дисперсно-упрочнёнными называют КМ, упрочнённые нуль- мерными наполнителями (наполнители, имеющие в трёх измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы 1 (рис. 26, п. 1))); во- локнистыми – КМ, упрочнённые одномерными (имеют малые разме- ры в двух направлениях и значительно превосходящий их размер в 67 третьем измерении (рис. 26, п. 2)) или одномерными и двумерными наполнителями (у двумерных наполнителей два размера соизмеримы с размером КМ и значительно превосходят третий (рис. 26, п. 3)); слоистые – КМ, упрочнённые двумерными наполнителями. Рис. 26. Разновидности КМ Среди дисперсноупрочнённых материалов ведущее место зани- мает САП (спечённая алюминиевая пудра), представляющий собой алюминий, упрочнённый дисперсными частицами оксида алюминия. Получают САП из окисленной с поверхности алюминиевой пудры путём последовательного брикетирования, спекания и прессования. Структура САП состоит из алюминиевой основы с равномерно рас- пределёнными частицами А1 2 О 3 . С увеличением содержания А1 2 О 3 повышается прочность, твёрдость, жаропрочность САП, но снижает- ся его пластичность. Марки САП-1, САП-2, САП-3, САП-4 содержат, соответственно, 6…8, 9…12, 13…17, 18…22 % А1 2 О 3 . Высокая проч- ность САП объясняется большой дисперсностью упрочнителя и ма- лым расстоянием между его частицами. По жаропрочности САП пре- восходит все алюминиевые сплавы. В волокнистых композиционных материалах упрочнителем служат углеродные, борные, синтетические, стеклянные и другие во- локна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений (карбиды кремния, оксиды алюминия и др.) или металлическая проволока (стальная, вольфрамовая и др.). Свойства материала зависят от соста- ва компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Для металлических композиционных материалов проч- ная связь между волокном и матрицей достигается благодаря их взаимодействию. Связь между компонентами в композиционных ма- териалах на неметаллической основе осуществляется с помощью ад- гезии. Повышение адгезии волокон к матрице достигается их поверх- ностной обработкой. Производится осаждение нитевидных кристал- лов на поверхность волокон. При этом получаются «мохнатые» во- локна с улучшенной адгезией, благодаря чему улучшаются механиче- ские свойства композиционного материала. 68 Среди неметаллических волокнистых композиционных мате- риалов наибольшее распространение получили материалы с полимер- ной матрицей. Материалы, содержащие в качестве упрочнителя угле- родные волокна, называются карбоволокнитами. Они обладают низ- кими теплопроводностью и электропроводностью, хорошей износо- стойкостью. Недостаток карбоволокнитов – низкая прочность при сжатии и сдвиге. Материалы с упрочнителем в виде волокон бора на- зывают бороволокнитами. Они характеризуются высокой прочностью при растяжении, сжатии и сдвиге, высокими твёрдостью и модулем упругости, тепло- и электропроводностью. Материалы, содержащие в качестве упрочнителя синтетические волокна (капрон, лавсан и др.), называются органоволокнитами. Они обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошей пластичностью и ударной вязко- стью, электроизоляционными свойствами. Волокнистые композиционные материалы на металлической ос- нове имеют более высокие характеристики, зависящие от свойств матрицы. В качестве матрицы используются металлы, имеющие не- большую плотность (алюминий, магний, титан), их сплавы, а также никель для создания жаропрочных материалов. В качестве упрочни- теля используют стальную проволоку (наиболее дешёвый материал), борные и углеродные волокна. При создании жаропрочных компози- ционных материалов на основе никеля используется вольфрамовая проволока. 9.1. Материалы порошковой металлургии Порошковая металлургия – область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соеди- нений и процессы изготовления изделий из них без расплавления. Характерной особенностью порошковой металлургии является при- менение исходного материала в виде порошков, из которых прессо- ванием формуются изделия заданной формы и размеров. Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температу- ры плавления основного компонента. Наибольшее практическое применение имеют способы механи- ческого измельчения исходного сырья (стружки, обрезков, скрипа и т.д.). Измельчение проводят в механических мельницах. Размолом получают порошки из легированных сплавов строго заданного хими- ческого состава и из хрупких материалов, таких как кремний, берил- лий и др. 69 При применении механических способов исходный продукт измельчается без изменения химического состава. К недостаткам ме- ханического измельчения следует отнести высокую стоимость по- рошков, включающую стоимость изготовления исходных литых ме- таллов и сплавов, и относительно низкую производительность про- цесса. К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление оксидов, осаждение металлического порошка из вод- ного раствора соли и др. Получение порошка связано с изменением химического состава исходного сырья или его состояния в результате химического или физического (но не механического) воздействия на исходный продукт. Физико-химические способы получения порош- ков в целом более универсальны, чем механические. Поведение металлических порошков при прессовании и спека- нии зависит от свойств порошков, которые, в свою очередь, опреде- ляются методами и способами их получения. 9.2. Свойства порошковых материалов Металлические порошки характеризуются химическими, физи- ческими и технологическими свойствами. Химические свойства порошков зависят от содержания основ- ного металла или основных компонентов, входящих в состав ком- плексных порошков, а также от содержания примесей, различных ме- ханических загрязнений и газов. Также важными химическими осо- бенностями порошков являются их воспламеняемость, взрываемость и тоскичность. Воспламеняемость порошка связана с его способностью к само- возгоранию при соприкосновении с окружающей атмосферой, кото- рая при относительно невысоких температурах может привести к воспламенению порошка или даже взрыву. Воспламеняемость по- рошка зависит от того, находится ли он в свободно насыпанном со- стоянии (в виде аэрогеля) или в виде взвеси в окружающей атмосфере (в виде аэрозоля). Для аэрогелей определяют температуры самонагре- вания, тления, самовоспламенения, а также энергию воспламенения. Взрываемость порошка. Сверхвысокие скорости химического взаимодействия порошка с кислородом приводят почти к мгновенно- му выделению энергии, которое сопровождается образованием и рас- пространением взрывной волны (происходит взрыв). Токсичность порошка. Практически пыль любоко из металлов, в том числе и совершенно безвредных в компактном состоянии, воз- действует на человека и может вызвать патологические изменения в 70 его организме, фиброгенные и аллергические заболевания. Степень опасности для здоровья человека металлических пылей зависит от их химического состава и степени окисленности, размера частиц, их концентрации, длительности воздействия, путей проникновения в ор- ганизм и т.д. Технологические и санитарно-технические мероприятия должны поддерживать в производственных помещениях концентра- цию пыли на уровне ниже нормы ПДК. К физическим свойствам порошка относятся форма и размер частиц, гранулометрический состав, удельная поверхность частиц, пикнометрическая 2 плотность и микротвёрдость. Форма и размер частиц. В зависимости от химической природы металла и способа получения частицы порошка могут иметь различ- ную форму – сферическую (карбонильные), каплеобразную (распы- лённые порошки), губчатую (восстановленные), тарельчатую (при размоле в вихревых мельницах), дендритную (электролитические), осколочную (при размоле в шаровых и вибромельницах), волокни- стую и лепесткововидную (получение при плющении). Форма частиц порошков оказывает большое влияние на насып- ную плотность и прессуемость, а также на плотность, прочность и однородность прессовок. Под технологическими свойствами порошков понимается их насыпная плотность, текучесть, уплотняемость, спекаемость, прес- суемость и формуемость. Насыпная плотность порошка – масса единицы объёма по- рошка при свободной насыпке. Насыпная плотность выражает спо- собность порошка к укладке и зависит от плотности металла (сплава) и фактического заполнения порошком объёма. Плотность укладки частиц порошка в объёме определяется его дисперсностью, формой и удельной поверхностью частиц. Текучесть – способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Текучесть оценивают количеством порошка, вытекаемого через отверстие диаметром 1,5–4 мм в секунду. Текучесть порошка имеет большое значение, особенно при автоматическом прессовании, где производительность пресса зависит от скорости заполнения фор- мы. Низкая текучесть способствует также получению неоднородных по плотности заготовок. 2 Пикно́метр (от др.-греч. пυκνός – «плотный» и μετρέω – «измеряю») – физико- химический прибор, стеклянный сосуд специальной формы и определённой вместимо- сти, применяемый для измерения плотности веществ, в газообразном, жидком и твёр- дом состояниях. 71 Уплотняемость – способность уменьшать занимаемый объём порошкового материала под воздействием давления или вибрации. По стандарту эта характеристика оценивается по плотности прессо- вок, изготовленных при давлениях прессования в цилиндрических прессформах с заданным диаметром. Прессуемость характеризуется способностью порошка уплот- няться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пла- стичности материала частиц, их размеров и формы и повышается с введением в его состав поверхностно-активных веществ. Под спекаемостьюпонимают прочность сцепления частиц в ре- зультате термической обработки прессованных заготовок. Для приготовления шихты дозированные порции порошков оп- ределённого химического и гранулометрического состава и техноло- гических свойств смешивают в барабанах, мельницах и других сме- шивающих устройствах. При необходимости особо тщательного и равномерного перемешивания шихты применяют добавки спирта, бензина, глицерина и дистиллированной воды. Иногда в процессе смешивания вводят технологические присадки различного назначе- ния: пластификаторы, облегчающие прессование (парафин, стеарин, глицерин и др.), легкоплавкие присадки, летучие вещества, позво- ляющие получать изделия с заданной пористостью. Формообразование осуществляется прессованием (холодное, горячее, мундштучное, гидростатическое), прокаткой и суспензион- ным (шликерным) литьём. При холодном прессовании в матрицу прессформы засыпают приготовленную шихту и производят прессование пуансоном. После снятия давления изделие выпрессовывают из матрицы пуансоном, при этом матрицу устанавливают на подкладное кольцо. В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругой и пластической деформациям, резко увеличивается контакт между частицами порош- ка и уменьшается пористость, что даёт возможность получить заго- товку нужной формы и достаточной прочности. Прессование производят на гидравлических или механических прессах. Наиболее широко применяют гидравлические прессы, так как они обеспечивают достаточно высокое давление и плавное уп- лотнение шихты при сравнительно малых скоростях движения пуан- сона. С увеличением скорости движения пуансона плотность изделия уменьшается. Давление прессования может быть снижено при ис- пользовании вибрационного прессования или прессования в вакууме. Рабочие поверхности прессформ шлифуют или полируют. 72 Рис. 27. Разъёмная (а) и неразъёмная (б) прессформы для одностороннего прессования: 1 – матрица; 2 – пуансон; 3 – обойма; 4 – подкладка; 5 – нижний пуансон; 6 – заготовка Рис. 28. Двустороннее прессование: а – начало; б – конец; в – выпрессовка; 1 – матрица; 2 – верхний пуансон; 3 – нижний пуансон; 4 – заготовка В зависимости от сложности и конфигурации изделия применя- ют разъёмные и неразъёмные прессформы с односторонним или дву- сторонним прессованием. Одностороннее прессование применяют для изделий простой формы. При прессовании изделий большей высоты применяют двусто- роннее прессование (рис. 28), обеспечивающее равномерную плот- ность прессуемого изделия и снижение давления прессования на 30–40 % по сравнению с односторонним прессованием. Рис. 29. Схема гидростатического прессования: 1 – контейнер; 2 – пуансон; 3 – мундштук; 4 – заготовка Рис. 30. Схема мундштучного прессования: 1 – герметизированный цилиндр; 2 – оболочка; 3 – порошок При горячем прессовании в прессформе изделие не только фор- муется, но и подвергается спеканию, что позволяет получать беспо- ристый материал с высокими физико-механическими свойствами. Го- рячее прессование можно осуществлять в вакууме, в защитной или 73 восстановительной атмосфере, в широком интервале температур (1200–1800 °С) и при более низких давлениях, чем холодное прессо- вание. Приложение давления обычно производится после нагрева по- рошков до требуемой температуры. Этим методом получают изделия из трудно деформируемых материалов (боридов, карбидов и др.). Гидростатическое прессование порошка, заключённого в резиновую или металлическую пластичную оболочку, происходит под давлени- ем жидкости (масла, эмульсии, воды). Источником внешнего давле- ния в жидкости может быть электростатический разряд или взрыв. Методом гидростатического прессования можно получать изделия равномерной плотности, простой формы (трубы, цилиндры, шары и др.) и значительных габаритов. При мундштучном прессовании смесь порошка с пластификато- рами выдавливается через мундштук матрицы. Пластификаторами служат растворы парафина, бакелита и других в количестве 6–12 %. Мундштучным прессованием получают изделия большой длины и равномерной плотности из труднопрессуемых порошков вольфрама, бериллия, урана, циркония и др. Прокатка металлических порошков является непрерывным про- цессом получения изделий в виде лент, проволоки, полос путём деформирования в холодном или горячем состоянии. Прокатку про- изводят в вертикальном, наклон- ном и горизонтальном направле- ниях. Наилучшие условия формо- образования изделия создаются при вертикальной прокатке. Сна- чала порошок из бункера поступа- ет в зазор между вращающимися обжимными валками и прессуется в заготовку, которая направляется в печь для спекания, а затем про- катывается в чистовых валках. Прокаткой можно получать однослой- ные и многослойные изделия. Непрерывность процесса обеспечивает высокую производительность и возможность автоматизации. Суспензионное (шликерное) литьё применяют для получения тонкостенных изделий сложной формы с внутренними полостями, которые не могут быть получены другими методами. Специальную водную суспензию с содержанием 40–70 % порошка (шликер) с раз- мерами частиц не более 5–10 мкм заливают в пористую гипсовую или Рис. 31. Схема прокатки порошков: 1 – бункер с порошком; 2 – валки; 3 – лента 74 керамическую форму. Суспензионная жидкость впитывается порис- тыми стенками формы, а порошок осаждается на стенках, образуя тонкостенную заготовку. Связь частиц порошка в изделии обеспечи- вается их механическим сцеплением. После сушки заготовку извле- кают, предварительно разрушив форму. Шликер на поверхность фор- мы может также наноситься напылением, разбрызгиванием и други- ми способами. Шликерное литьё обычно используют для получения изделий из хрупких и твёрдых порошков различных карбидов, сили- цидов, нитридов и др. Изделия, полученные вышеперечисленными методами, не обла- дают необходимой прочностью вследствие присутствия на поверхно- сти частиц порошков окислов и других загрязнений. Для придания изделиям необходимой прочности и твёрдости их подвергают спека- нию. Операция спекания состоит в нагреве и выдержке изделий при температуре, примерно равной 0,6–0,9 абсолютной температуры плавления основного компонента, при средней длительности вы- держки 1–2 ч. Спекание производят в электрических печах сопро- тивления, индукционным нагревом или путём непосредственного пропускания тока через спекаемое изделие. Для предотвращения окисления металлических порошков спекание ведут в аргоне, гелии, в вакууме или в среде водорода. Для придания изделиям окончательной формы и точных размеров готовые изделия после спекания могут подвергаться термической и химико-термической обработкам, обра- ботке резанием и размерной обработке физико-химическими методами. |