Технология конструкционных материалов и материаловедение - 2004.. Коротких М. Т. Технология конструкционных материалов и
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
Полярные термопластичные пластмассы. Фторопласт-3 - полимер трифторхлорэтилена. Его используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготавливают трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др. Органическое стекло - это прозрачный аморфный термопласт на основе сложный эфиров акриловой и метакриловой кислот. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен. Недостатком его является невысокая поверхностная твердость, что приводит к образованию царапин на оптических поверхностях в процессе эксплуатации. Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы на его основе имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, атмосферостойки., имеют высокую прочность и упругость. Но при нагревании он разлагается с выделением особо ядовитых веществ и при пожаре представляет значительную опасность. Изготавливают трубы, строительные облицовочные плитки, линолеум и т.д.. Полиамиды - это группа пластмасс с известными торговыми названиями капрон, нейлон, и др. Они продолжительное время могут работать на истирание, ударопрочны, способны поглощать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту, устойчивы в тропических условиях. Из них изготавливают уплотнительные устройства, шестерни, подшипники и другие детали машин, ткани. Полиуретаны в зависимости от исходных веществ, применяемых при получении, могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными. Полиэтилентерефталат - сложный полиэфир, в России выпускается под названием лавсан, за рубежом - майлар, терилен. Из лавсана изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др. Термостойкие пластики. Ароматический полиамид - фенилон. Из фенилона изготавливают подшипники, зубчатые колеса, детали электрорадиопередатчиков. Полибензимидазолы являются ароматическими гетероциклическими полимерами. Обладают высокой термостойкостью, хорошими прочностными показателями. Применяют в виде пленок, волокон, тканей специальных костюмов. Термореактивные пластмассы Пластмассы с порошковым наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стеловолокниты). Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидными связующими. Применяют для изготовления деталей работающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат наполнителем асбест, связующее фенолоформальдегидная смола. Из него получают кислотоупорные аппараты, ванны и трубы. Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, асботекстолит) являются силовыми конструкционными материалами. Листовые наполнители придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали. Газонаполненные пластмассы Представляют собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твердой и газообразной фаз. Пенопласты - материалы с ячеистой структурой, в которых газообразные наполнители изолированы друг от друга и от окружающей среды тонкими слоями полимерного связующего. Обладают хорошей плавучестью и высокими теплоизоляционными свойствами. Применяют для теплоизоляционных кабин, контейнеров, приборов, холодильников, рефрижераторов, труб и т.п. Мягкие и эластичные пенопласты применяют для амортизаторов, мягких сиденей, губок. Сотопласты. Изготавливают из тонких листовых материалов. Для них характерны достаточно высокие теплоизоляционные, электроизоляционные свойства и радиопрозрачность. Применяют в виде заполнителей многослойных панелей в авиа- и судостроении для несущих конструкций. Композиционные материалы с неметаллической матрицей Карбоволокниты Карбоволокниты представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон). Они сохраняют прочность при очень высоких температурах, а также при низких температурах. Эпоксифенольные карбоволокниты КМУ-1л, упрочненный углеродной лентой, и КМУ-1у на жгуте могут длительно работать при температуре до 200 °С. Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, водо- и химически стойкие, имеют высокую прочность, легкие (плотность 1.4т/м 3 ), имеют очень высокую ударную вязкость (50кДж/м 2 ). Высокая стоимость этих материалов сдерживает их широкое применение. Но в современной военной авиации уникальные свойства боевой техники достигаются широким их применением. Бороволокниты Они представляют собой композиции полимерного связующего и упрочнителя - борных волокон. Отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, теплопроводностью и электропроводимостью. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200 °С. Изделия из бороволокнита применяют в авиационной технике. КМБ-1к - плотность 2.0т/м 3 , удельная жесткость 10.7*10 3 км, ударная вязкость 78кДж/м 2 Органоволокниты Представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон. Они устойчивы в агрессивных средах и во влажном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости. 2.4.2 Резиновые материалы Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) каучука и серы с различными добавками. 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. Резины общего назначения К группе резин общего назначения относятся вулканизаторы неполярных каучуков - НК, СКБ, СКС, СКИ. НК - натуральный каучук. Для получения резины НК вулканизируют серой. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами. НК - плотность каучука 910-920кг/м 3 , предел прочности 24-34МПа, относительное удлинение 600-800%, рабочая температура 80-130 °С. СКБ - синтетический каучук бутадиеновый. Каучуки вулканизируют аналогично натуральному каучуку. СКБ - плотность каучука 900-920кг/м 3 , предел прочности 13-16МПа, относительное удлинение 500-600%, рабочая температура 80-150 °С. СКС - бутадиенстирольный каучук (СКС-10, СКС-30, СКС-50) - это самый распространенный каучук общего назначения. СКС - плотность каучука 919-920кг/м 3 , предел прочности 19-32МПа, относительное удлинение 500-800%, рабочая температура 80-130 °С. СКИ - синтетический каучук изопреновый. Из этих резин изготавливают шины, ремни, рукава, различные резинотехнические изделия. СКИ - плотность каучука 910-920кг/м 3 , предел прочности 31.5МПа, относительное удлинение 600-800%, рабочая температура 130 °С. Резины специального назначения Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового, СКН и тиокола. Наирит, резины на его основе обладают высокой эластичностью, вибростойкостью, износостойкостью, устойчивы к действию топлива и масел. Наирит - плотность каучука 1225кг/м 3 , предел прочности 20-26.5МПа, относительное удлинение 450-550%, рабочая температура 100-130 °С. СКН -бутадиеновый каучук (СКН-18, СКН-26, СКН-40). Резины на его основе применяют для изготовления ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых изделий. СКН - плотность каучука 943-986кг/м 3 , предел прочности 22-33МПа, относительное удлинение 450-700%, рабочая температура 100-177 °С. Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ. СКТ - синтетический каучук теплостйкий. В растворителях и маслах он набухает, имеет низкую механическую стойкость, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию. СКТ - плотность каучука 1700-2000кг/м 3 , предел прочности 35-80МПа, относительное удлинение 360%, рабочая температура 250-325 °С. Морозостойкими являются резины на основе каучуков, имеющих низкие температуры стеклования. Существует еще ряд различных видов резин специального назначения. Вопросы для самопроверки: 1. Какие стали, в основном, применяются при изготовлении строительных конструкций? 2. Какие стали применяются для изготовления ответственных деталей машин? 3. В каких областях техники используется чистая медь? 4. Благодаря каким свойствам применяются в технике магниевые сплавы? 5. Почему титановые сплавы не получили широкого применения в машиностроении? 6. Какие материалы рационально применять для создания емкостей для хранения и перевозки кислот? 7. В каких отраслях техники используются алюминиевые сплавы и почему? 8. Почему пластики не могут полностью заменить металлы в машиностроении? 9. Какие материалы обладают наивысшей прочностью? – теплостойкостью? – химической устойчивостью? – минимальной плотностью? – максимальной эластичностью? 10. Какими свойствами отличаются термореактивные пластмассы от термопластичных? Образец карты тестового контроля: По условному обозначению указать вид сплава, если это возможно, его состав, основные свойства и области применения. Примеры заданий: 1. БСт3кп, 08Х20Н14С2, Р9, ВТ20, МА17, СЧ25, М006, Амч3 1. 45ХНЗМФА, ШХ9, ОТ4-1, МА2 , 20пс, АЧС-4, Бр04Ц7С5, АД0Е, 2. Х18Н9Т, ШХ15ГС, А20, АЧС-5, ЛЦ40МцЗА, АЛ21, ВТ1-0, МЛ4 3. Получение металлов Металлы и их сплавы в настоящее время являются основным материалом для производства машин, приборов и других технических устройств. Это определяется сочетанием их свойств, которым в данное время не обладают другие конструкционные материалы. К таким свойствам относятся: - механические: прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость ... - теплофизические: жаропрочность, теплопроводность, низкий коэффициент линейного расширения... - химические: устойчивость в агрессивных средах, биологическая инертность - технологические: свариваемость, литейные свойства (жидкотекучесть, степень усадки при затвердевании, склонность к ликвации элементов), пластичность... Естественно, каждый металл обладает определенным набором свойств, определяющих рациональность его применения в тех или иных условиях. Металлы в природе, в основном, встречаются в виде соединений, которые могут находиться как в концентрированном виде, так и весьма рассосредоточено. Так соединения железа встречаются в виде огромных (млрд.тонн) залежей при содержании соединения железа более 20%. Для ряда же металлов содержание их соединений в породе выше 0,1% считается достаточно экономичным для добычи. Именно высокое содержание соединений железа в месторождениях определяет широкое применение черных металлов (чугуна и стали). Производственные процессы получения различных металлов весьма своеобразны, но все они включают следующие основные стадии: Добыча руды - обогащение руды - получение металла - рафинирование. 3.1 Добыча руды - ведется открытым способом, в карьерах, если глубина залегания руды невелика (менее 100м), а толщина рудного тела большая, и в шахтах, если руда залегает глубоко, а толщина рудных пластов малая. Открытый способ добычи более экономичен, однако связан с существенным изменением ландшафта и выемкой огромной массы пустой породы, расположенной над рудным телом. Добыча же руды в шахтах требует больших затрат труда и только при достаточно мощных по толщине пластах и пологом их залегании может быть механизирована и автоматизирована. При открытом способе добычи руды работа включает: -подготовку земной поверхности (рубка леса, осушение болот, отвод русел рек в сторону и т.д.) - вскрышные работы (удаление горных пород, залегающих над рудным телом) - добычные работы (извлечение полезного ископаемого), которые включают в себя буровзрывные работы и выемку, производимую экскаваторами. Это основной способ добычи железной руды. Также добывают руды алюминия, титана... 3.2 Обогащение руды Для извлечения металла из руды необходимо повысить его содержание. Но так как соединение металла перемешано с пустой породой, то для его отделения приходится руду тщательно дробить и даже размалывать в тончайший порошок. И чем меньше частицы соединения металла по размерам, тем в более мелкий порошок должна быть измельчена добытая руда. Это чрезвычайно трудоемкая работа, которая была механизирована уже в средние века (рис.3.1). Рис.3.1 На старинных гравюрах изображено, как энергия падающей воды использовалась для дробления руды на куски и размол ее в тонкий порошок с последующей промывкой и отделением нужной составляющей гидравлическим способом. В настоящее время применяются различные виды дробилок и мельниц для превращения руды и породы в порошок. Мельчайшие частицы этого порошка можно отделить друг от друга используя отличие свойств соединения металла от свойств пустой породы. Так некоторые виды соединений железа обладают магнитными свойствами и их легко отделить магнитной сепарацией. Если используется различная смачиваемость частиц руды и пустой породы, то используется метод флотации. В некоторых случаях применяется химическое отделение, основанное на растворении соединения извлекаемого элемента в различного рода растворителях. Естественно пустая порода в этом растворителе не должна растворяться. 3.3 Восстановление металла 3.3.1 Термохимическое восстановление металла Осуществляется воздействием на соединение металла каким-либо восстановителем при высокой температуре. Например, железо обычно содержится в руде в виде окислов Fe 2 O 3 или Fe 3 O 4 и восстанавливается угарным газом (CO), образующимся при горении кокса (продукта переработки каменного угля) в доменных печах (рис.3.2). Рис.3.2 1-устройство для загрузки руды, кокса и флюсов, 2 -фурмы для подачи воздуха, 3 - под печи, 4 –шахта, 5 – распар, 6 -горн, где накапливается жидкий металл. 7 - заплечики В зонах 4-6 происходит горение кокса в потоке воздуха поступающего через фурмы и образуется угарный газ при температуре 1600-1750 °С, который, воздействуя на окислы железа, приводит к их восстановлению: Fe2O3 + CO --- Fe3O4 +CO2 + Q Fe3O4 +CO2 --- FeO + CO2 -Q FeO + CO --- Fe + CO2 +Q Образующееся железо, в виде капель, стекает в горн, откуда периодически выпускается. Сверху печи также периодически происходит подсыпка шихты (смеси руды, кокса и флюсов). Таким образом горение в печи поддерживается непрерывно в течении длительного времени, от 5 до 10 лет. Баланс материалов доменного процесса. (на 1 т выплавленного чугуна) Таблица 3.1 Загрузка Кол-во, кг Получено Кол-во,кг Кокс Агломерат (обогащен- ная и обработанная руда) Сортированная руда Известняк Металлодобавки Воздух (влажное дутье) 700 1708 320 43 40 2420 Чугун Шлак Газ Колошниковая пыль Влага 1000 733 3382 77 28 В образующемся железе при высокой температуре растворяется углерод кокса, что приводит к получению сплава железа с углеродом, при содержании последнего выше 2% (но не более 6,67%). Такой сплав весьма тверд и хрупок и называется чугуном . Суточная производительность доменной печи достигает 2500 тонн чугуна. Хотя чугун, как конструкционный материал, применяется для отливки заготовок различных деталей машин (станины, корпуса двигателей, зубчатые колеса и т.д.) , но большая его часть перерабатывается в сталь - сплав железа с углеродом при содержании углерода менее 2%. Понизить содержание углерода в чугуне и, тем самым, превратить его в сталь можно окисляя избыточный углерод в жидком чугуне. Для этого применяются конвертерный и мартеновский методы получения стали. Конвертерный способ получения стали Сущность конвертерного метода производства стали состоит в окислении избыточного углерода продувкой через жидкий чугун кислорода. При этом, естественно, сгорает и некоторая часть железа. Реакция является экзотермической, поэтому в жидкий чугун можно добавить некоторую часть металлического лома, который при продувке кислородом расплавляется. Процесс протекает довольно быстро (менее 20мин). Производительность процесса зависит от объема конвертера (от 3 до 250тонн). Конвертер для получения стали Рис.3.3 1-механизм поворота, 2-огнеупорная футеровка, 3- шлак на поверхности жидкого металла, 4- жидкий металл, 5-каналы для подачи кислорода При таком производстве стали химический состав ее зависит от содержания примесей в руде. Невозможно получить высококачественные легированные стали и переработка стального лома возможна только в ограниченных количествах, в то время как в промышленности накапливается его огромная масса. Мартеновский способ получения стали В мартеновских печах получается свыше 80% производимой стали. Плавка шихты осуществляется за счет горения топлива, в качестве которого используются горючие газы, мазут, угольная пыль... Емкость мартеновских печей от 35 до 500 тонн, но длительность процесса составляет несколько часов. При этом возможно производить контроль состава, вводить легирующие элементы. В зависимости от вида процесса, в печь загружаются: - жидкий чугун + руда - "рудный процесс". - твердый чугун + металлический лом - "скраппроцесс" - жидкий чугун+ металлический лом + руда -"скрапрудный процесс". Рис.3.4 Схема мартеновской печи. Термохимическим способом восстанавливают многие металлы, например, медь. Плавку медных руд ведут в пламенных печах (рис.3.5), в которых происходит восстановление меди, но из-за высокого содержания в руде соединений железа и серы образуется "медный штейн", в котором содержится 20-50% меди, 20-40% железа и 22-25% серы. Рис.3.5 Полученный штейн перерабатывается в черновую медь в конверте- рах (рис.3.6). Продувая через жидкий штейн воздух, проводят окисление железа, которое всплывает на поверхности в виде окислов, сера выгорает с образованием огромного количества окиси серы, используемой как сырьё для производства серной кислоты. Конвертер для получения черновой меди Рис.3.6 В результате процесса получают черновую медь (98,5-99,5%Cu) , которую можно использовать для производства медных сплавов, но которая не пригодна для электротехнической промышленности (для производства проводов). 3.3.2 Восстановление металла электролизом Ряд металлов, из-за их высокой химической активности, сложно восстанавливать термохимическим путем. Поэтому их восстановление проводят электролизом расплавленных соединений. В настоящее время это основной способ получения алюминия и магния. Схема установки для получения алюминия электролизом представлена на рис.3.7 Рис.3.7 Затраты материалов и энергии при получении 1 тонны алюминия |