Характеристика свойств некоторых металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Явление полиморфизма применительно к железу. Строение и основные характеристики кристаллической решетки для различных модификаций железа

Общим свойством металлов и сплавов является их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах. Атомно-кристаллическая структура может быть представлена изображением не ряда периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Элементарной ячейкой называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла. Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов:

- объёмно центрированный куб или сокращенно ОЦК;

- гранецентрированный куб (ГЦК);

- гексагональная плотноупакованная (ГП).

Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки атомов приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. - Типы элементарных ячеек кристаллических решеток и схемы упаковки в них атомов:

Где:

а - объемно центрированная кубическая;

б - гранецентрированная кубическая;

в - гексагональная плотноупакованная решетка.

В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния а и между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,3-0,7 нм, размеры элементарных ячеек 0,2-0,3 нм.

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е., объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.

Координационным числом называется число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП - 12.

Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки:

Где:

R - радиус атома (иона);

n-базис или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку;

V - объем элементарной ячейки.

Для простой кубической решетки:

V = а³ = (2R)³ Q = 52%

Для ОЦК:

n =

Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр решетки равен:

а = 4R Qоцк = 68%

Проведя аналогичные вычисления, найдем Qгцк = 74%, Q_ГП = 74%.

Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом б (Fe _б), при более высокой в, затем г и т. д.

Известны полиморфные превращения железа:

Fe_б - Fe_г, титана;

Ti_б - Ti_г и других элементов.

Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911°С устойчиво Fe _б, имеющее кристаллическую решетку ОЦК. Выше 911°С до 1392°С устойчиво Fe_г, имеющее решетку ГЦК. При нагреве выше 911°С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Fe_г на 3% больше плотности Fe_б, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.

Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. - Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов (А. Металлы с одним типом решетки):

Тип решетки	Координационное	Коэффициент	Металл
	число	компактности
ОЦК	8	68	Na, К, V, Nb, Cr, Mo, W
ГЦК	12	74	Сu, Ag, Au, Pt, Al, Pb, Ni
ГП	12	74	Be, Mg, Zn, Cd

Таблица 2. - Б. Металлы с полиморфными превращениями:

Металл	Тип решетки	Температура превращения, 0С
Са	ГЦК - ГП	450
Се	ГП - ГЦК	477
Zr	ГП - ОЦК	862
Тi	ГП - ОЦК	882
Fe	ОЦК - ГЦК - ОЦК	911,1392

2. Как и почему изменяются механические и физико-химические свойства металлов после холодной пластической деформации

Различают физические, химические, технологические и механические свойства.

Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К физическим относятся плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность.

Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Характерным примером химического взаимодействия среды и металла является коррозия. Коррозия наносит огромный ущерб промышленности. Для защиты от коррозии применяют покрытия деталей лаками, красками, более стойкими металлами. В некоторых случаях вместо обычных сталей применяют более стойкие сплавы на основе алюминия, меди, титана или коррозионно-стойкие стали.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность подвергаться горячей и холодной обработке, в том числе при выплавке, горячем и холодном деформировании, обработке резанием, термической обработке и особенно сварке.

Целесообразность применения тех или иных материалов определяется не только их свойствами, но и их стоимостью.

При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами материалов. Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием различного рода нагрузок.

Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при разных температурах, так и в различных, в том числе агрессивных, средах.

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы или, другими словами, аморфные материалы изотропны.

Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Зависимость свойств в кристалле от направления называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах кристаллов в разных направлениях может быть весьма существенной.

При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3-4 раза, а прочности кристалла железа - более, чем в 2 раза.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов, или для так называемых монокристаллов. Большинство же технических металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен. При этом каждое отдельное зерно анизотропное.

Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла усреднены. Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью - кажущейся независимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии.

При обработке давлением (прокатке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку - так называемую текстуру, после чего металл становится анизотропным.

Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться.

Рисунок 2. - Ориентировка кристаллических решеток в зернах литого металла (а) и после обработки давлением (б):

Анизотропия может приводить к дефектам металла - расслою, волнистости листа. Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.

Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала.

Для описания процесса пластической деформации кристаллических тел была впервые применена теория дислокаций в середине тридцатых годов 20 века физиками Орованом, Поляни и Тейлором. Её использование позволило объяснить природу прочности и пластичности металлов. Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.

Рисунок 3. - Краевая дислокация:

Рисунок 4. - Винтовая дислокация:

На приведенных схемах видно, что атомы над краевой дислокацией испытывают сжатие, а под ней - растяжение. При прохождении пучка электронов через такое искажение решетки происходит дифракция. Дислокации выявляются также с помощью травления химическими реактивами. В местах выхода дислокаций на полированную поверхность металла скорость химического травления выше, чем на других участках.

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет величину 10⁶-10⁸ см^-2, после холодной деформации она увеличивается до 10 - 10¹² см^-2, что соответствует примерно 1 млн. километров дислокаций в 1 см³.

Плотность дислокаций может быть определена экспериментально при больших увеличениях подсчетов числа выходов дислокаций на единицу площади предварительно протравленного металлографического шлифа, а также при изучении на просвет структуры тонких пленок в электронном микроскопе.

Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости. Такие атомы снижают уровень упругих искажений дислокационной структуры. Цепочки инородных атомов образуют так называемые «атмосферы Коттрелла» или «облака Коттрелла». С повышением температуры облака Коттрелла рассеиваются. При понижении температуры до достижения предела растворимости они могут образовывать дисперсные выделения второй фазы.

Деформация, т. е., изменение форм и размеров тела под действием напряжений, возникающая при сравнительно небольших напряжениях и исчезающая после снятия нагрузки.

Рисунок 5. - Схема пластической деформации скольжением:

Где:

а - исходное недеформированное состояние кристалла;

б - упругодеформированное состояние;

в - упруго- и пластически деформированное состояние;

г - состояние после пластической (остаточной) деформации по плоскости АВ.

В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других.

После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая деформации.

Пластичность, т. е., способность металлов перед разрушением претерпевать значительную пластическую деформацию, является одним из важнейших свойств металлов.

Благодаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что уменьшает опасность разрушения. Для металлов характерно большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдвигу. Поэтому процесс пластической деформации обычно представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относительно другой по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающихся частей не меняется.

Другим механизмом пластической деформации является двойникование. Как и скольжение, двойникование осуществляется за счет сдвига, однако в этом случае происходит сдвиг части кристалла в положение, соответствующее зеркальному отображению несдвинутой части.

Рисунок 6. - Пластическая деформация двойникованием (АВ плоскость двойникования):

При деформации двойникованием напряжение сдвига выше, чем при скольжении. Двойники обычно возникают тогда, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Деформация двойникованием обычно наблюдается при низких температурах и высоких скоростях приложения нагрузки, так как в этих случаях для скольжения необходимо высокое напряжение сдвига. Двойники более характерны для металлов с ГП решеткой (Ti, Mg, Zn).

В соответствии с дислокационной концепцией процессы скольжения и двойникования осуществляются не одновременным сдвигом одной атомной плоскости относительно другой, а последовательным перемещением дислокаций в плоскости сдвига. Благодаря тому, что для перемещения дислокаций требуются значительно меньшие усилия, чем для жесткого смещения атомных плоскостей, фактическое напряжение сдвига значительно меньше теоретического.

Величина напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации, зависит от скорости деформирования и температуры. С увеличением скорости деформирования достижение заданной деформации требует больших напряжений, а при повышении температуры значение необходимых напряжений снижается. Таким образом, пластическая деформация является термически активируемым процессом.

При понижении температуры предел текучести большинства металлов растет. Наиболее сильно он увеличивается в металлах с ОЦК и ГП решетками. Металлы с ГЦК решеткой имеют значительно более слабую зависимость предела текучести от температуры.

Любая пластическая деформация кристаллических тел обязана дислокациям: их количеству, подвижности, степени взаимодействия с дефектами решетки и т. д.

Характер связи между атомами влияет на пластичность кристаллов. Так, в неметаллах с их жесткими направленными связями дислокации очень узкие, они требуют больших напряжений для старта - в 10³ раз больше, чем для металлов. В результате хрупкое разрушение в неметаллах наступает раньше, чем сдвиг.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение без дислокационных кристаллов приводит к резкому повышению сопротивления пластической деформации, т. е., к повышению прочности материалов.

Рисунок 7. - Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристалла:

Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных без дислокационных нитевидных кристаллов (так называемых усов), прочность которых близка к теоретической.

При ограниченной плотности дислокаций и других искажений кристаллической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций находится в объеме металла.

С ростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле и их плотность увеличивается. Помимо параллельных дислокаций возникают дислокации в разных плоскостях и направлениях. Дислокации воздействуют друг на друга, мешают друг другу перемещаться, происходит их аннигиляция (взаимное уничтожение) и т. д., что позволило Дж. Гордону образно назвать их взаимодействие в процессе пластической деформации «интимной жизнью дислокаций». С повышением плотности дислокаций их движение все более затрудняется и для продолжения деформации требуется увеличение прилагаемой нагрузки.

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие движению дислокаций, т. е., упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

3. Диаграмма состояния железо-цементит, при превращении и постройте кривой охлаждения в интервале температур 1600-0°С для сплава, содержащего 2,8%

Сплав содержащий 2,8% С до эвтектический белый чугун (<4,3% С).

В интервале температур t₁ - t₂ из жидкой фазы выделяются кристаллы аустенита. По мере охлаждения жидкая фаза обогащается углеродом. Концентрация углерода в ней изменяется по линии ликвидуса ВС. При температуре (1147°С) оставшаяся часть жидкого сплава достигает концентрации 4,3% С (эвтектическая точка С). Жидкий сплав затвердевает при постоянной температуре 1147°С с образованием эвтектики (ледебурита), состоящей из аустенита состава 2,14% С и цементита Ц:

Ж. с_4,3 > А _2,14 + Ц_Э

Непосредственно после затвердевания белый до эвтектический чугун имеет структуру:

(А + Ц_Э) А + Л

Вторичная кристаллизация белых чугунов. При охлаждении ниже температуры 1147°С структура чугунов изменяется следующим образом.

При понижении температуры от 1147 до 727°С предельная концентрация углерода в аустените уменьшается в соответствии с линией ES от 2,14 до 0,8%. В этом температурном интервале аустенит обедняется углеродом и образуется высокоуглеродистая фаза - цементит вторичный, или Fе₃С.

Поскольку во всех чугунах после окончания кристаллизации имеется аустенит, то все они в интервале температур от 1147 до 727°С претерпевают фазовое превращение с образованием вторичного цементита.

После охлаждения до 727°С структура чугунов будет следующей:

- до эвтектические чугуны:

A_0,8 + Ц_|| + Л(A_0,8 + Ц_|| + Ц_э)

При 727°С происходит превращение аустенита:

А₀,₈ > Ф₀,_о25 + Ц

- с образованием перлита. Следовательно, весь имеющийся в чугунах аустенит превращается в перлит.

Ниже 727°С структура чугунов будет следующей:

- до эвтектические чугуны:

П + Ц_|| + Л

Превращенный ледебурит отличается от ледебурита, существовавшего при температурах выше 727°С, тем, что имевшийся в нем аустенит превратился в перлит.

Следовательно, превращенный ледебурит состоит из перлита и цементита.

Рисунок 8. - Микроструктура чугуна:

Крупные темные участки - это перлит, образовавшийся из структурно-свободного аустенита. Остальная часть структуры - ледебурит превращенный, состоящий из цементита (светлое поле) и перлита (темные участки). При микроскопическом исследовании белых чугунов, особенно таких, в которых много ледебурита, различить в структуре вторичный цементит практически невозможно, так как он сливается с эвтектическим цементитом. Таким образом, в белых чугунах обязательной структурной составляющей является ледебуритная эвтектика, отличающаяся большой хрупкостью. Эвтектика делает чугун хрупким. Чем больше углерода в чугуне, тем больше в структуре эвтектики и тем более хрупким является чугун. Наиболее хрупок чугун, содержащий кроме ледебурита крупные хрупкие кристаллы первичного цементита.

Рисунок 9:

а) Для сплава при 1260°С имеем жидкую фазу - цементит и твёрдую фазу - аустенит.

б) Содержание углерода в аустените ? 1,5%, а в жидкой фазе ? 3,5%.

в) Проведём KM = 47 мм.

KЕ = 28 мм.

ЕМ = 19 мм.

Q_ж = КЕ / KM = 28 / 47 = 0,596 или 59,6%

Q_т = ЕМ / KM = 19 / 47 = 0,404 или 40,4%

4. Превращения, происходящие при данных режимах закалки

При полной закалке стали нагревают до температуры на 30-50° выше точки А_с3. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, а после быстрого охлаждения достигается мартенситная структура с некоторым количеством остаточного аустенита (Рисунок 10).

Рисунок 10. - Оптимальные температуры нагрева под закалку углеродистых сталей:

Согласно рисунка температура должна быть приблизительно как раз 860⁰С. Если нагрев осуществляется до более низкой температуры - 750⁰С, то мы имеем неполную закалку. При неполной закалке сталь нагревают на 30-50 °С выше А_с1, но ниже А_сз или А_Ст. В этом случае в нагретом состоянии структура сталей состоит из аустенита и феррита. При быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит. Твердость мартенсита закалки зависит от содержания углерода в стали.

Рисунок 11. - Влияние содержания углерода и температуры закалки на твердость стали:

Где:

а - нагрев выше Ас₃;

б - твердость собственно мартенсита;

в - нагрев выше Ас₁.

После неполной закалки в сталях структура состоит из мартенсита и зерен феррита. Наличие феррита в структуре закаленной стали снижает твердость, поэтому такая закалка применяется реже.

5. Химические свойства сплава

Для изготовления деталей самолета выбран сплав Д1

а) расшифруйте состав сплава;

б) опишите способы упрочнения этого сплава и объясните природу упрочнения;

в) укажите характеристики механических свойств сплава.

Cплав Д1 - конструкционный алюминиевый сплав - дуралюмин.

Cостав сплава:

Cu - 3,8 - 4,8%;

Mg - 0,4 - 0,8%;

Mn - 0,4 - 0,8%.

Остальное алюминий.

Широкое распространение получили деформируемые сплавы, упрочняемые термообработкой.

Примером деформируемых термически-упрочняемых алюминиевых сплавов являются сплавы алюминия с медью.

Наиболее распространенными деформируемыми алюминиевыми сплавами являются дуралюмины. Они содержат, %: 2,5-5 Сu, 0,4-1,8 Mg, 0,4-0,9 Мп.

Медь и магний вводят в сплав для его упрочнения, марганец повышает его коррозионную стойкость. Наибольшее упрочнение достигается после старения.

Дуралюмин был изобретен в 1906 г., немецким ученым А. Вильмом. Явление естественного старения сплава было открыто Вильмом случайно и вначале не имело научного обоснования.

Достоинством дуралюминов является высокая удельная прочность, благодаря чему они относятся к числу наиболее широко применяемых материалов в самолетостроении.

Дуралюмины используют во многих отраслях техники. Их также применяют в пищевой и холодильной промышленности для изготовления емкостей, тестомесильных аппаратов, сепараторов, поплавковых камер, арматуры, трубопроводов и т. д.

Дуралюмины имеют пониженную коррозионную стойкость. Для повышения коррозионной стойкости листы дуралюмина плакируют, т. е., покрывают слоем чистого алюминия и производят совместную прокатку листов.

Для повышения коррозионной стойкости деталей из дуралюмина их подвергают анодной поляризации в 10% растворе серной кислоты.

Выделяющийся кислород способствует образованию на поверхности детали оксидной плёнки, предохраняющей её от окисления.

Способы упрочнения сплава и природа упрочнения.

После нагрева до 500⁰С 5⁰С и закалки в воде микроструктура сплавов, состоит из однородных зерен пересыщенного б - твердого раствора. Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью, предотвращающей распад пересыщенного твердого раствора. Закалку обычно производят в воде.

После закалки сплавы имеют невысокую прочность. С целью дальнейшего упрочнения сплавы подвергают естественному в течение нескольких суток или искусственному старению при температуре около 150°С в течение 10-24 ч.

В начальный период старения образуются зоны Гинье-Престона. В этот период атомы меди еще не выделяются из раствора. В зонах повышенной концентрации меди кристаллическая решетка искажена, в кристалле возникают большие напряжения, что увеличивает твердость и прочность металла.

При дальнейшем развитии старения зоны Гинье-Престона увеличиваются.

Затем выделяются мельчайшие частицы и - фазы (CuAl₂), которые впоследствии коагулируют.

Процесс образования зон Гинье-Престона и достижение стадии так называемого предшествующего выделения приводит к максимальному упрочнению.

Рисунок 13:

6. Состав, классификация, физико-механические свойства и область применения резины в машиностроении

Резина - это сложная смесь различных компонентов. Свойства резиновых изделий определяются их различным соотношением. К составляющим резиновых смесей относятся: каучук, вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, активаторы ускорителя, наполнители, против старение, смягчители и красители.

Основой резиновых смесей служит натуральный или искусственный каучук.

СИНТЕТИЧЕСКИЕ КАУЧУКИ: В настоящее время в промышленном масштабе производятся следующие синтетические каучуки:

- дивиниловые (бутадиеновые);

- изопреновые;

- дивинил-стирольные (бутадиен-стирольные) и дивинил-метил стирольные (бутадиен-метилстирольные);

- дивинил-метилвинилпиридиновые;

- карбоксилатные;

- дивинил-нитрильные (бутадиен-нитрильные);

- хлоропреновые;

- бутилкаучуки;

- полисульфидные;

- силоксановые;

- фторсодержащие.

Кроме того, организовано промышленное производство уретанового и акрилового каучуков.

В зависимости от способа получения все синтетические каучуки подразделяются на две группы: полимеризация и поликонденсационные. Эти две группы каучуков значительно отличаются одна от другой по своим свойствам. Если в строении и в способах вулканизации каучуков первой группы существует много общего, то каучуки, относящиеся ко второй группе, как правило, значительно отличаются по своему строению, свойствам и особенностям вулканизации от каучуков первой группы и друг от друга.

Реакция полимеризации является в настоящее время основной реакцией, используемой при получении наиболее часто применяемых синтетических каучуков. К этим каучукам относятся:

- дивиниловые;

- хлоропреновые;

- дивинил - стирольные;

- дивинил - нитрильные;

- бутилкаучуки.

Реакцией поликонденсации получаются поли сульфидные, уретановые и некоторые другие каучуки.

В зависимости от свойств и применения все синтетические каучуки разделяются на каучуки общего и специального назначения. К каучукам общего назначения относятся дивинил - стирольные, дивиниловые и изопреновые. Эти каучуки имеют наиболее широкое применение в производстве разнообразных резиновых изделий, в том числе в производстве автомобильных шин.

Каучук подвергают вулканизации - горячей или холодной обработке для придания материалу требуемой прочности, упругости и т. д. В качестве вулканизирующего вещества в каучук вводят 2-3% S.

ВУЛКАНИЗАЦИЯ КАУЧУКОВ: Вулканизацией в технике называется процесс обработки каучука, приводящий к резкому улучшению его технических свойств, при этом условия процесса могут быть весьма различными. Вулканизация каучука была открыта в 1839 г., с тех пор технология этого процесса значительно изменилась. Для получения мягкой резины смесь каучука с серой следует нагревать 2-3 ч. В настоящее время, благодаря введению в смесь ускорителей вулканизации и активаторов, вулканизацию можно осуществить в течение нескольких минут. Вводя в смесь различные другие компоненты (наполнители, мягчители), добиваются получения вулканизатов с разнообразными техническими свойствами. Все эти компоненты оказывают значительное влияние на вулканизацию каучука.

Чаще всего вулканизация производится с помощью серы. Такая вулканизация, осуществляемая нагреванием смеси каучука с серой обычно при температуре 130-160°С, называется горячей вулканизацией. Вулканизация с помощью хлористой серы S₂C1₂, происходящая при комнатной или слегка повышенной температуре, называется холодной вулканизацией. Преимущественно применяется горячая вулканизация, обеспечивающая получение технически более ценных изделий.

Некоторые каучуки, такие, как натрий дивиниловый, диви-нил нитрильный и наирит, могут вулканизоваться при высокой температуре (выше 100°С) без применения вулканизующего агента (серы). Для вулканизации отдельных каучуков специального назначения в качестве вулканизующих агентов используются окислы металлов, перекиси и др.

Так как вулканизация - длительный процесс, то для его ускорения вводят 0,5-1,5% ускорителей вулканизации (окись магния, окись цинка и др.). В качестве активаторов ускорителя применяют цинковые белила и магнезию.

УСКОРИТЕЛИ ВУЛКАНИЗАЦИИ И АКТИВАТОРЫ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА:

Ускорители вулканизации - это вещества, которые вводятся в резиновую смесь для ускорения процесса вулканизации и повышения физико-механических свойств резины. Для вулканизации натурального каучука с помощью серы без ускорителей при температуре 140°С требуется 3-4 ч., применяя ускорители, продолжительность вулканизации сокращают до нескольких минут или секунд. Ускорители вулканизации начали применять уже давно. Вскоре после открытия вулканизации было установлено ускоряющее действие на вулканизацию каучука следующих соединений: глета, окиси магния, окиси кальция и других неорганических и органических веществ. Применение ускорителей дает возможность уменьшить количество серы, необходимое для вулканизации, и тем самым устранить возможность ее выцветания на поверхности резиновых изделий, уменьшить возможность пере вулканизации, повысить сопротивление старению, а также физико-механические свойства резин. Ускорители вулканизации отличаются по своему влиянию на физико-механические и технические свойства вулканизатов и на ход процесса вулканизации. Выбором различных ускорителей можно влиять на скорость, оптимум, плато и температуру вулканизации, а также на сопротивление старению, теплостойкость и на физико-механические показатели вулканизатов. В настоящее время применяются неорганические и особенно органические ускорители вулканизации:

- неорганические - окись магния, гашёная известь, окись свинца;

- органические - по химическому признаку принято подразделять на группы:

1) дитиокарбонаты;

2) тиурамы;

3) ксантогенаты;

4) тиазолы;

5) сульфенамиды;

6) гуандины.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УСКОРИТЕЛЕЙ: Технологические свойства ускорителей характеризуются следующим:

1) активностью, т. е., способностью сокращать продолжительность вулканизации, необходимую для достижения наилучших физико-механических и технических свойств, вулканизата;

2) критической температурой действия ускорителя и влиянием на устойчивость резиновых смесей к преждевременной вулканизации;

3) влиянием на плато вулканизации; на величину физико-механических показателей вулканизатов и на сопротивление их старению.

Для уменьшения расхода каучука и придания необходимых физико-механических свойств резиновым изделиям в композицию вводят наполнители.

НАПОЛНИТЕЛИ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ: Эффект от применения наполнителей наблюдается только при значительном количестве их в резиновой смеси, поэтому они применяются в больших дозировках, от 15-20 до 100%, а иногда и более 100% от массы каучука. Наполнители различным образом влияют на свойства резины.

Наполнители принято подразделять на неактивные и активные наполнители, часто называемые усилителями. Усилители увеличивают предел прочности при растяжении резины, сопротивление истиранию и раздиру. Неактивные, или инертные, наполнители не повышают физико-механических свойств резины. Это различие оказывается достаточно строгим только при применении наполнителей с натуральным каучуком. Таким образом, характер действия наполнителей в значительной степени зависит от природы каучука. Активность наполнителей при применении их с некристаллизующимися каучуками (натрий дивиниловым, дивинил стирольным, дивинил нитрильным) оказывается значительно выше, чем при применении с кристаллизующимися каучуками (натуральным, бутилкаучуком и хлоропреновым).

Если предел прочности при растяжении вулканизатов натурального каучука при применении наиболее активных наполнителей возрастает на 20-30%, то предел прочности при растяжении вулканизатов СКВ возрастает в 8-10 раз. Наполнители неактивные в смесях с натуральным каучуком оказываются активными в смесях с натрий дивиниловым и другими синтетическими каучуками, но неактивные наполнители, как правило, не повышают сопротивление вулканизатов этих смесей истиранию.

Усиливающее действие наполнителей наблюдается только в эластичных резинах, в твердых вулканизатах эбонитах все активные наполнители оказываются инертными. Действие наполнителей в эбонитах проявляется в увеличении твердости и хрупкости эбонита и в повышении температуры размягчения. Все наполнители в той или иной степени влияют на технологические свойства резиновых смесей, т. е., на способность их шприцеваться, каландроваться, на усадку, на их жесткость, все наполнители повышают твердость и понижают эластичность резины.

Следует отметить, что повышение предела прочности при растяжении под действием активных наполнителей оказывается очень заметным и в не вулканизованных резиновых смесях.

Наполнители делят на порошкообразные и ткани. К порошкообразным наполнителям относятся сажа, каолин (Al₂0₃•2Si0₂ X 2 Н₂0), углекислый марганец, мел, тальк, сернокислый барий и др.

Тканевыми силовыми наполнителями служат корд, бельтинг и разнообразные рукавные ткани.

При окислении каучука резины стареют, теряют эластичность, становятся хрупкими, т. е., для защиты каучуков и резин от старения в них вводят антиоксиданты, которые замедляют окисление и старение.

Часто такие соединения называют также ингибиторами окисления, при старении необратимо изменяются физико-механические свойства. Поэтому в состав резиновых смесей вводят: вазелин, воск, парафин, ароматические амины и др.

Свойствами они обладают органические соединения ароматического ряда, как правило, содержащие алюминиевые группы и гидроксильные группы в бензольном ядре. Специальные вещества, вводимые в резиновую смесь для защиты резин от старения, против старения стали применяться с 1918 г.

Не все против старения одинаковы по эффективности. Одни из них наиболее эффективны при защите резины от действия тепла, другие при защите резины от действия света, озона или от действия многократных деформаций. Против старения, которые особенно эффективно повышают сопротивление резины к действию многократных деформаций.

Ингибирующее действие в значительной степени зависит от растворимости его в каучуке, хорошая растворимость облегчает химическое действие против старения. При плохой растворимости в каучуке при комнатной температуре против старение легко мигрируют и выкристаллизовываются на поверхности резины.

Обычно против старение применяют в количестве 1-2% от массы каучука. В смесях, работающих при высоких температурах, содержание повышают до3-5%. Пористые резины, особенно при наличии открытых пор, вследствие развитой внутренней поверхности легко подвержены старению и поэтому должны содержать в 2-3 раза больше, чем обычные резины.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОТИВОСТАРИТЕЛЕЙ: Существуют против старение химического и физического действия, первые действуют наиболее эффективно. Большинство химических против старение принадлежит к следующим классам органических соединений:

1) первичные и вторичные ароматические амины;

2) ароматические диамины;

3) продукты конденсации ароматических аминов с альдегидами;

4) фенолы.

Для облегчения совмещения качука с порошкообразным наполнителем и придания необходимой мягкости добавляют смягчители: стеариновую и олеиновую кислоты, канифоль, парафин, сосновую смолу.

СМЯГЧИТЕЛИ (ПЛАСТИФИКАТОРЫ) ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА: Смягчители - вещества, облегчающие изготовление и обработку резиновых смесей. Они в большинстве своем представляют смеси различных органических веществ и только некоторые являются индивидуальными веществами. Кроме жидких смягчителей, применяются твердые и полутвердые смягчители.

Действие смягчителей весьма разнообразно. Они обеспечивают более равномерное распределение ингредиентов в резиновой смеси, уменьшают разогревание при смешении и тем предотвращают в известной мере преждевременную вулканизацию, снижают расход электроэнергии на изготовление и последующую обработку резиновых смесей, уменьшают их усадку, улучшают формование при вулканизации в формах, а также понижают температуру размягчения резиновой смеси в начале вулканизации. Смягчители оказывают влияние на вулканизацию, физико-механические свойства и старение вулканизата.

Смягчители понижают гистерезисные потери и теплообразование при многократных деформациях вулканизатов, что объясняется повышением мягкости каучука и некоторым повышением скорости релаксации.

При правильном выборе типа и количества смягчителей наблюдается повышение эластичности и усталостной прочности при многократных деформациях вследствие лучшего диспергирования наполнителей и других ингредиентов в резиновой смеси. Повышенное содержание смягчителей приводит к понижению предела прочности при растяжении, сопротивления модуля, твердости и уменьшению теплообразования при многократных деформациях.

Многие смягчители оказывают специфическое действие, например:

- жирные кислоты повышают активность ускорителей вулканизации, облегчают диспергирование наполнителей и увеличивают связь между частицами наполнителя и каучуком;

- воск, парафин, церезин, петролятум повышают сопротивление старению;

- рубракс, парафин уменьшают набухание резины в воде;

- канифоль, сосновая смола повышают клейкость резиновых смесей на основе синтетических каучуков;

- вазелиновое и трансформаторное масла понижают температуру хрупкости резины, т. е., повышают ее морозостойкость;

- фактисы и полимер, непредельные масла понижают усадку эбонита при вулканизации. Применение в резиновых смесях одновременно нескольких смягчителей объясняется особым действием смягчителей.

Общее содержание смягчителей в резиновых смесях бывает разное, оно зависит не только от ингредиентов, но главным образом от вида каучука. Натуральный каучук содержит естественные смягчители, он легко смешивается с ингредиентами и хорошо обрабатывается, поэтому при изготовлении резиновых смесей на основе натурального каучука обычно ограничиваются небольшим количеством смягчителей - 5-8% от массы каучука. Синтетические каучуки, особенно дивинил стерильные, трудно смешиваются с ингредиентами, поэтому требуют применения значительного количества смягчителей, до 30%. Большая часть смягчителей применяется в резиновых смесях в количестве 2-5% от массы каучука, но некоторые могут применяться в количестве до 10%, а иногда и в большем количестве без существенного ухудшения физико-механических свойств вулканизата. В этом случае смягчители выполняют одновременно роль наполнителей. К таким смягчителям относятся рубракс, смолы. Эти вещества содержат различные непредельные соединения, которые химически взаимодействуют с серой во время вулканизации, образуя продукты, обладающие некоторой прочностью и эластичностью, чем и объясняется возможность их применения в резиновых смесях в. больших количествах.

К смягчителям предъявляются следующие требования:

1) совместимость с каучуком, т. е., способность смешиваться с ним и прочно удерживаться в резиновой смеси и вулканизате в значительном интервале температур;

2) химическая и термическая стойкость во время вулканизации;

3) малое давление насыщенных паров;

4) отсутствие токсического действия и резкого неприятного запаха;

5) доступность и относительно невысокая стоимость.

Не все смягчители достаточно хорошо совмещаются с каучуком. При плохом совмещении каучука со смягчителей наблюдается выпотевание (миграция) смягчителя на поверхность при вулканизации или хранении вулканизатов.

Совместимость смягчителя с каучуком определяется по набуханию каучука в смягчителе, чем больше величина набухания, тем выше совместимость смягчителя с каучуком. Смягчителями, обладающими ограниченной совместимостью с каучуком, являются жирные кислоты, парафин, вазелин, вазелиновое масло и ряд других. При их применении уменьшается прилипание смесей к рабочей поверхности оборудования, облегчается каландрование и шприцевание, поверхность полуфабрикатов становится более гладкой. При подборе смягчителей следует учитывать, что при наличии в смягчителей двойных связей совместимость их с большинством каучуков увеличивается, исключение из этого правила представляет бутилкаучук, с которым такие смягчители неприменимы. Известно, что масла, содержащие значительное количество ароматических углеводородов, более совместимы с каучуком, чем масла, содержащие большое количество парафиновых углеводородов.

Совместимость смягчителей с различными каучуками различная. Большая часть обычно применяемых смягчителей несовместима с поли сульфидными каучуками.

В качестве смягчителей применяются органические вещества различного происхождения.

Их можно подразделить на следующие группы:

1) вещества, получаемые из нефти;

2) продукты переработки каменного угля;

3) вещества растительного происхождения;

4) жирные кислоты;

5) синтетические смягчители.

МЯГЧИТЕЛИ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ИЗ НЕФТИ: Вещества, получаемые при переработке нефти, составляют наиболее многочисленную группу смягчителей.

К этой группе относятся: мазут, гудрон, рубракс, вазелиновое масло, вазелин, парафин и другие.

Красители - охру, ультрамарин и пр. вводят в количестве до 10% массы каучука.

КРАСЯЩИЕ ВЕЩЕСТВА: Красящие вещества применяются для окраски резины. Цветные и белые резины применяются при изготовлении разнообразных изделий широкого потребления, при изготовлении прорезиненных тканей, игрушек, подошвенных изделий, предметов санитарии и гигиены, грелок, пузырей для льда, противогазных масок и прочих изделий. Некоторые красящие вещества, способные поглощать коротковолновую часть солнечного спектра, повышают стойкость резиновых изделий к старению под действием света. Такой способностью обладают красящие вещества белого, желтого и зеленого цвета. Белые пигменты обладают наибольшей способностью защищать резину от старения, так как они отражают большую часть лучей солнечного спектра.

Для обеспечения яркой окраски резин обязательно применение белых пигментов, которые подавляют коричневую окраску вулканизата каучука и создают более полное внутреннее отражение падающего на резину света и тем самым увеличивают яркость окраски. К красящим веществам предъявляются следующие требования:

1) светостойкость, т. е., стойкость окраски при действии солнечных лучей;

2) стойкость в условиях вулканизации (под действием повышенной температуры и в присутствии серы);

3) отсутствие примесей свинца, висмута, вызывающих потемнение цветных резин вследствие образования с серой сульфидов темного цвета;

4) высокая дисперсность;

5) нерастворимость в воде и отсутствие способности выкристаллизовываться на поверхности резины, во избежание загрязнения соприкасающихся предметов.

С повышением дисперсности красящая способность значительно возрастает.

Все красящие вещества подразделяются на органические и неорганические.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ КРАСЯЩИЕ ВЕЩЕСТВА (ПИГМЕНТЫ): Белые пигмент:

Для придания резинам белой окраски применяются титановые белила, литопон, сернистый цинк, цинковые белила.

Также применяют красные пигменты: золотистую сурьму, сурьмяную киноварь, красную окись железа, ртутную киноварь.

Жёлтые пигменты: сернистый магний, кадмиевый литопон.

Зеленые пигменты:

Представителем этой группы минеральных пигментов является зеленая окись хрома, содержащая 98-99% Сr₂0₃. Плотность 4,95 г/см³. Окись хрома обладает высокой химической стойкостью, применяется при окраске светоустойчивых прорезиненных тканей. Часто для окраски резины в зеленый цвет комбинируют желтые и синие пигменты.

Синие пигменты:

Для окраски резины в синий цвет применяется ультрамарин - пигмент с невыясненным химическим строением. Получается прокаливанием серы, соды, каолина и древесного угля или смеси серы, каолина, сульфата натрия и угля. В зависимости от соотношения составных частей и температуры прокаливания может быть получен ультрамарин разных оттенков. Примерный состав ультрамарина темного цвета - Na₆Al₄Si₆S₄O₂₀. Плотность 2,35 г/см³. Он неустойчив к атмосферным воздействиям и к действию кислот. Добавляется к белым пигментам для устранения желтого оттенка.

ОРГАНИЧЕСКИЕ КРАСЯЩИЕ ВЕЩЕСТВА: Органические красящие вещества для резины подразделяются на две группы:

1) пигментные красители;

2) осажденные красители или «лаки».

Пигментные красители представляют собой нерастворимые в каучуке органические красители. Осажденные красители - нерастворимые в каучуке кальциевые или бариевые соли органических красителей или растворимые органические красители, переведенные в нерастворимое состояние адсорбционным осаждением на какой-либо порошкообразной основе (барит, каолин, мел и т. д.).

Существует большое количество органических веществ, принадлежащих к различным классам органических соединений, способных окрашивать каучук, но не все они достаточно устойчивы в условиях вулканизации.

Органические красители отличаются значительно более высокой, красящей способностью и обеспечивают более яркую окраску по сравнению с неорганическими пигментами.

Они могут оказывать влияние на скорость вулканизации резиновых смесей и сопротивление резин старению.

Наиболее часто применяются лак оранжевый (лак-оранж, вулкан-оранж), лак бордо СК, пигмент оранжевый Ж, пигмент желтый 23, пигмент синий и др.

Резина имеет высокие эластические свойства, высокую упругость и сопротивляемость разрыву.

Кроме того, резина обладает малой плотностью, высокой стойкостью против истирания, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами.

Совокупность химических, физических и механических свойств позволяет использовать резиновые материалы для амортизации, демпфирования, уплотнения, герметизации, химической зашиты деталей машин, при производстве тары для хранения масла и горючего, различных трубопроводов (шлангов), для изготовления покрышек и камер колес автотранспорта, декоративных изделий и так далее.

Номенклатура резиновых изделий чрезвычайно разнообразна, например рисунок 14.

Рисунок 14:

металл химический алюминиевый

В зависимости от условий эксплуатации различают резины общего и специального назначения. Резины общего назначения применяют для изготовления камер и шин, ремней, транспортных лент, рукавов, изоляции кабелей и проводов, производства товаров народного потребления и др. Из резин специального назначения различают маслостойкие, морозостойкие, теплостойкие, стойкие к действию агрессивных сред. Нижней границей рабочих температур резин специального назначения является температура до - 80°С, резин общего назначения - минус 35-50°С.

На рисунке 14, приведены уплотнительные и прокладочные резиновые детали, резинометаллические детали, рукав высокого давления с металлической оплеткой и камерная пневматическая шина.

Размещено на Allbest.ru