Электрические и конструкционные материалы

Камышинский технический колледж

Контрольная работа

По дисциплине «Электрические и конструкционные материалы»

Группа «Электрификация и механизация сельского хозяйства»

Задание. Вариант 97: вопросы №№ - 1, 36, 50, 61, 66, 74, 79, 86, 97.

Вопрос № - 1 Содержание и задачи дисциплины «Электрические и конструкционные материалы».

Вопрос № - 36. Что такое электрокерамика? Электрокерамические материалы. Их виды. Способы получения. Характеристики. Достоинства и недостатки керамики. Область применения. +

Вопрос № - 50. Магнитомягкие ферриты. Их виды, состав, способы получения. Магнитные характеристики. Область применения. Маркировка по стандарту. Достоинства и недостатки. +

Вопрос № - 61. Порошковая металлургия. Сущность, назначение и достоинства. Экономическая эффективность производства. Порошковые материалы и изделия. +

Вопрос № - 66. Цель отжига и нормализации. Укажите, как производится отжиг и нормализация. Почему термообработка позволяет уменьшить металлоёмкость машин? +

Вопрос № - 74. Сущность электрохимической защиты металлов от коррозии. В каких случаях предохраняет от коррозии анодное покрытие, а в каких - катодное, и почему? +

Вопрос № - 79. В чём сущность пайки? Её принципиальное отличие от сварки. Достоинства пайки. Характерные особенности пайки черных и цветных металлов. +

Задача № - 86. Назначить режим термической обработки для стали 35 Х 2 Н. Вид термической обработки - Закалка в одном охладителе, отпуск низкий.

Вопрос № - 97. Расшифровать марки сталей и сплавов: БСт.6пс, У9, 35ХСА, 1102, Кч38-8, Бр.АЖН10-4-4.

Вопрос № - 1 Содержание и задачи дисциплины «Электрические и конструкционные материалы».

Ответ.

Дисциплина «Электрические и конструкционные материалы» изучает строение, свойства и методы обработки различных электротехнических и неметаллических конструкционных материалов.

Задачей дисциплины «Электрические и конструкционные материалы» является:

1. ознакомления будущих специалистов - техников, электриков с основными электрическими, магнитными, тепловыми и механическими свойствами электротехнических материалов, их характеристиками и практическим их использованием.

2. ознакомление с достижениями отечественной и зарубежной науки и техники по созданию новых видов конструкционных материалов, с опытом по экономному расходованию металлов и сплавов, широкому внедрению их заменителей.

3. ознакомление с такими вопросами, как производство черных и цветных металлов, термическая и химико-термическая их обработка, литейное и сварное производство, обработка металлов давлением и резанием, применение новейших видов материалов и методов защиты материалов от коррозии.

4. практическое применение полученных знаний на практике.

Важной задачам дисциплины является развитие творческих способностей студентов, их умение реализовать свои знания при решении практических задач во время проведения электротехнических работ.

Дисциплина базируется на изученных раньше студентами таких дисциплинах: "Физика", "Высшая математика", "Общая электротехника".

Вопрос № - 36. Что такое электрокерамика? Электрокерамические материалы. Их виды. Способы получения. Характеристики. Достоинства и недостатки керамики. Область применения. +

Ответ.

Электрокерамические материалы -- твердые искусственные материалы, получаемые в результате термической обработки (обжига) исходных керамических масс, состоящих из смеси различных минералов (глин, талька и др.), взятых в определенном соотношении. Из керамических масс получают различные электроизоляционные изделия (изоляторы). Кроме глинистых материалов, в электрокерамические массы входят кварц, калиевый полевой шпат, а также тальк, углекислый барий или углекислый кальций и др.

В процессе высокотемпературной (1280--1350° С) термической обработки электрокерамических изделий между частицами минералов происходят сложные физико-химические процессы с образованием новых веществ кристаллического и стеклообразного строения.

Все электрокерамические материалы обычно делят на три группы:

1. материалы, из которых изготавливают изоляторы,

2. материалы, из которых изготавливают конденсаторы,

3. сегнетокерамические материалы, обладающие аномально большими значениями диэлектрической проницаемости и пьезоэффектом.

К первой группе материалов относятся электрофарфор и стеатит; ко второй -- тиконды (Т-60, Т-80, Т-150), термоконды (Т-20, Л^Т-40), титанат бария и др. Сегнетокерамические материалы получили применение в радиотехнике.

Конденсаторные керамические материалы отличаются большими значениями диэлектрической проницаемости (е = 20--1500) при достаточно высоком уровне остальных электрических характеристик. Из конденсаторных керамических масс получают неувлажняющиеся конденсаторы низкого и высокого напряжения.

Все электрокерамические материалы отличаются высокой нагревостойкостыо, атмосферостойкостью, стойкостью к электрическим искрам и дугам и обладают хорошими электроизоляционными свойствами и достаточно высокой механической прочностью.

Наряду с электрокерамическими материалами, многие типы изоляторов изготовляют из стекла. Для производства изоляторов применяют малощелочное и щелочное стекла. Большинство типов изоляторов высокого напряжения изготовляют из закаленного стекла. Закаленные стеклянные изоляторы по своей механической прочности превосходят фарфоровые изоляторы.

Электроизоляционная керамика представляет собой материал, получаемый из формовочной массы заданного химического состава из минералов и оксидов металлов. Любая керамика, в том числе и электроизоляционная,-- материал многофазный, состоящий из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Ее свойства зависят от химического и фазового составов, макро- и микроструктуры и от технологических приемов изготовления.

Керамическая технология широко применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических, магнитных, металлокерамических и других изделий. Из электроизоляционной керамики изготавливаются десятки тысяч наименований изделий массой от десятых долей грамма до сотен килограмм и размерами от нескольких миллиметров до нескольких метров. В ряде случаев изделия из керамики, главным образом из электрофарфора, покрываются глазурью, что уменьшает возможность загрязнения, улучшает электрические и механические свойства, а также внешний вид изделия.

Преимущества электрокерамики перед другими электроизоляционными материалами состоит в том, что из нее можно изготовлять изоляторы сложной конфигурации, кроме того, она имеет широкий интервал спекания. Сыпучие материалы мало дефицитны, технология изготовления изделий относительно проста.

Электрофарфор обладает достаточно высокими электроизоляционными, механическими свойствами в области рабочих температур; слабо подвержен старению, стоек к воздействию атмосферных осадков, многих химических веществ, солнечных лучей и радиации излучений. Механическая прочность фарфора в значительной степени зависит от механических свойств и кристаллической структуры отощающего материала, а также образованных в процессе обжига сетчатых волокнистых микроструктур кристаллической фазы (в частности, игл муллита). Стеклофаза в структуре фарфора ухудшает механическую прочность, так же как и наличие пор, неблагоприятно влияющих на распределение напряжений.

Наиболее перспективным является корундовый фарфор. Следует ожидать, что традиционные способ производства, т. е. литье изоляторов в гипсовые формы, а для больших опорных изоляторов -- склейка отдельных элементов до обжига, заменяется пластическим прессованием, выдавливанием массивного цилиндра или трубки с дополнительной обработкой на копировальных станках, а также изостатическим прессованием заготовок с последующей обработкой. Использование этого способа производства изоляторов сократит технологический цикл и объем трудозатрат.

Сырьевые материалы для производства электрофарфора: огнеупорные глины, кварц, пегматиты, полевые шпаты, каолины, глинозем и др. Кристаллический кремнезем SiO2 является одним из основных компонентов фарфоровой массы, который вводится в состав шихты в виде кварцевого песка или жильного кварца. Полевые шпаты всегда содержат примеси оксидов железа, магния, кальция и др. Глинозем -- безводный оксид алюминия Al2О3 -- представляет собой порошок со сред размерами сферических гранул 50-- 200 мкм. Глинозем широко применяется как основной компонент электро и ультрафарфора (на основе корунда) и в качестве самостоятельного материала для изготовления высоковольтных, высокочастотных изоляторов, конденсаторов, деталей вакуум-плотных узлов (корпусов предохранителей, колб натриевых ламп, корпусов вентилей, обтекателей антенн, плат для интегральных схем и др.).

Корундовая керамика

Корундовая керамика содержит 95% и более оксида алюминия (Al2O3) в качестве основной кристаллической фазы и различные добавки, количество и тип которых определяют особенности технологии и эксплуатационные свойства. Данный вид керамики благоприятно сочетает высокие значения диэлектрических и механических свойств при высокой химической стойкости в различных средах.

Корундовая керамика отличается высокими прочностными свойствами: предел прочности её на изгиб достигает 350-600 МПа, на сжатие - 3000-5000 МПа. Она сохраняет свои прочностные свойства до температур 0,8-0,9 от температуры плавления материала, вследствие высокой прочности ионной связи в кристаллической решётке.

Корундовая керамика устойчива к испарениям при ее эксплуатации в вакууме при температурах 1800-1900°С (потеря массы 0,4-0,5%). При длительной эксплуатации свойства корундовой керамики ухудшаются. Это происходит в результате протекания процессов высокотемпературной рекристаллизации.

Корундовая керамика высокой степени чистоты обладает высокими электрофизическими характеристиками. Средние значения удельного объёмного сопротивления сv при нормальной температуре для корундовой керамики находится в пределах 1014- 1016 Ом·см в зависимости от чистоты материала, свойств стекловидной составляющей и структуры. С повышением температуры до 1000°С удельное объёмное сопротивление снижается до 106-107, а при 1500°С - до 104-103 Ом·см.

Диэлектрическая проницаемость около 12. Тангенс угла диэлектрических потерь tgд корундовых электроизоляционных материалов при 100-200°С составляет около (1ч4)•10-4 и зависят от фазового состава.

Благодаря перечисленным выше свойствам, данный вид керамики имеет очень широкое применение.

Электрофарфор

Среди тонкой керамики различают электрокерамические материалы, обладающие очень хорошими электроизоляционными свойствами. Так, электрокерамические материалы имеют большое удельное объёмное (сv) и удельное поверхностное сопротивления (сs), большую электрическую прочность (Епр) и сравнительно небольшой тангенс угла диэлектрических потерь (tgд).

Одним из таких материалов является электрофарфор. Данный материал обладает плотной структурой из кристаллического и аморфного веществ, т. е. состоит из кристаллической и стекловидной (аморфной) фаз.

Электрофарфор является основным материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока.

Электрофарфор изготовляют из исходной сырой керамической массы, состоящей из 45-50% пластичных материалов (глины), 25-15% кварца и 30-35% полевого шпата.

Электрофарфор состоит главным образом из стеклообразной массы (аморфной фазы). Это - кварцево-полевошпатовое стекло, образовавшееся в результате плавления частичек полевого шпата и кварца, входящих в состав исходной электрофарфоровой массы. Стекловидная фаза составляет около 60% всей массы фарфора. Наличие в фарфоре стекла обеспечивает ему электрическую прочность и делает его негигроскопичным.

Известно, что электрофарфор не поглощает влагу, но большое количество стекла в фарфоре делает его хрупким, т. е. менее прочным при ударном изгибе. Электрофарфор является хорошим электроизоляционным материалом и благодаря большой доступности имеет широкое применение.

Вопрос № - 50. Магнитомягкие ферриты. Их виды, состав, способы получения. Магнитные характеристики. Область применения. Маркировка по стандарту. Достоинства и недостатки. +

Ответ.

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную группу выделяют материалы специального назначения.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание.

Магнитомягкие ферриты получают в порошковой металлургии при производстве электротехнических материалов - ферритов (Fe₃О₄ с добавками NiO, MgO, MnO, ZnO). Исходные материалы в виде порошков формуют в изделия заданной формы и размеров. Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п. Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми - с Нс > 4 кА/м. У лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По

масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Свойства магнитных материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы:

1. монолитные металлические материалы,

2. порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические)

3. оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

Магнитомягкие ферриты применяются:

- для магнитопроводов, работающих в слабых, сильных магнитных полях до 100 МГц и в импульсном режиме;

- для изготовления магнитных усилителей, сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, статоров и роторов высокочастотных двигателей, термомагнитных компенсаторов и так далее.

Самопроизвольная намагниченность ферритов обусловлена спиновыми магнитными моментами трехвалентных ионов железа и двухвалентных ионов металла, между которыми существует косвенное обменное взаимодействие через ионы кислорода. Синтез ферритов производится по керамической технологии и может быть осуществлен по трем различным технологическим схемам: 1 - из механической смеси оксидов или карбонатов; 2 - термическим разложением твердой смеси солей, полученной выпариванием из водного раствора; 3 - из совместно сочетаемых гидроксидов, карбонатов, оксилатов. Наиболее распространенный - первый способ.

Ферриты представляют собой химические соединения, в общем случае имеющие формулу МFe2O4, где М - чаще всего двухвалентный ион металла, например, Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Co и Mn. В отличие от порошковых сердечников ферриты представляют собой монолитные материалы. Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в кубической системе и имеют структуру шпинели - минерала состава MgAl2O4. Чаще всего применяются ферриты следующих типов:

MnO*ZnO x 2Fe2O3 - марганцево-цинковый феррит;

Nio*ZnO x 2Fe2O3 - никель-цинковый феррит;

MgO*MnO*2Fe2O3 - магний-марганцевый феррит.

Ферриты имеют высокое удельное электрическое сопротивление порядка 10-109 Ом*см и благодаря этому низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20-25% от индукции насыщения железа.

Ферриты делятся на три подгруппы:

а) ферриты с гарантированными потерями и проницаемостью;

б) ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса;

в) ферриты со специальными свойствами.

Марганец-цинковые ферриты по сравнению с никель-цинковыми имеют меньшие потери. Оба эти вида ферритов относятся к первой подгруппе. Т.к. никель-цинковые ферриты имеют более высокое электрическое сопротивление, то их целесообразно применять в области частот от 500 кГц до 200 МГц и выше, т.е. для цепей высокочастотной техники. Магний-цинковые ферриты предназначены для применения в диапазоне от звуковых частот до нескольких МГц.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса бывают никель-цинковыми или магний-марганцевыми. В технике УКВ также применяются магний-марганцевые ферриты, однако соотношение отдельных составных частей в тройной системе отличается от состава магний-марганцевых ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса. Эти ферриты вместе с магнитострикционными материалами относятся к группе материалов со специальными свойствами.

Благодаря своим свойствам, ферриты имеют очень широкий диапазон применения. В настоящее время ферриты применяются в производстве реле, сетевых трансформаторов устройств связи, дросселей, электромеханических преобразователей и резонаторов и т.п. Однако наибольшее распространение ферриты получили в производстве сердечников для катушек (феррокатушек), запоминающих и переключающих цепей и т.п.

Ферриты получают в виде керамики и монокристаллов. Благодаря невысокой стоимости и относительной простоте технологического цикла керамические материалы занимают ведущее место среди высокочастотных магнетиков.

При изготовлении ферритовой керамики в качестве исходного сырья наиболее часто используют окислы соответствующих металлов. Общая технологическая схема производства ферритов во многом аналогична схеме производства радиокерамики. Однако при получении материалов с заданными магнитными свойствами предъявляются более жесткие требования к исходному сырью в отношении его химической чистоты, степени дисперсности и химической активности. В отличие от электрорадиокерамики ферритовая керамика совершенно не содержит стекловидной фазы; все процессы массопереноса при синтезе соединения и спекания изделий происходят лишь за счет диффузии в твердой фазе.

Исходные окислы подвергают тщательному измельчению и перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах тонкого помола, а затем после брикетирования или гранулирования массы осуществляют предварительный обжиг с целью ферритизации продукта, т.е. образования феррита из окислов. Ферритизованный продукт вновь измельчают и полученный таким образом ферритовый порошок идет на формовку изделий. Предварительно его пластифицируют, причем в качестве пластификатора обычно используют водный раствор поливинилового спирта.

Отформованные изделия подвергают спеканию при температуре 1100-1400 ° С в контролируемой газовой среде. Контроль газовой среды особенно необходим на стадии охлаждения, чтобы предотвратить выделение побочных фаз. Наибольшей чувствительностью к изменению давления кислорода характеризуются ферриты марганца и твердые растворы на их основе. В процессе спекания завершаются химические реакции в твердой фазе, устраняется пористость, фиксируется форма изделий. За счет процесса рекристаллизации материал приобретает определенную зеренную структуру, которая существенно влияет на магнитные свойства керамики.

Ферриты являются твердыми и хрупкими материалами, не позволяющими производить обработку резанием и допускающим только шлифовку и полировку. Для этих видов механической обработки широко используют порошки карбида кремния и абразивные инструменты из синтетических алмазов.

Марки ферритов общего применения 7ВН - 20000НМ. Марки магнитомягких ферритов начинаются с числа, показывающего значение начальной магнитной

проницаемости. Далее идет буква, указывающая частотный дипазон применения (Н - низкочастотные, В - высокочастотные). Вторая буква указывает на химический состав феррита (М - марганец-цинковый, Н - никель-цинковый). Иногда вместо буквы Н в высокочастотных ферритах используют Ч (вместо ВН стоит ВЧ).

П р и м е р ы : 20000НМ - (двадцать тысяч - НМ) магнитомягкий низкочастотный марганец-цинковый феррит на основе оксида железа с начальной магнитной проницаемостью 20 000.

50ВН - магнитомягкий высокочастотный никель-цинковый феррит на основе оксида железа с начальной магнитной проницаемостью 50.

Магнитомягкие СВЧ-ферриты

Марки СВЧ-ферритов начинаются с числа, показывающего значение длины электромагнитной волны в сантиметрах. Далее идет буквы СЧ, указывающие частотный диапазон применения. Цифра в конце марки (после СЧ) указывает порядковый номер феррита (иногда она не ставится). П р и м е р : 30СЧ4 - (тридцать-СЧ-4) СВЧ феррит на основе оксида железа для длины электромагнитной волны 30 см, № 4.

Вопрос № - 61. Порошковая металлургия. Сущность, назначение и достоинства. Экономическая эффективность производства. Порошковые материалы и изделия. +

Ответ.

Порошковая металлургия - область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления. Характерной особенностью порошковой металлургии является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров. Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Основными достоинствами технологии производства изделий методом порошковой металлургии являются:

возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда другие методы использовать невозможно;

значительная экономия металла за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1…3 %);

возможность получения материалов максимальной чистоты;

простота технологии порошковой металлургии.

Методом порошковой металлургии изготавливают твердые сплавы, пористые материалы: антифрикционные и фрикционные, фильтры; электропроводники, конструкционные детали, в том числе работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.

Порошковая металлургия (металлокерамика) - это производство деталей из металлических порошков и неметаллических компонентов. Метод порошковой металлургии позволяет получить материалы и детали, обладающие высокой жаропрочностью, износостойкостью, твёрдостью, заданными стабильными магнитными свойствами. При этом порошковая металлургия позволяет получать большую экономию металла и значительно снижать себестоимость изделий.

Порошковая металлургия позволяет получать металлокерамические материалы с особыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые невозможно получить методами литья, обработки давлением. Только порошковая металлургия позволила преодолеть трудности, возникшие при производстве изделий из тугоплавких (температура плавления 2000 °С и выше) металлов, получать сплавы из металлов с резко различающими температурами плавления, изготавливать материалы из металлов и неметаллов или из нескольких слоёв разнородных компонентов, производить фильтрующие материалы с равномерной объёмной пористостью и успешно решать другие задачи.

Внедрение порошковой металлургии дает большой экономический эффект. Отходы металла при традиционных способах обработки составляют в среднем от 50% до 80%. При порошковой металлургии отходы практически отсутствуют, что позволяет получать большую экономию металла и значительно снижать себестоимость изделий. Экономия достигается также за счет замены дорогостоящих цветных металлов и легированных сталей, снижения трудоёмкости изготовления изделий, а также расхода электроэнергии, транспортных и других расходов.

Сущность порошковой металлургии заключается в производстве порошков и изготовлении из них изделий, покрытий или материалов многофункционального назначения по безотходной технологии. Порошки получают из металлического и неметаллического сырья, а также вторичного сырья машиностроительного и металлургического производства.

Технологический процесс производства и обработки изделий и материалов методами порошковой металлургии включает:

1. получение порошков,

2. их формование в заготовки,

3. спекание (температурную обработку) и при необходимости окончательную обработку (доводку, калибровку, уплотняющее обжатие, термообработку).

1. Способы производства порошков подразделяются на механические (без изменения химического состава исходных материалов), физико-химические или комбинированные.

Механический метод подразумевает механическое измельчение компактных материалов, осуществляющееся путём дробления, размола или истирания в специальных агрегатах-мельницах (вихревых, планетарных, центробежных, шаровых, вибрационных, вращающихся и т.д.).

Физико-химический метод - получение металлических порошков электролизом. Способ универсален, обеспечивает высокую чистоту порошков. Электролиз - один из самых основных способов для получения порошков меди, серебра, железа, никеля, кобальта, олова и др. Никель, цинк, кобальт образуют равномерные плотные мелкозернистые осадки независимо от природы электролита. Серебро или кадмий растут в виде отдельно сильно разветвляющихся кристаллов при электролизе простых солей, из раствора цианистых солей они выделяются в виде ровного гладкого слоя.

2. Формование порошков - это технологическая операция получения изделия или заготовки заданной формы, размеров и плотности обжатием сыпучих материалов (порошков). Уплотнение порошка осуществляется прессованием в металлических пресс-формах или эластичных оболочках, прокаткой, литьём суспензии и другими методами.

3. Спекание порошковых материалов - вид термической обработки, позволяющий получить конечные свойства материала и изделия. Оно заключается в нагреве и выдержке сформованного изделия (заготовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента. Для многокомпонентных систем различают твёрдофазное и жидкофазное спекание.

Твёрдофазное спекание сопровождается возникновением и развитием связей между частицами, образованием и ростом контактов (шеек), закрытием сквозной пористости, уплотнением заготовки за счёт усадки. Уплотнение при нагреве в основном происходит за счёт объёмной деформации частиц, осуществляемой путём объёмной самодиффузии атомов.

Жидкофазное спекание протекает в присутствии жидкой фазы легкоплавкого компонента, которая хорошо смачивает твёрдую фазу, улучшает сцепление между частицами, увеличивает скорость диффузии компонентов, облегчает перемещение частиц друг относительно друга.

Совмещение процесса прессования и спекания наблюдается при горячем прессовании. Высокая температура прессования позволяет снизить в несколько десятков раз давление прессования. Время выдержки составляет от 15…30 мин до нескольких часов. Горячее прессование применяют для труднопрессуемых порошков с целью получения высоких физико-механических свойств.

Порошковые материалы и изделия.

Отличительной особенностью изделий из порошковых материалов является наличие равномерной объемной пористости, которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства.

Антифрикционные материалы (пористость 15…30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом. Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне. Это существенно для чистых производств (пищевая, фармацевтическая отрасли). Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.

Подшипники работают при скоростях трения до 6 м/с при нагрузках до 600 МПа. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20…30 м/с. Коэффициент трения подшипников - 0,04…0,06. Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1…3 %). Разработаны подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений (боридов, карбидов и др.), содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора. Подшипники могут работать в условиях вакуума и при температурах до 500oС.

Применяют металлопластмассовые антифрикционные материалы: спеченные бронзографиты, титан, нержавеющие стали пропитывют фторопластом. Получаются коррозионностойкие и износостойкие изделия. Срок службы металлопластмассовых материалов вдвое больше, чем материалов других типов.

Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200oС, а материал в объеме - до 500…600oС. Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350…400 МПа. Коэффициент трения при работе в масле - 0,08…0,15, при сухом трении - до 0,7.

Антифрикционные пористые материалы изготавливают на основе порошков железа или меди с пропиткой жидкой смазкой (маслом) или с добавками твёрдой смазки (графит, свинец, дисульфид молибдена, сернистый цинк). Данные материалы обладают высокими техническими свойствами, хорошей прирабатываемостью, высокой теплопроводностью, достаточной вязкостью при ударной нагрузке, обеспечивают низкий коэффициент трения.

К фрикционным относят материалы с высоким коэффициентом трения. Они обладают высокой фрикционной теплостойкостью и коррозионной стойкостью. Их изготавливают на основе меди или железа с металлическими и неметаллическими компонентами для деталей, работающих в масле (75%) и при сухом трении. Фрикционные изделия состоят из стальной основы и фрикционных накладок, которые припекаются к основе под давлением.

Электротехнические материалы подразделяются на электроконтактные (металлические, металлографитовые, металлооксидные и металлокарбидные), магнитомягкие (железоникелевые сплавы, сплавы железа с кремнием и алюминием или хромом и алюминием), магнитотвёрдые (сплавы на основе Fe-Al-Ni(Co), называемые альни, альнико, магнико), магнитодиэлектрики (карбонильное железо, пермаллой, альсифер), ферриты (Fe₃О₄ с добавками NiO, MgO, MnO, ZnO).

Аморфные материалы, получаемые быстрым охлаждением расплава являются новым классом магнитных материалов, из которых изготавливают магнитные экраны, трансформаторы и электродные приборы.

Спечённые конструкционные материалы изготавливаются на основе конструкционной стали (углеродистой, меднистой, кремнистой, молибденовой, хромомолибденовой), титановых и алюминиевых сплавов.

Повышение твёрдости обрабатываемых заготовок потребовало расширения диапазона используемых режущих материалов от твёрдых сплавов, минералокерамических материалов до искусственных алмазов и других сверхтвёрдых материалов, получаемых методами порошковой металлургии.

Твёрдые сплавы используют в режущих и контрольно-измерительных инструментах, рабочих вставках фильер при волочении, матрицах и пуансонах при штамповке и прессовании. В машиностроении и приборостроении широко применяют армированные твёрдыми сплавами детали. Например, в текстильной промышленности применяют твёрдые сплавы для направляющих колец и других трущихся деталей; в порошковой металлургии твёрдые сплавы используют для размольных тел и прессового инструмента.

Минералокерамику применяют для получистовой и чистовой обработки резанием чугунов, закалённых и улучшенных сталей, цветных и тугоплавких сплавов при высоких (до 800 м/мин) скоростях резания. Основу минералокерамики составляет - модификация Al₂O₃ (электрокорунд) зернистостью до 1 мкм. Плотность кермета (керамики с металлической связкой) составляет 3,96 г/см³ , твёрдость - HRA до 92 единиц. Оксидокарбидная керамика имеет плотность 4,2 … 4,6 г/см³ и твёрдость - HRA 92 … 94 единицы.

Эрозионно-стойкие и потеющие материалы обладают комплексом свойств, которые невозможно получить в сплавах. Они изготавливаются на основе тугоплавких металлов или углерода в виде композиций, путём пропитки вольфрамового или углеродного каркасов жидкой медью или серебром. Детали из такого материала работают в двигателях при температуре свыше 2500 ⁰С. Во время работы медь (серебро) испаряется, что понижает тепловой поток и улучшает условия работы вольфрамового или углеродного каркасов.

Вопрос № - 66. Цель отжига и нормализации. Укажите, как производится отжиг и нормализация. Почему термообработка позволяет уменьшить металлоёмкость машин? +

Ответ.

Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Отжиг - процесс термической обработки стали, при котором нагревом до или выше температуры в интервале превращений, продолжительной выдержкой при этой температуре и последующим медленным охлаждением с заданной скоростью достигается устойчивая (равновесная), структура стали с повышенной пластичностью, вязкостью и без внутренних напряжений.

Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига - уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность.

Отжиг заключается в нагреве стали до температуры, которая на 50 выше 727..910°С, с последующим медленным охлаждением. Существует отжиг на равновесное состояние; на мелкое зерно; для снятия внутренних напряжений; устранения структурной неоднородности; подготовки к термической обработке. Наиболее часто применяют первые два вида отжига.

Отжиг на равновесное состояние заключается в нагреве закаленной стали в зависимости от содержания в ней углерода до температуры 727..910?С с последующим медленным охлаждением.

Отжиг на мелкое зерно заключается в следующем. Сталь, полученная литьем или подвергавшаяся горячей обработке, например ковке, имеет крупнозернистую структуру, которая характеризуется пониженными механическими свойствами. При нагреве стали с крупным зерном до температуры 727..910°С с последующим медленным охлаждением зерно размельчается. В результате отжига на мелкое зерно больше всего возрастают ударная вязкость и пластичность.

Отжиг делят на отжиг 1 рода и 2 рода.

Отжиг 1 рода - это такой вид отжига, при котором не происходит структурных изменений, связанных с фазовыми превращениями. Отжиг рекристаллизационный (отжиг 1-го рода) применяется для изделий при холодном их деформировании - при производстве холоднокатаной стальной ленты и деталей глубокой вытяжки с целью восстановления мелкозернистой, равновесной, мягкой и вязкой структуры наклепанного металла. Рекристаллизационный отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 650--700°С (ниже критической точки А), выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения.

Отжиг второго рода - термообработка, направленная на получение равновесной структуры в металлах и сплавах, испытывающих фазовые превращения.

При отжиге второго рода нагрев и последующее охлаждение может вызвать как частичную, так и полную замену исходной структуры. Полная замена структуры в результате двойной перекристаллизации позволяет кардинально изменить строение сплава, уменьшить размер зерна, снять наклеп, устранить внутренние напряжения, т.е. полностью изменить структуру и свойства детали. Отжиг второго рода может быть полным и неполным.

Полный отжиг сопровождается полной перекристаллизацией. При неполном отжиге структурные превращения происходят не полностью, с частичным сохранением исходной фазы. Неполный отжиг применяется в тех случаях, когда можно изменить строение второй фазы, исчезающей и вновь появляющейся при этом виде отжига.

Полный отжиг (отжиг 2-го рода, или фазовой перекристаллизации) осуществляется путем нагрева стальных деталей ("изделий) до температуры на 30--50°С выше критической точки, выдержки при этой температуре до полного превращения структуры в аустенит и последующего медленного охлаждения до температуры 500--600°С. Скорость охлаждения для углеродистых сталей должна быть 50 - 100°С, для легированных - 20-60°С в час. Полный отжиг является нормальным для доэвтектоидных сталей (содержащих до 0,8% углерода), а для заэвтектоидных сталей он неприменим, ибо делает их хрупкими.

Неполный отжиг производится нагревом стали выше критической точки и последующим медленным охлаждением. Неполный отжиг применяется для сортового проката и поковок из доэвтектоидной стали с целью снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости резанием.

Отжиг изотермический осуществляется путем нагрева до нормальной температуры отжига, медленного охлаждения до температуры немного ниже критической точки А (700--680°С), выдержки при этой температуре до полного превращения аустенита и последующего охлаждения на воздухе. Такой отжиг по результатам изменения физико-механических свойств аналогичен полному отжигу, но продолжительность операции резко сокращена. Он применяется исключительно для легированных сталей.

Отжиг на зернистый перлит (сфероидизирующий) осуществляется путем нагрева" с периодическим изменением температуры около (выше или ниже) точки A, после охлаждения ниже точки Аг (700--680°С) дается длительная выдержка, при которой происходит коагуляция цементита с образованием зернистого перлита, что снижает твердость и повышает пластичность и вязкость стали. Сфероидизация применяется главным образом с целью улучшения обрабатываемости инструментальных и подшипниковых сталей.

Отжиг светлый (нормализация светлая) производится по любому из указанных выше тепловых режимов, но с применением защитных атмосфер или в печах с частичным вакуумом. Светлый отжиг применяется для холоднокатаной ленты, прутков, проволоки, деталей холодной штамповки, а также для защиты поверхности деталей от окисления и обезуглероживания.

Нормализацией называют отжиг с охлаждением детали на свободном воздухе.

Нормализация - разновидность полного отжига, но отличается от последнего тем, что охлаждение изделий после выдержки производится на спокойном воздухе. Осуществляется она путем нагревания стали выше критической точки на 30--50°С, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на спокойном воздухе (скорость охлаждения 150--250°С в час). Нормализация применяется для получения мелкозернистой однородной структуры металла с малым и средним содержанием углерода, устранения наклепа, снятия внутренних напряжений, улучшения обрабатываемости резанием и подготовки детали для цементации.

Условия охлаждения при нормализации позволяют получить более мелкое зерно, по сравнению с обычным отжигом. Уменьшение размера зерна вызывает увеличение прочности и твердости, при некотором снижении пластичности. Особенно это заметно на деталях, содержащих 0,3-0,6% углерожа. Прочность и твердость таких сталей при нормализации имеет промежуточное значение между твердостью, полученной после отжига и твердостью, полученной при закалке, поэтому нормализация таких сталей является основным видом термообработки.

Для малоуглеродистых сталей свойства после отжига и после нормализации практически совпадают, поэтому для малоуглеродистых сталей отжиг всегда заменяют на нормализацию. Нормализацию применяют и как окончательный вид термообработки и как промежуточный, например, между операциями холодной деформации для снятия наклепа или перед обработкой резанием для уменьшения твердости.

Нормализация заключается в охлаждении стали в режиме температур 910..727~С на воздухе. При нормализации сталь охлаждается на воздухе со скоростью большей, чем при отжиге, но меньшей, чем при закалке.

При нормализации сталей, содержащих более 0,3% углерода, несколько повышаются прочность и твердость. Нормализация сталей, содержащих менее 0,3% углерода (к таким сталям относятся строительные), приводит к тому, что из феррита не успевает выделиться углерод и образовать вокруг зерен хрупкую сетку цементита. Отсутствие сетки из цементита повышает ударную вязкость стали. Небольшое перенасыщение не успевшим выделиться из него углеродом повышает прочность стали.

Строительные стали после нормализации обладают большей прочностью и ударной вязкостью, чем при охлаждении. Например, ударная вязкость стали Ст3 в результате нормализации повышается более чем в полтора раза по сравнению с ударной вязкостью этой же отожженной стали.

Изменение свойств металлов и сплавов при термообработке позволяют уменьшить металлоёмкость деталей машин и механизмов. Экономия металла при ковке, резке и последующей доводке изделий составляет до 3-5%.

Вопрос № - 74. Сущность электрохимической защиты металлов от коррозии. В каких случаях предохраняет от коррозии анодное покрытие, а в каких - катодное, и почему? +

Ответ.

Электрохимическая коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов. Она происходит при взаимодействии металлов с жидкими электролитами (водой, водными растворами солей, кислот, щелочей, расплавами солей и щелочей). При соприкосновении металла с водными растворами между ними начинается взаимодействие, так как катионы металлов, находящиеся на поверхности кристаллических решеток, не удерживаются и переходят в окружающую среду. В сухом газе катионы поверхность покинуть не могут. Металл, потерявший положительный заряд, заряжается отрицательно оставшимися электронами, а слой раствора, прилегающий к металлу, заряжается положительно - возникает скачок потенциала. Этот процесс постепенно доходит до получения определенного значения потенциала, и затем растворение металла прекращается. В случае нарушения равновесия, связанного с перемещением электронов, процесс коррозии продолжается. На скорость растворения металла в электролите влияют примеси, способы обработки, концентрация электролитов. Металл, находящийся под нагрузкой, коррозирует значительно быстрее ненагруженного, так как нарушается целостность защитной пленки и образуются микротрещины. Активному протеканию процесса коррозии способствуют углекислый, в особенности, сернистый газы, хлористый водород, различные соли.

На практике для защиты металла от коррозии применяют легирование и защитные покрытия.

Легирующие элементы образуют с основным металлом сплавы, твердые растворы, которые повышают коррозиеустойчивость металла. Незначительная добавка меди и хрома (менее 1 %) значительно повышает сопротивление, стали коррозии, а введением до 20 % различных легирующих добавок можно получить нержавеющие стали.

Для защиты металла от коррозии на его поверхности создают также пленки. Эти пленки могут быть металлическими, оксидными, лакокрасочными и т. п..

Металлические пленки представляют собой механическую защиту (катодное покрытие) или электрохимическую (анодное покрытие).

Катодное покрытие - это покрытие металлом, который более электроположителен, чем основной. Например, железо способом лужения покрывают оловом. Разрушение основного металла может произойти только в том случае, если на покрытии образуется трещина или отверстие, и пленка уже не будет механически защищать металл.

Анодное покрытие - это покрытие более электроотрицательным металлом, чем основной. В соответствующих условиях будет разрушаться покрывающий металл. В случае повреждения (трещины и т. п.) электрохимическое растворение металла покрытия препятствует коррозии основного металла. Примерами этого вида защиты стали являются цинкование и хромирование.

Наносить катодное и анодное покрытие можно методом погружения детали в расплавленный металл, температура плавления которого ниже температуры плавления детали. Более универсальный метод покрытия - гальванический, основанный на электролитическом осаждении металлических осадков из растворов солей, причем основной металл является катодом, осажденный металл - анодом.

При оксидировании естественную оксидную пленку, всегда имеющуюся на металле, делают более прочной путем ее обработки сильным окислителем, например, водным раствором NaOH+NaNOs при 125-140 °С в течение 40-60 мин. Изделие, покрытое оксидной пленкой толщиной 2-5 мкм, окрашивается в сине-черный цвет. Воронение-частный случай оксидирования. При воронении на поверхности также создается оксидная пленка, но более сложными приемами, связанными с многократной термической обработкой при 300-400 °С в присутствии древесного угля.

Фосфатирование - состоит в получении на изделии поверхностной пленки из нерастворимых солей железа или марганца в результате обработки металла фосфатами железа или марганца.

Плакирование - наложение на основной металл тонкого слоя защитного металла (биметалла) и закрепление его путем горячей прокатки (например, на железо медный сплав, на дюралюминий чистый алюминий).

Металлизация - покрытие поверхности детали расплавленным металлом, распыленным сжатым воздухом. Преимущество этого метода защиты металла в том, что покрывать расплавом можно уже собранные конструкции, недостаток заключается в том, что получается шероховатая поверхность.

Ванны, раковины, декоративные изделия для защиты от коррозии покрывают эмалью, т. е. наплавляют на металл при 750-800 °С различные комбинации силикатов (кварц, полевой шпат, буру, глину и др.).

Самопроизвольное окисление металлов, вредное для промышленной практики (уменьшающее долговечность изделий), называется коррозией. Среда, в которой металл подвергается коррозии (корродирует), называется коррозионной, или агрессивной. При этом образуются продукты коррозии: химические соединения, содержащие металл в окисленной форме.

В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью. Любой метод защиты изменяет ход коррозионного процесса, либо уменьшая скорость, либо прекращая его полностью.

Катодная защита. Из всех методов защиты основанных на изменении электрохимических свойств металла под действием поляризующего тока, наибольшее распространение получила защита металлов при наложении на них катодной поляризации (катодная защита). Защита металла катодной поляризацией применяется для повышения стойкости металлических сооружений в условиях подземной (почвенной) и морской коррозии, а также при контакте металлов с агрессивными химическими средами. Она является экономически оправданной в тех случаях, когда коррозионная среда обладает достаточной электропроводностью, и потери напряжения (связанные с протеканием защитного тока), а следовательно, и расход электроэнергии сравнительно невелик.

Катодная поляризация защищаемого металла достигается либо наложением тока от внешнего источника (катодная защита), либо созданием макрогальванической пары с менее благородным металлом (обычно применяются алюминий, магний, цинк и их сплавы). Он играет здесь роль анода и растворяется со скоростью, достаточной для создания в системе электрического тока необходимой силы (протекторная защита).

Катодная защита обычно связана с защитой черных металлов, так как из них изготавливается подавляющая часть объектов работающих под землей и при погружении в воду, например трубопроводы, свайные основания, пирсы, эстакады, суда и др. В качестве материала для расходуемых анодов-протекторов во всем мире широко применяется магний. Обычно он используется в виде сплавов с содержанием 6% алюминия, 3% цинка и 0,2% марганца; эти добавки предотвращают образование пленок, которые снижают скорость растворения металла.

Применение для катодной защиты метода приложения тока облегчает регулирование системы и часто дешевле, чем использование анодов - протекторов, которые, конечно, нуждаются в регулярных заменах.

На практике катодная защита редко применяется без дополнительных мероприятий. Требуемый для полной защиты ток обычно бывает чрезмерно велик, и помимо дорогостоящих электрических установок для его обеспечения следует иметь в виду, что такой ток часто будет вызывать вредный побочный эффект, например чрезмерное защелачивание. Поэтому катодная защита применяется в сочетании с некоторыми видами покрытий. Требуемый при этом ток мал и служит только для защиты обнаженных участков поверхности металла.

Явление пассивности.

Скорость коррозии многих металлов значительно меньше в растворах сильных окислителей, чем в растворах окислителей более слабых. Сюда относятся такие металлы, как железо, хром, никель, титан, цирконий, алюминий и многие другие. Уменьшение скорости коррозии в сильных окислителях называется пассивацией, а состояние металла - пассивным. Некоторые металлы находятся в пассивном состоянии даже в таких слабых окислителях, как вода. Пассивное состояние обусловлено образованием очень тонкой пленки окисла. Там, где есть пленка, не происходит окисление металла.

Анодная защита. Использование пассивности в практике защиты от коррозии.

Многие металлы находятся в пассивном состоянии в некоторых агрессивных средах. Хром, никель, титан, цирконий легко переходят в пассивное состояние и устойчиво его сохраняют. Часто легирование металла, менее склонного к пассивации, металлом, пассивирующем легче, приводит к образованию достаточно хорошо пассивирующихся сплавов. Примером могут служить разновидности сплавов FeCr, представляющие собой различные нержавеющие и кислотоупорные стали, стойкие, например, в пресной воде, атмосфере, азотной кислоте и т.д.

Применение анодной защиты целесообразно в сильно агрессивных средах, например в химической промышленности. При наличие поверхности раздела жидкость-газ необходимо иметь в виду, что анодная защита не может распространяться на поверхность металла в газовой среде, что впрочем типично и для катодной зашиты. Если газовая фаза тоже агрессивна или имеется неспокойная поверхность раздела, что приводит к разбрызгиванию жидкости и оседанию капель ее на металл выше поверхности раздела, если происходит периодическое смачивание стенки изделия в определенной зоне, то приходится ставить вопрос об иных способах защиты поверхности выше постоянного уровня жидкости.