Основи металознавства

Бабіти використовують для виготовлення вкладишів тракторних і автомобільних двигунів.

6.2 Алюмінієві антифрикційні сплави

Сплави алюмінію порівняно з бабітами мають меншу щільність, більшу міцність і дешевші. Недоліком є значна різниця в коефіцієнті розширення алюмінієвих сплавів і сталі. Найбільш поширений алюмінієво-мідний сплав алькусин (7,5-9,5 % Сu, 1,5-2,5 % Sі, решта - алюміній), в якому м'яка основа - твердий розчин кремнію і міді в алюмінії, а тверді частини - сполуки СuАl2. Цей сплав використовують як замінник бабіту марки Б16.

1.6.3. Антифрикційні матеріали на основі міді.

Олов'яні бронзи з 8 % Sn і більше застосовують як підшипникові. За структурою вони є основною масою твердого розчину олова в міді (м'яка фаза) і тверді частинки сполуки Сu3Sn.

Олов'яниста бронза марки БрОФ 10-1, що містить 0,8 - 1,2 % фосфору, до 10 % Sn - прекрасний антифрикційний матеріал.

Як антифрикційний матеріал використовують також олов'янисто-свинцеві бронзи (БрОС 8-12 і т.п.).

В автотракторній промисловості поширені пористі самозмащувальні підшипники з порошкових сплавів.

7. Корозія металів

7.1 Основи теорії корозії металів і види корозії

Корозія металів і сплавів - це руйнування їх під впливом зовнішнього середовища. Втрати залізовуглецевих сплавів від корозії становлять, у середньому, 10 % від виплавляння.

За типом корозійного процесу розрізняють електрохімічну і хімічну корозію; за видом корозійного середовища корозію відносять до атмосферної, ґрунтової або в морській воді; за характером корозійних руйнувань виділяють суцільну, поверхневу, місцеву, міжкристалічну корозію і корозійні тріщини.

Електрохімічною корозією називають таку корозію, яка супроводжується появою електричного струму. Зумовлена вона наявністю рідини - електроліту.

Структура технічних металів і сплавів неоднорідна і складається з двох фаз. При зануренні такого металу чи сплаву в електроліт окремі фази його матимуть різні потенціали, а оскільки ці зерна з'єднані одне з одним через масу металу, то сплав має велику кількість окремих гальванічних мікропар. За законами електролізу частинки аноду будуть переходити в розчин.

Слід відмітити, що чим чистіший метал або сплав з однофазною структурою, тим вони мають більшу корозійну стійкість. Але й вони піддаються електрохімічній корозії, тому що вони забруднені.

Хімічною корозією називають корозію, яка не супроводжується появою електричного струму. У такому випадку на метал діє сухий газ або рідина - не електроліт (бензин, мінеральні оливи, смола і т.п.). На поверхні металу утворюються окисли, які швидко руйнуються і метал продовжує окислюватися далі. Але є метали (алюміній), в яких окисна плівка (Al2O3) щільна і міцна, вона не дає окислюватися алюмінію.

Якщо взяти до уваги атмосферну корозію, то вона суміщає особливості хімічної та електрохімічної корозії.

7.2 Способи захисту металів від корозії

У даний час використовують такі способи захисту металевих виробів від корозії:

- використання легованих сплавів;

- металеві покриття;

- хімічні покриття;

- електрохімічний захист;

- неметалеві покриття;

- розумний конструкторський вибір матеріалів конструкцій і машин.

Використання легованих сталей, чавунів і корозійностійких кольорових металів і сплавів у деяких випадках дуже дороге або з технічних міркувань недоцільне.

Металеві покриття - це покриття корозійностійкими металами (олово, свинець, хром, нікель та ін.).

Хімічний захист полягає у тому, що на поверхні виробу штучно створюють захисні неметалеві плівки, найчастіше оксидні. Електрохімічний захист поділяють на протекторний і катодний.

Протекторний захист полягає у тому, що поблизу матеріалу, який потрібно захистити, прикріплюють протектор (виготовлений з металу, який має менший потенціал). У таких умовах протектор поступово руйнується, захищаючи тим самим виріб.

Катодний захист застосовують для металевих підземних споруд, які приєднують до негативного полюса джерела постійного струму: позитивний полюс заземлений.

Неметалеві покриття - це покриття фарбами, лаками, мінеральними оливами, гумою, пластмасою.

8. Загальні відомості про неметалеві матеріали

8.1 Деревина, її властивості, структура, сортамент, застосування

Деревину різних порід у машинобудуванні застосовують у натуральному вигляді для виготовлення модельних комплектів: кузовів, вагонів, суден, сільськогосподарських машин, різних апаратів. Широко використовується деревина у виробництві.

Деревина, відносно дешева, володіє достатніми механічними, фізичними і хімічними властивостями. Вона володіє високою міцністю, пружністю, малою густиною, стійка проти органічних кислот, та їх солей, багатьох рослинних та мінеральних олив. Технологічні властивості деревини забезпечують виготовлення з неї виробів. Вона легко обробляється різанням, добре згинається, досить міцно утримує нанесені фарби і лаки.

Недоліком деревини є її анізотропність, гігроскопічність, мала жаростійкість.

Штучні дерево-матеріали (фанера, дерево шаруваті матеріали, деревостружкові матеріали і т.п.) у даний час широко використовуються в народному господарстві.

Лігностон виготовляють гарячим пресуванням чистої деревини або заздалегідь просоченої розчином глюкози під тиском 15-30 МПа і при температурі 403-413 0К, у результаті чого деревина пластифікується.

Лігностон використовують для виготовлення човників у текстильній промисловості, деяких підшипників тощо.

Шпон - тонкі дерев'яні листи. Виготовляють фанеру склеюванням кількох шарів лущеного шпону. Для виробництва водостійкої і міцної фанери використовують фенол формальдегідний клей.

Лігнофоль виготовляють пресуванням зусиллям 11-25 МПа і температурі 383-423 0К з березового шпону, просоченого розчином фенол або крезол формальдегідної смоли. Лігнофоль використовують у електромашинобудуванні як електроізоляційний матеріал, для підшипників ковзання.

Деревостружкові плити складаються з частинок деревини (стружка), просочених розчином фенол формальдегідної смоли і спресованих у гарячому стані. Вони використовуються для різних деталей машин і меблевих

8.2 Пластмаси, їх властивості, структура, застосування

Пластмасами називають матеріали, основу яких становлять синтетичні або природні високомолекулярні сполуки, здатні під впливом нагрівання і тиску формуватися і при охолодженні зберігати надану їм форму. Заміна металів і сплавів пластмасами приводить до економії собівартості виробів від 2 до 10 разів.

Полімери - це речовини, які утворюються за допомогою синтезу (сполучення) простих органічних речовин.

Прикладом такої простої речовини може бути етилен С2Н4 (Н2=СН2). У результаті полімеризації етилену одержують синтетичний продукт - поліетилен (-СН2-).

Полімери можуть бути кристалічної і аморфної будови. Під кристалічною будовою розуміють паралельне розташування ланцюгових молекул у полімері, аморфна будова надає полімерам хаотичного розташування ланцюгів.

Щодо нагрівання полімери розділяють на три групи: термореактивні, термопластичні і термостабільні.

Термореактивні полімери при нагріванні переходять у вўязкотекучий стан, а потім при тій самій температурі у результаті хімічної взаємодії твердіють і стають нерозчинними.

Термопластичні полімери при нагріванні набувають пластичності, а при охолодженні знову переходять у пружно-твердий стан.

Термостабільні полімери при нагріванні зберігають свої фізико-механічні властивості аж до температури їх термічного розпадання.

За складом пластмаси поділяють на прості і композиційні.

Прості пластмаси складаються тільки з полімеру (поліетилен, полістирол та ін.). Композиційні пластмаси - багато полімерні: крім полімеру вони містять наповнювачі, пластифікатори, барвники.

Наповнювачі. За складом їх поділяють на органічні і неорганічні, а за структурою на волокнисті та зернисті.

Наповнювачами служать: деревне борошно, целюлоза, деревний шпон, бавовняні начоси, бавовняні тканини - це органічні наповнювачі; азбестове волокно і тканина, скляне волокно, склотканина, каолін, слюда, кварц, тальк, вапно тощо - неорганічні наповнювачі. Наповнювачі покращують механічні властивості пластмас і знижують їх вартість.

Пластифікатори (складні ефіри, хлоровані вуглеводи та ін.) знижують температуру розм'якшення і склоутворення полімеру, тобто переходу із склоподібного стану у в'язкотекучий.

Поліетилен термопластичний і є твердою, білою, злегка прозорою, жирною на дотик речовиною. Поліетилен використовують: як ізолятор, для виготовлення радіо- і телевізійних установок, деталей хімічної апаратури, труб, цистерн, плівки тощо.

Вироби з поліетилену на повітрі стійкі при температурах від + 333 0 до - 333 0К.

Поліпропілен - продукт полімеризації пропілену СН3-СН = СН2, який добувають при розкладанні нафтопродуктів.

Вироби з пропілену міцні і стійкі проти нагрівання (до 423 0К), проте не дуже морозостійкі (до 308 0К). З пропілену виготовляють труби для гарячої води, плівку, синтетичне волокно тощо.

Поліізобутилен - продукт полімеризації ізобутилену СН2 = С(СН3)2. Він легкий та еластичний, як гума, дуже стійкий проти кислот і лугів. У промисловості його використовують, як ізоляцію і покриттів хімічної апаратури.

Полістирол - продукт полімеризації стиролу С6Н5-СН = СН2. Він водостійкий, має добрі діелектричні властивості, хімічно інертний. Його використовують для виготовлення деталей радіо і електроапаратури, хімічної апаратури і хімічного посуду.

Фторопласти - похідні етилену, де усі атоми водню замінені галогенами. Наприклад, при заміні водню фтором утворюється сполука

СF2 = CF2 тетрафторетилен. Полімеризацією тетрафторетилену одержують фторопласт. Фторопласти використовують для виготовлення сальникових прокладок, втулок, манжетів, деталей хімічної та радіоапаратури.

Фторопласт - біла речовина із слизькою поверхнею, не змочується водою, діелектрик, хімічно стійкий (перевищує всі відомі матеріали), може довго витримувати температуру до 523 0К.

Вініпласт - одержують при обробці поліхлорвінілового порошку (ПХВ). Поліхлорвініл одержують полімеризацією хлорвінілу. Вініпласт використовують для виготовлення акумуляторів та електролізних ванн, для захисних покриттів хімічної апаратури.

Органічне скло - це блочний полімер на основі акрилової кислоти, добутий способом блочної полімеризації. Цей полімер термопластичний, міцний, легший від скла, тому з нього виготовляють вікна літаків і кораблів, оптичні скельця.

Поліформальдегід добувають полімеризацією формальдегіду СН2О. Він міцний, має підвищену ударну в'язкість, пружність, водо- і морозостійкість, малий коефіцієнт тертя. З нього виготовляють деталі для хімічного машинобудування, зубчасті колеса, вкладиші, труби тощо.

Фенопласти. Фенопластами називають пластмаси, добуті на основі фенол альдегідних смол, частіше з наповнювачами. У залежності від виду наповнювача розрізняють порошкові фенопласти і волокнити.

Бавовняні волокнити використовують для виготовлення корпусних виробів.

Азбестові волокнити мають високі фрикційні властивості і термічну стійкість. Їх використовують для виготовлення гальмівних колодок тощо.

Скловолокнити - міцні діелектрики. З них виготовляють деталі кузовів автомобілів, корпуси човнів тощо.

До шаруватих фенопластів відносяться:

- гетинакс (наповнювач папір), текстоліт (наповнювач бавовняна тканина), азбестотекстоліт (наповнювач - азбестова тканина), склотекстоліт (наповнювач склотканина), деревошаруваті пластики (наповнювач - деревний шпон).

Гетинакс використовують для виготовлення панелей, електроізоляторів, ізоляційних шайб, прокладок тощо.

Текстоліт використовують для виготовлення зубчатих коліс, вкладишів, ізоляторів.

Азбестотекстоліт служить для виготовлення деталей, які труться, дисків зчеплення і гальмівних колодок.

Склотекстоліт - надзвичайно міцний діелектрик, використовується як ізолятор.

Амінопласти. Амінопластами називають пластмаси на основі карбомідних смол, які добувають поліконденсацією карбаміду (сечовини) СО(NН2)2 або меламіну С3Н6N6 з формальдегідом. Їх застосовують в основному для виробництва шаруватих амінопластів, а також для прес-порошків, поропластів і клеїв. Із порошкових амінопластів виготовляють телефонні та радіодеталі, автомобільну арматуру тощо.

Целулоїд - є найстарішою пластмасою і являє собою твердий розчин нітрату целюлози у камфорі. Целулоїд випускають технічний (прозорий) і галантерейний. Технічний целулоїд використовують для виготовлення шкал вимірювальних приладів, лінійок, кутників, кінострічок і т.п., галантерейний - для галантереї та іграшок.

Галаліт - виготовляють на основі казеїну, який є продуктом зсідання знежиреного молока під дією спеціальних ферментів або кислот. Галаліт іде на виготовлення ґудзиків та інших галантерейних виробів.

Асфальтопекові пластмаси. Такі пластмаси найбільш дешеві. Звўязуючими при їх виробництві є бітуми і кам'яновугільний пек, а наповнювачами - бавовняні начоси, інфузорна земля та ін. З них виготовляють акумуляторні баки, кислототривкі труби і ємності, теплоізолятори та ін.

8.3 Гума та гумові вироби

У машинобудуванні гумові вироби використовують для рухомих пристроїв (шин, приводних пасів, трубок, шлангів, рукавів, ущільнювачів, кілець, прокладок тощо).

Сира гума складається з каучуку (5-95 %). Суміші містять помўякшувачі, наповнювачі, вулканізуючі речовини, речовини проти старіння, барвники.

Каучук розрізняють природний і штучний. Помўякшувачі - (стеарин, олеїнова кислота) підвищують пластичність сирої гуми і мўякість гумових виробів.

Наповнювачі підвищують твердість і міцність гумових виробів. До них належать сажа, окис цинку, крейда, каолін та ін., а також рукавні тканини, кордові тканини, стальні дротики.

Як вулканізуючу речовину застосовують сірку. Для вулканізації відформовані напівфабрикати із сирої гуми нагрівають до температури близько 413 0К і піддають пресуванню.

Сповільнювачі старіння (парафін, вазелін та ін.) сповільнюють процес окислення каучуку, підвищують стійкість і збільшують термін служби гумових виробів.

8.4 Скло і скляні вироби.

Скло - це аморфна речовина, яка утворюється в результаті швидкого застигання силікатного розчину. Основна сировина, яка використовується для варіння скла: кварцовий пісок, борна кислота, бура, крейда, вапняк, мармур, доломіт, сода, сірчанокислий натрій і поташ.

Допоміжні матеріали:

- Освітлювачі - окисли миш'яку, натрієва селітра.

- Барвники - окисли селену, хрому, кадмію, золота.

- Відновлювачі - магній, алюміній, деревне вугілля, кокс.

- Глушники - кріоліт, плавиковий шпат.

Скло варять у спеціальних печах, викладених з вогнетривкої цегли. Паливом служить газ, мазут та ін.

Вироби із скла одержують: видуванням, витягуванням, пресуванням, литтям і прокатуванням.

Для знищення внутрішніх напружень вироби із скла піддають відпалу (нагрівання до 773-873 0К і повільне охолодження). Для підвищення міцності загартовують (нагрівання до 788-893 0К і швидке охолодження стиснутим повітрям), а також армують, або до нього добавляють спеціальні компоненти (молібден, вольфрам).

Скло використовують майже в усіх галузях промисловості.

8.5 Клеї та їх застосування

Клеї - це розчини природних або штучних високомолекулярних речовин. Вони бувають рослинні, тваринні і синтетичні. Для склеювання прилеглі поверхні деталей повинні бути змочені клеєм і міцно прилягати одна до одної. Затвердіння клею відбувається при випаровуванні розчинника або у результаті хімічних реакцій.

Рослинні клеї - крохмаль, декабрин, природний каучук, каніфоль та ін. Їх використовують для склеювання паперу, шкіри, тканини. Вони бувають у вигляді розчинів і твердіють при випаровуванні розчинника.

Тваринні клеї застосовують для з'єднання дерева, шкіри, паперу. До цих клеїв належать казеїновий і столярний. Такі клеї застосовуються у вигляді розчинів і твердіють при випаровуванні розчинника. Вони слабостійкі у воді.

Синтетичні клеї пов'язані з розвитком виробництва пластмас. По мірі розвитку виробництва пластмас розробляють нові марки синтетичних клеїв. Ці клеї водостійкі та не руйнуються плісеневими грибками.

Клеї на основі ефірів целюлози застосовують для склеювання паперу, тканин, шкіри, гуми, пластмас. Твердіють вони при випаровуванні ефірів.

Клеї на основі конденсаційних смол твердіють у процесі завершення поліконденсації під дією хімічних реагентів або при нагріванні, у результаті утворюються тверді і нерозчинні продукти - резити з високою теплостійкістю (до 673 0К). Такіі клеї застосовують для склеювання металів, пластмас, шпону.

Клеї на основі полімеризаційних смол є полівінілові ефіри, поліакрилати і застосовуються у вигляді розчинів в ацетоні, оцтово-етиловому ефірі та ін. Твердіє клей при випаровуванні ефірів. Такі клеї застосовують для склеювання скла, кераміки, гуми, пластмас, картону та ін.

8.6 Лаки і фарби

Лаки і фарби найпоширеніші матеріали для захисних і декоративних покриттів. Лаки складаються з нелетючих речовин - плівкоутворювачів і з летючого розчинника. Їх виготовляють на основі природних або синтетичних смол. Як розчинники застосовують ефірні оливи, спирти, бензин, жирні оливи, скипидар та ін. Плівки лаків прозорі.

Суміші лаків з різними пігментами називають фарбами, які більш стійкі, ніж лаки. Пігментами можуть бути руди металів, глини та інші гірські породи. Забарвлення пігментів визначають оксиди заліза, марганцю та інших металів, а також органічні речовини. Залежно від характеру лаку емалеві фарби поділяють на олійні емалі (це фарби на оливових лаках), нітроемалі (на лаках з ефірів целюлози), спиртові емалі (на спиртових лаках).

Крім лаків і фарб для покриттів використовують допоміжні матеріали: шпаклівки для вирівнювання поверхні, ґрунти для покриття поверхні першим шаром, змивні рідини та ін.

Література

1. А.Е. Лейкін, Б.І. Родін. Матеріалознавство, “Вища школа”. М., 1971.

2. Г.А. Глазов. Технологія металів та інших конструкційних матеріалів. “Машинобудування”, Л., 1972.

3. О.К. Сучков. Технологія металів і конструкційні матеріали. “Металургія”, М., 1972.

4. Г.П. Сальников. Технология машиностроения и конструкционные материалы. К., 1974.

5. В.І. Добровольський, М.Г. Чумак. Технологія металів та інших конструкційних матеріалів. “Вища школа”, К., 1980.

6. С.І. Алаі., П.М. Григор'єв, А.Н. Ростовцев. Технологія конструкційних матеріалів. “Просвещение”, М., 1980.