Курс лекций специальность 280104. 65 «Пожарная безопасность»


Термомеханическая обработка и поверхностное упрочнение детали



жүктеу 1.39 Mb.
бет5/7
Дата02.04.2019
өлшемі1.39 Mb.
түріКурс лекций
1   2   3   4   5   6   7

5.4. Термомеханическая обработка и поверхностное упрочнение детали

Кроме рассмотренных способов упрочнения поверхностного слоя проведением закалки ТВЧ и ХТО, в технике широко используют методы механического и термомеханического упрочнения деталей машин. Из наиболее широко применяемых методов следует отметить обработку дробью и контактную обработку деталей роликами с током с одновременной подачей охлаждающего раствора. При дробеструйной обработке удары летящей дроби вызывают пластическую деформацию поверхностного слоя на глубину 0,15 - 0,30мм, образуя наклепанный - более твердый слой с сжимающими напряжениями. За счет этого повышается усталостная прочность, Поэтому особенно благотворно действует дробеструйная обработка на детали, работающие при знакопеременных нагрузках, на концентраторы напряжений. Поэтому такой обработке обычно подвергаются рессоры, пружины, торсионные валы, коленчатые валы, пальцы гусениц и т.д.

ТМО относится к комбинированным способам обработки. Она заключается в том, что ток через трансформатор подводится к медным роликам, которые перекатываются по поверхности детали и нагревают место контакта при одновременном воздействии давления и душевого охлаждения.
6. Коррозия металлов и сплавов. Способы защиты пожарной техники от коррозии

6.1. Сущность коррозии и её виды.

Коррозия-это разрушение металлических деталей вследствие химического взаимодействия с окружающей средой. При этом, участки металла, подвергшиеся коррозионному разрушению, полностью теряют свои механические свойства.

В результате коррозии ежегодно теряется от 1 до 1.5% всего используемого металла. Прямые потери, связанные с воспроизводством и заменой оборудования вследствие коррозии, составляют в масштабах только нашей страны 12-14 млрд. рублей в год. Общие же потери от коррозии превышают 40 млрд. в год. Принято считать, что в индустриально развитых странах убытки от коррозии составляют 2-4% национального дохода. Причём эти потери имеют тенденцию к росту. Он связан:

1) с ростом металлофонда;

2) с увеличением в технике и технологии таких параметров как температура, давление, скорость, агрессивность среды;

3) с повышением загрязненности коррозионно-активными веществами окружающей среды (атмосферы, воды, почвы).

В связи с изложенным, можно сказать, что проблема коррозии металлов и сплавов и разработки методов и средств борьбы с ней носит глобальный характер.

Для пожарной техники она особенно актуальна, т.к. сроки эксплуатации техники весьма значительны и сохранение её в приведённых выше условиях, задача не только актуальна и достаточно сложна.

Поэтому данному вопросу в подразделениях ПО уделяется большое внимание.

Как отмечено ранее коррозия может протекать вследствие чисто химических реакций металла с окружающей средой, либо благодаря электрохимическим процессам, происходящих на границе раздела металла с внешней средой. Исходя из этого механизма воздействия на металл различают 2 вида коррозии: химическую и электрохимическую. Характер разрушения металла от коррозии может быть разным. Коррозия может быть: сплошной, когда повреждению подвергается весь поверхностный слой и местной, когда подвергаются отдельные участки поверхности; межкристаллическая, когда повреждается металл по границам зёрен-кристаллов. Отличается коррозия и по условиям её протекания. Наиболее типичные виды коррозии следующие:

1.Атмосферная.

2.Подземная.

3.Блуждающим током.

4.Контактная.

5. Биокоррозия.

6.При полной нагружении.

7.При неполном нагружении.

8.Щелевая.

9.Растрескивание.

10. Газовая.

11.Морская.
6.2. Способы защиты (предохранения) металлических поверхностей от коррозии

Для борьбы с коррозией применяются различные способы, учитывающие особенности не только самого металла, но и условия его эксплуатации. Поэтому нет какой-либо единой системы выбора и применения мер защиты от коррозии. В практике борьбы с коррозией наиболее распространены следующие группы способов защиты поверхностей деталей машин и оборудования:

1 .Покрытия неметаллическими веществами;

2.Металлические покрытия;

3.Диффуззионное насыщение поверхностного слоя;

4.Покрытия плёнками окислов(химические покрытия);

5.Применение ингибиторов коррозии;

6.Использование органосиликатов;

7.Создание коррозионно-стойких сплавов.

Покрытия неметаллическими веществами среди других способов защиты нашли наибольшее распространение в практике защиты пожарной техники. Сюда относятся нанесение на поверхность деталей красок, лаков, противокоррозионных паст, защитных смазок, пластмасс.

Этот способ имеет ряд преимуществ перед другими видами защиты: простота нанесения, доступность, возможность подновления и ремонта в условиях эксплуатации, возможность сочетания с другими способами защиты и т.д.

Однако этот способ не может считаться универсальным т.к. покрытия неметаллическими веществами, особенно лакокрасочные, обладают ограниченной паро-, газо- и водонепроницаемостью, а также недостаточной термостойкостью, хотя последний недостаток устраняется применением кремнийорганических смол, выдерживающих нагрев до 250-300°С. Опыт эксплуатации пож. машин показывает, что лакокрасочные покрытия могут длительное время успешно выполнять свои функции, если за ним имеется определённый уход.

Уход за лакокрасочным покрытием предусматривает прежде всего предупреждение его механического повреждения. Если в результате механических повреждений покрытие даже не полностью разрушается, а образуется лишь трещины или царапины, то они не защищают поверхность металла, а наоборот способствуют проникновению влаги и дальнейшему разрушения покрытия и развитию коррозии. Поэтому при появлении царапин, трещин они должны затираться пастой (воском), лаком и другими антикоррозионными средствами.

Солнечные лучи оказывают заметное разрушающее действие на лакокрасочные покрытия. Под их влиянием происходит изменение цвета пигмента, выделение его на поверхность покрытия, а также разрушение плёнкообразователя, его растрескивание. В связи с этим, длительное нахождение автомобиля на солнце недопустимо.

Нежелательно также, чтобы на окрашенной поверхности длительное время находилась влага. Во-первых, присутствующие в воде соли и другие вещества взаимодействуют с покрытием, изменяя его свойства, в том числе может происходить и прямое разъедание покрытия. Во-вторых, в осенне-зимний период влага, попавшая в микротрещины замерзает и усиливает растрескивание покрытия. Поэтому после мойки окрашенной техники её необходимо протереть насухо.

Нежелательно попадание на окрашенные поверхности лёгких нефтепродуктов. Особенно чувствительны к нефтепродуктам покрытия с масляно-смоляными плёнкообразователями (глифталевые, пентафталевые эмали и др.). Нитроэмали и краски более стойки к нефтепродуктам, но пользоваться этим без ограничения нельзя.

Любое длительное загрязнение покрытия грязью, пылью разрушающе действует на покрытие. Основными операциями ухода за лакокрасочными покрытиями являются удаления загрязнений с поверхности, нанесение жирной или восковой плёнки при хранении, восстановление блеска путём полировки. Причём полировку нельзя производить на нагретой поверхности, в туман, дождь, на солнце. При наличии на покрытии глубоких и сквозных трещин, которые полированием устранить невозможно, должно быть немедленно осуществлено их восстановление. Причём восстанавливаться оно должно с применением грунтовки. Простая, подкраска не предохраняет поверхность.

В последние 10-15 лет для защиты металлических деталей автотракторной техники широко используются различные антикоррозионные составы. Так для обработки нижних частей автомобилей применяется: автоантикор-2 битумный, автоантикор эпоксидный, мастика сланцевая МСА-3, автоантикор эпоксидно-каучуковый, а также импортные: тектил-122А (США, Швейцария), Финикор-845 (Финляндия) и др.

Закрытые полости кузовов легковых автомобилей обрабатывают специальными антикоррозионными составами. Например: Мовиль, Резистин-МЛ, НГМ-МЛ и др., которые хорошо проникают в сварные швы, стыки, зазоры и обладают высокой пропитывающей и водовытесняющей способностью.

Всё более широкое применение для защиты поверхностей техники от коррозии находят пластмассы. Металл с нанесённым пластмассовым слоем называется металлопластом. А процесс нанесения пластмассовой плёнки на металл называется плакированием. Плёнку с металлом соединяют при помощи клея. Для металлопластов обычно используют полиэтилен, поливинилбутироль, полиамиды, а также термоактивные смолы. В заводских условиях металл может защищаться нанесением пластмассовых порошков при t=210-220 °С или полиамидных (капроновых) порошков (260-270)oC.

В практике для защиты мелаллоповерхностей от коррозии следует отметить также применение органосиликатов, поскольку в исходном состоянии они находятся в виде суспензий ( т.е. в текучем жидком состоянии) и могут наноситься на защищаемые поверхности кистью, валиком, пульверизатором. Их получают на основе кремнийорганических полимеров (лаки) с добавкой пигментов, окислов, слюды, талька, асбеста. Они быстро затвердевают при нормальных условиях, легко обрабатываются. При подвергании их нагреванию превращаются в керамику,становясь термо и даже жаростойкими.

Все другие способы, отмеченные ранее, также находят широкое применение, но их реализация осуществляется лишь в заводских условиях, т.к. требует применения специального оборудования и осуществления определённых технологических процессов. В связи с этим ниже даются лишь краткие сведения о их сущности.

Металлические покрытия - нанесение на защищаемую поверхность другого металла горячим или гальваническим способом.

Горячий способ заключается в том, что изделие с обработанной и очищенной поверхностью погружают в ванну с расплавленным наносимым металлом (оцинкование, лужение оловом, свинцевание). На автомобилях оцинковывают кузовные и крепёжные детали, покрывают оловом ленту для трубок радиаторов, освинцовывают наконечники зажимов проводов электрооборудования, топливные баки.

Гальванический способ заключается в осаждении на изделие тонкого слоя металла из его соли под действием электрического тока (хромирование, никелирование).

Диффузионное насыщение поверхностного слоя заключается в насыщении его различными элементами, вступающими в химическую реакцию с основным металлом и образованием окислов или стойких элементов (плакирование, алитирование, цементация).

Покрытие плёнками окислов. Их бывают 2 разновидности: оксидирование и фосфатирование.

Оксидирование (воронение) применяется для защиты чёрных металлов путём придания их поверхности оксидной плёнки погружением в кипящий водный раствор, содержащий едкий натрий, селитру и перекись марганца. Полученная плёнка весьма стойка на сухом воздухе и менее стойка в воде и на сыром воздухе.

Фосфатирование - способ защиты путём образования на поверхности стальных изделий защитной плёнки фосфорнокислых соединений железа и марганца. Ведётся аналогично воронению.

Создание коррозионно-стойких сплавов осуществляется введением в сталь легирующих добавок хрома, никеля, алюминия, кремния, вольфрама и др.

В последние годы всё шире применяются ингибиторы коррозии, т.е. вещества, которые при добавке в агрессивную среду тормозят коррозию. Их добавляют в охлаждающие жидкости, топливо, масла и т.д.
7. Неметаллические и композиционные материалы

Одним из эффективных путей снижения металлоемкости конструкций, уменьшения их массы, повышения надежности и долговечности является применение конструкционных неметаллических материалов как природного происхождения, так и искусственно созданных. К таким материалам относятся прежде всего искусственные неорганические материалы – силикатные (кремне – органические соединения) – силикатные стекла, керамика и фарфор и искусственные материалы органического происхождения – пластмассы на основе синтетических смол (полиэтилен, поливинил - хлорид, фторопласты, капрон и др.), каучук и резины и др.

Следует отметить некоторую ошибочность мнения о том, что пластмассы являются заменителем металла. Пластмассы как и другие неметаллические материалы, по ряду свойств являются серьезными конкурентами металлов. Так, их прочность в некоторых случаях достигает 1600-2100 МПа (160-210 кг/мм2). Многие из них по химической стойкости превосходят металлы, в том числе и по теплостойкости.

Тем не менее, нужно иметь в виду, в целом неметаллические материалы уступают металлам по прочности. Это ограничивает их самостоятельное применение в условиях действия повышенных механических нагрузок. Подавляющее большинство этих материалов, особенно пластмасс можно эксплуатировать при температурах, не превышающих 150-200 оС, а то и ниже. Значит речь идет, прежде всего, не о заменителях металлов вообще, хотя в отдельных конструкциях это так и есть, а о материалах имеющих самостоятельное значение или дающих хороший эффект в сочетании с металлами.


7.1 Пластмассы и их применение в пожарной технике

Пластмассами называют искусственные материалы на основе природных или синтетических высокомолекулярных органических веществ. В большинстве своем это сложное многокомпонентные композиции. В более полном виде пластмассы состоят из полимера (связующего), наполнителя, пластификатора, красителя, стабилизатора, отвердителя, катализатора, смазывающего вещества.

Вводимые добавки придают пластмассам необходимые свойства. Так, наполнители, призваны, в основном, улучшать физико-механические свойства. Поскольку они дешевле высокомолекулярных веществ, то снижают стоимость пластмасс. Такие наполнители как сажа, графит, кроме прочности, повышают тепло и электропроводность материалов.

Пластификаторы придают материалу пластичность и эластичность, облегчают переработку в изделия.

Стабилизаторы придают устойчивость к химическому разрушению высокомолекулярной основы под воздействием света, тепла, кислорода, влаги, механического воздействия.

В качестве наполнителей (40-70% по массе) могут применятся – кварцевая мука, асбестовое волокно, ткани, бумага и т.д.

Полимер является основой любой пластмассы, он связывает все компоненты пластмассы в монолитное целое, придает ей главные свойства.

В зависимости от способа получения полимеры делятся на природные, искусственные и синтетические.

В настоящее время при производстве пластмасс наиболее часто используются синтетические полимеры (смолы) и значительно реже искусственные (эфиры, целлюлозы) и природные полимеры (каучук, асфальты и канифоль). В зависимости от поведения при повышенных температурах все синтетические полимеры делятся на термореактивные и термопластичные.

Существует несколько тысяч различных типов и марок пластмасс, различающихся входящими в их состав полимерами и различными добавками, их соотношением, физико-механическими и физическими свойствами.

Общепринятой единой научной классификации не существует, более того один и тот же пластик может иметь различные названия, не дающие каких либо представлений о свойствах материала.

В зависимости от наличия и количества наполнителя пластмассы делятся на простые и сложные (композиционные). В сою очередь композиционные материалы подразделяются по виду наполнителя: с порошкообразным наполнителем (пресс - порошки), с волокнистым наполнителем (волокниды), с тканевым и листовым наполнителем (слоистые пластики), газо – наполненные и т.д. Различают композиционные пластмассы и по химической природе наполнителя: стеклопластики, углепластики, пластики с древесным наполнителем, хлачатобумажным наполнителем, с минеральным наполнителем (кварцевая мука), синтетическими волокнами (капроновые, фторолоном, полипропиленом и др.). Существует деление пластмасс по типу связующего полимера. Так, пластики на основе фенольных и феноло-альдегидных смол носят название фенопластов, на основе эпоксидных смол – эпоксипласты, на основе полиамидных смол - амидопластов. По отношению к нагреванию пластмассы подразделяются на термореактивные и термопластичные.

С точки зрения технологических свойств полимерных материалов (общность методов переработки в изделия, механическая обработка, способы соединения – сварка или склеивание) наиболее общей и удобной является классификация по отношению материала к нагреванию и по виду наполнителя. Поэтому ниже приводятся краткие сведения по пластмассам применительно к данным соображениям.
7.1.1. Пресс-порошки и пресс-материалы.

Пресс-порошками называется композиционные пластмассы с порошкообразным наполнителем (древесная мука, целлюлоза, кварцевая мука, микроасбест и др.).



Пресс-материалы – это пластмассы с волокнистыми наполнителями (хлопковые очесы, асбестовые, стеклянные, хлопчатобумажные волокна и др.). В качестве связующих применяют различные полимеры – синтетические смолы: феноло-формальдегидные, карбамидные, эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические и др. Эти оба вида материала относятся к термореактивным пластмассам и предназначены для переработки в изделия методом прессования. Из таких материалов изготавливаются корпуса приборов, различные панели, рукоятки, радио и электротехнические изделия, подшипники скольжения, тормозные колодки, доски, детали насосов, краны, трубы и изделия бытового назначения.
7.1.2. Высоконаполненные конструкционные пластмассы

К таким пластмассам относятся материалы у которых доля наполнителя доходит до 70-75% от массы. В таких высоконаполненных материалах армирующий наполнитель вводится в виде листов, тканей, непрерывных волокон, укладываемых послойно. Их обычно называют сложными пластиками. Типичным представителем этих материалов являются: древесно-слоистые пластики (ДСП), бумажно-слоистые пластики, наполнителем которых являются высококачественные хлопчатобумажные или шелковые ткани, связанные феноло-формальдегидной смолой; стеклотекстолиты (стеклопластики) – слоистые пластики, основу которых составляют ткани, полученные из стеклянных волокон.

Свойства стеклопластиков определяются типом связующего, химического состава и структурой стеклянного наполнителя, соотношением между связующим и наполнителем, характером укладки и ориентации наполнителя условиями отверждения и др. Поэтому свойства данной группы материалов весьма разнообразны, а области их применения также весьма разнообразны.
7.1.3. Газонаполненные пластмассы

Газонаполненные пластмассы это легкие материалы, которые получают вспениванием эмульсии и раствора полимера воздухом или газом, либо газами, выделяющимися в процессе отверждения полимера, либо разложения пенообразователя. Свойства газонаполненых пластмасс определяются структурой, физико-механическими и химическими свойствами исходного полимера. Широкое применения получили материалы на основе полистирола, поливинилхлорида, полиуретана, фенольных смол. Различают пенопласты и поропласты. У пенопластов микроячейки, заполненные газом, не сообщаются между собой, у поропластов сообщаются. У первых плотность менее 0,3 мг/см3, у вторых более 0,3 мг/см3. Основное применение газонаполненных пластмасс – тепло и звуко изоляция различных отраслях техники.

Пенопласты применяют для изготовления плавучих и трудно затопляемых средств, предметов домашнего обихода, а так же для изготовления легко армированного материала.
7.2. Классификация, состав и область применения резины

Резинами называются высокомолекулярные материалы, которые получают при вулканизации смеси натурального или синтетического каучука с различными наполнителями.

В состав резиновой смеси входят следующие инградиенты: каучук, вулканизирующие агенты, наполнители или усилители, красители, мягчители и др.

В зависимости от назначения в резину может входить лишь часть перечисленных инградиентов, но в её составе всегда содержатся каучук и вулканизирующий агент.

Каучук является основой резиновой смеси и определяет качество резины.

В автомобильных шинах содержание каучука составляет – 50-60% (по массе. Шинные заводы используют примерно 60% производимого в стране каучука. Имеется два вида каучуков: натуральный и синтетический.

Натуральный каучук добывается главным образом из млечного сока каучуконосного дерева гевеи, в котором он содержится до 40%. В нашей стране такими растениями являются кок-сагыз и тау-сагыз. Он более дорогой, поэтому из него чаще всего изготавливают только отдельные детали шин или резины для ответственных (противогазы) целей.

Доля синтетического каучука в шинном производстве составляет 85% и продолжает возрастать. В первые СК был получен академиком С.В.Лебедевым в 1932 г.

Наполнители снижают расход каучука и улучшают физико-механические свойства резин. В качестве наполнителей применяют порошки (мел, сажу, тальк, окись цинка), ткани из хлопка, шелка, капрона или нити из натуральных и синтетических волокон, металлическую проволоку или сетку, стеклоткань.

Мягчители (парафин, стеариновая и олеиновые кислоты, канифоль) служат для облегчения процесса смешения резиновой смеси при ее приготовлении, придания резине мягкости и морозоустойчивости.

Противостарители замедляют окислительные процессы, протекающие при переработке и эксплуатации резин. Ускорение процесса вулканизации достигается введением в резиновую смесь окиси цинка, свинцового глета, окиси магния и др.

Процесс вулканизации сырых резин осуществляется при нагревании до Т=100-150 0С.

В зависимости от количества серы в резине, играющей активную роль при вулканизации, резины различают мягкие (2-4%), жесткие-полуэбониты (12-13% ) и эбониты(30-50%).

По назначению резины классифицируют на резины общего назначения (производство шин, рукавов, амортизаторов, пористой губчатой структуры) и специальные (химически стойкие, бензо-маслостойкие, морозостойкие, газонепроницаемые и т.д.).

Как конструкционный материал резины, благодаря таким своим свойствам как высокая эластичность, высокое сопротивление разрыву и износу, газонепроницаемость и водонепроницаемость, химическая стойкость, морозоустойчивость и т.д. нашли широкое использование в самых различных областях. Это, прежде всего шины, пожарные рукава, шланги и патрубки, транспортерные ленты, приводные ремни, манжеты и сальники и т.д.

Широко используется резина для гуммирования, т.е. обкладки сырой резиной сталей, бетона, дерева, цветных металлов, дерева с последующей ее вулканизацией.


7.3. Композиционные материалы

7.3.1. Композиционные материалы и их классификация

Композиционными материалами или композитами называют материалы, состоящие из сильно различающихся по свойствам друг от друга, взаимно нерастворимых компонентов.

Традиционно применяемые сплавы в известной, мере достигли своего предела конструкционной прочности. Развитие современный техники требует создания материалов, надежно работающих в сложной комбинации силовых и температурных полей, при воздействии агрессивных сред, излучений, глубокого вакуума и высоких давлений. Поэтому создание композиционных материалов является большой необходимостью. Композиционные материалы позволяют:

- создать элементы конструкций с заранее заданными свойствами, высокой технологичностью и малой массой;

- создать материалы с качественно новыми свойствами и не только повышать эксплуатационные характеристики существующих конструкций, но и создавать принципиально новые конструкции, недоступные при применении традиционных материалов.

Композиционные материалы достаточно широко используются для производства летательных аппаратов, в машиностроении, приборостроении, энергетики, в электронной, радиотехнической и электротехнической промышленности, на транспорте, в строительстве и других отраслях. Обычно композиционные материалы состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, являющихся упрочняющими наполнителями. Матрицы связывают композицию и придают ей нужную форму. В зависимости от материала матрицы различают композиционные материалы с металлической матрицей или металлические композиционные материалы (МКМ), с полимерной матрицей (ПКМ) и с керамической матрицей (ККМ).

По типу упрочняющих наполнителей КМ подразделяют на:


  1. дисперсно-упрочненные;

  2. армированные;

  3. слоистые.

Дисперсно-упрочненные материалы это спеченные материалы, представляющие собой металлическую матрицу, упрочненную включениями тугоплавких соединений.

Дисперсионное упрочнение позволяет повысить жаропрочность материала в том случае, когда легирование и термическая обработка металла становиться уже не эффективным.

Установлено, что наиболее эффективное упрочнение обеспечивается при содержании фазы – упрочнителя 3-15% по объему и размеру частиц до 1 мкм. Наиболее распространенными дисперсно-упрочненными материалами являются материалы типа САП (спеченная алюминиевая пудра, содержащая равномерно распределенные включения оксида алюминия). Алюминиевый порошок получают распылением расплавленного алюминия с последующим измельчением в шаровых мельницах в присутствии кислорода. В России изготавливают САП 4 марок: САП-1, содержащий оксидную фазу 7%, САП-2 10-11%; САП-3 13-14% и САП-4 20-23%. Включения оксида алюминия не растворяются в алюминиевой матрице и не коагулируют в ней до предплавленных температур, обеспечивая САП высокую жаропрочность. Испытания показали, что САП не теряет прочности при нагреве до 550 оС. Частицы порошка САП сохраняют свою форму даже при 1000 оС, если не подвергаются механическому воздействию. Другой распространенный дисперсно-упрочненный материал – ТД - никель. Он состоит из никелевой матрицы с включениями диоксида тория (2%).

Выпускают также аналогичные материалы с нихромовой матрицей и др.

Армированные или волокнистые композиты имеют упрочнение матрицы не дисперсными частицами, а волокнами. Содержание волокон достигает 35-60%.В качестве армирующих волокон используют собственно волокна (природные и искусственные), тонкую проволоку и усы, изготовленные из вольфрама, стали, графита, бора, бериллия и т.д. Волокна, используемые в качестве арматуры, должны иметь следующие свойства: высокую температуру плавления, малую плотность, высокую прочность, химическую стойкость, отсутствие токсичности. Волокнистые композиты получают методами порошковой металлургии. Матрица в армированных композициях придает форму и делает материал монолитным. Наибольшее распространение получили композиции алюминий - металлическая проволока в1500 МПа.

Перспективным материалом является алюминий – бериллиевая проволока, алюминий – волокно бора (в2800-3500 МПа).

Слоистые композиционные материалы набираются из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала (тип «сэндвича»).

Слои волокон в таком материале могут иметь различную ориентацию. Возможно поочередное использование слоев матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.

Керамико-металлические материалы – это материалы, содержащие более 50% (по объему) керамической фазы и металлическую фазу. Их обычно получают методом порошковой металлургии по схеме: подготовка смеси порошков, формование, спекание и в ряде случаев – пропитка. В качестве керамической фазы обычно используют тугоплавкие бориды, карбиды, оксиды и нитриды, а в качестве металлической фазы – кобальт, никель, тугоплавкие металлы, стали. Керметы отличаются высокой жаростойкостью, износостойкостью, прочностью, твердостью.

Керметы на основе боридов циркония и хрома, карбида хрома, оксида алюминия используют для изготовления деталей конструкций, работающих а агрессивных средах при высоких температурах (лапотки турбин). Наиболее распространены керметы типа оксида алюминия – металл. Они отличаются хорошим сочетанием тепловых, механических и электрических свойств.

Причем любая фаза в них, в зависимости от состава, может быть непрерывной или прерывающейся.
7.3.2. Прочность композиционных материалов и область их применения

Прочность композиционных материалов обеспечивается (зависит) как матрицей, так и наполнителем.

Матрица является основным несущим элементом. Поскольку армирующим в таких материалах является волокна различной формы, а именно нити, ленты, сетки различного плетения, то прочность материала будет определятся прочностью армирующих волокон, воспринимающих основную нагрузку. Матрица дает большой прирост прочности. Матрица придает изделию форму и делает материал монолитным. Она обеспечивает прочность и жесткость композиции при действии растягивающей или сжимающей нагрузки. Однако основную роль в материале несут упрочняющие наполнители. Здесь чем меньше частицы наполнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее композиционной материал. Обычное холодное прессование обеспечивает максимальную плотность 84-85% и прочность после спекания на уровне 50% прочности кованного материала примерно того же сплава. Высокоскоростное холодное прессование позволяет достигать плотности 94-95% и относительной прочности 75%.

Прочность САП примерно в 5 раз выше, чем у алюминиевых сплавов. При 20 оС в380 МПа =7%. При 200 оС в235 МПа =5%.

Сплавы типа САП применяются в авиатехнике для изготовления деталей с высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью работающих при температурах до 300-500 оС. Из них изготавливают штоки поршней, лопатки компрессоров, оболочки тепловыделяющих элементов и трубы теплообменников. Прочность армированных композиционных материалов на основе алюминия, армированной стальной проволокой в1500 МПа при КСИ = 0,4-0,6 МДж/м2.

Для материалов на основе алюминия, упрочненного различными количествами борных волокон в с 10% волокон = 300-380 МПа, в с 30% =700-900 МПа при =0,7%; в с 50% по объему = 1100-1400 МПа при =0,6%.

Алюминиевые сплавы, армированные стальной и бериллиевой проволоками, применяются для изготовления корпусных деталей ракет и топливных баков. Сплавы Al – волокна бара находят применения для изготовления горизонтальных и вертикальных стабилизаторов рулей, обшивки крыльев, элементов хвостового оперения, лонжеронов в самолетостроении. Композит алюминий – углеродные волокна применяются в конструкциях топливных баков современных истребителей, благодаря чему их масса уменьшается на 30%. Этот же материал используется для изготовления лопаток турбин авиационных газотурбинных двигателей.
8. Основы металлургического производства

8.1. Металлургия чугуна

8.1.1. Исходные материалы для производства чугуна

Исходными материалами для производства чугуна являются: железная руда; флюсы; топливо и воздух.

Железная руда – это горная порода, содержащая железо в таких количествах, при которых ее технически и экономически целесообразно перерабатывать. Руда состоит из окислов железа с кремнеземом (SiO2), глиноземом (Al2O3), окисью кальция (CaO), окисью магния (MgO), а так же вредных примесей – серы, фосфора, мышьяка и др. Эти смеси образуют так называемую пустую породу. Руды, содержащие свыше 50% железа, называются богатыми, до 50% - железные руды бедные. Для производства чугуна используют руды следующих основных типов: магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк, шпатовый железняк, железистые кварциты (магнезит, гематит)

Магнитный железняк содержит железо в виде окисла Fe3O4 до 70%. Обладает магнитными свойствами. Встречается в чистом виде и с примясями серы (железный колчедан) или фосфора (апатиты). Пустая порода состоит преимущественно из SiO2.

Бурый железняк содержит в себе водную окись железа 2Fe2O3x3H2O. Железа в нем около 20%. Пустая порода имеет разнообразный состав, содержит фосфор и серу.

Красный железняк, содержит 45-60% железа и представляет собой безводную окись Fe2O3. Пустая порода состоит главным образом из кремнезема SiO2 и известняка CaCO3.

Шпатовый железняк, содержит железо (30-40%) в виде карбоната FeCO3. В состав пустой породы входят SiO2; Al2O3; MgO.

Флюсы – это материалы, вводимые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы железной руды и шлаковой золы топлива. При сплавлении пустой породы и золы с флюсом образуется легкоплавкий шлак, который удаляется из печи в жидком состоянии. Выбор флюсов зависит от химического состава пустой породы. Если пустая порода имеет песчано-глинистой характер, то в качестве флюсов применяется известняк CaCO3, реже доломит CaCO3МgCO2. При известковой пустой породе флюсами служит кремнезем, кварц или песчаник SiO2.

Основным видом топлива, используемым при плавке чугуна, является кокс и природный газ. Кокс – кусковое, прочное высокопористое топливо – получаемое путем спекания коксующихся каменных углей, удаляя из них летучие вещества. Коксование углей производится в специальных печах, прокаливая измельченный уголь без доступа воздуха при 950-1100 оС в течении 15-18 часов. Для доменной печи применяют куски кокса величенной 25-60 мм. Кокс дорогое и дефицитное топливо. Запасы коксующихся углей невелики и составляют 8-12% всех запасов. Стоимость кокса составляет 45-55% себестоимости чугуна. Поэтому разработана и применяется технология производства чугуна с частичной заменой кокса природным газом. Наиболее эффективно применение газа в сочетании с высокотемпературным дутьем, обогащенным кислородом.

Очень редко в доменных печах небольшого объема (200-300 м3) при выплавке высококачественного чугуна находит применение древесный уголь. Его малое применение обуславливается малой прочностью и сопротивлением истиранию.

Расход воздуха (дутья) при производстве чугуна достаточно велик. На 1 тонну чугуна расход составляет около 3000 м3.

Значение дутья очень велико. Крупнейшим усовершенствованием явилось обогащение воздуха кислородом, повышения его температуры и давления. Повышение содержания кислорода в дутье на 1% увеличивает производительность печи на 21-25%, а при увеличении на 2,2% производительность возрастает 31-35%.


8.1.2. Домна и доменный процесс

Чугун выплавляется в шахтных печах называемых доменными печами. Схема печи показана на рис. 8.1.



Рис 8.1. Устройство доменной печи (а) и распределение температуры по высоте печи (б)

Верхняя цилиндрическая часть, служащая для загрузки плавильных материалов и отвода газа называется колошником. Ниже коломника расположена коническая часть печи – шахта, которая расширяется к низу для обеспечения опускания материалов и лучшего распределения газов по поперечному сечению печи. Ниже шахты следует цилиндрическая часть распар. Под ним расположена часть печи в виде усеченного конуса с меньшим нижним основанием, называемая заплечиками. Заплечики имеют такую форму из-за сокращения объема шихтовых материалов в результате образования жидких продуктов плавки. Нижняя цилиндрическая часть доменной печи называется горном. В верхней части горна происходит сжигание кокса, а внизу собираются продукты плавки – чугун и шлак. Для выпуска чугуна и шлака имеются чугунные и шлаковые летки. Современные доменные печи имеют общую высоту до 80 м и объем рабочего пространства до 5000 м3. Вся печь выкладывается из огнеупорного шамотного кирпича, а снаружи охватывается стальным кожухом толщиной 30-40 мм. Горны и заплечики оборудуются водяным охлаждением. Воздух в печь подается воздуходувками через фурмы. Температура подаваемого воздуха 1200-1300 оС. Для нагревания воздуха доменная печь оснащается несколькими воздухонагревателями – кауперами. Их число не менее 3. Подогрев дутья позволяет существенно интенсифицировать доменный процесс.

Одним из важнейших условий правильной работы доменной печи является равномерное распределение загружаемых материалов по ее горизонтальному сечению.

Загрузка шихтовых материалов в печь осуществляется по мере необходимости. Для выплавки 1 тонны чугуна в среднем расходуется 1,8 тонны офлюсованного агломерата и 500 кг кокса. Шихтовые материалы загружают с верху при помощи загрузочного аппарата. Шихту подают отдельными порциями по иерее опускания проплавляемых материалов. Расплавленный чугун выпускается по мере его накопления через 4-6 часов, а шлак через 40-50 минут. Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы постепенно опускаются вниз. На встречу им снизу вверх – движется поток горячих газов, образующихся при горении топлива.

Физико-химические процессы протекающие в различных зонах доменной печи, определяются существующими там температурами. В районе воздушных фурм (верхняя часть горна) проходит полное сгорание кокса.

С + О2 = СО2 + Q

При этом выделяющееся тепло поднимает температуру в фокусе горения до 1800-2000 оС. Эти продукты сгорания не являются конечными. Они взаимодействуют с раскаленным коксом по реакции.

С + О2 = 2 СО2 – Q; Н2О + С = Н2 + СО – Q

Восстановление железа в доменной печи происходит последовательно от высших окислов к низшим окислам:

Fe2O3  Fe3O4  Fe O + Fe.

Восстановление железа осуществляется твердым углеродом – прямое восстановление

Fe O + С = Fe + СО - Q

Косвенное восстановление происходит за счет восстановительных газов

Fe O + СО = Fe + СО2 + Q

Оптимальное соотношение между прямым и косвенным восстановлением зависит от косвенных условий доменного процесса: температуры воздушного дутья, количества природного газа в топливе и других факторов. При температурах выше 900-1000 оС оксид железа FeO восстанавливается только прямым путем. Таким образом, восстанавливается в домне 30-40% железа. 60-70% железа восстанавливается косвенным путем. После восстановления железа при температуре 1300-1400 оС оно находится виде пористой губчатой массы. При дальнейшем взаимодействии железа с углеродом или оксидом образуется карбид железа Fe3С (цементит).

3Fe + 2 CO = Fe3C + CO2; 3Fe + C = Fe3C

Цементит хорошо растворяется в железе и постепенно науглероживает его. В результате этого образуется сплав железа с углеродом с более низкой температурой плавления.

В зоне распара и заплечиков такой сплав переходит в жидкое состояния и стекает в горн. Одновременно с восстановлением железа происходит восстановление оксидов кремния, марганца, фосфора и их растворение в металле. Примерно в районе распара образуется первичный шлак (t  1200 оС) при его стекании вниз и скопления в горне шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с остатками несгораемого кокса, расплавленным чугуном в шлаке растворяется SiO2; Al2O3, а из золы кокса FeS; MnS и частично восстанавливаются оксиды железа и т.д.

Шлак интенсивно удаляет также наиболее вредную примесь – серу. Коэффициент перехода серы в шлак составляет 0,9 -0,99.


8.2. Современные способы получения стали и их сущность

Общеизвестно, что 20-25% выплавляемого в доменных печах чугуна идет на отливки, а 75-89% перерабатывается в сталь. Исходными металлическими материалами для получения стали служит переделанный чугун, стальной лом, стружка металлическая, ферросплавы. Поскольку чугун содержит по сравнению со сталью большее количество углерода и таких вредных примесей как фосфор и сера, то основная задача переработки чугуна в сталь заключается в удалении избытка углерода и примесей с помощью окислительных процессов, протекающих в сталеплавильных агрегатах. Основным способом производства стали являются:



  1. кислородно-конверторный способ;

  2. мартеновский;

  3. электродуговой.


8.2.1. Кислородно-конверторный способ

Сущность данного процесса заключается в следующем: в плавильный агрегат – конвертор загружается стальной скрап, расплавленный чугун (70% по массе) продувают струей кислорода сверху. Схема конвектора приведена ниже рис. 8.2.. Корпус (кожух) конвертора сварен их листовой стали толщиной до 100 мм. Внутренняя футеровка – двух или трехслойная толщиной 700-1000 мм, изготовлена из основных огнеупорных материалов (магнезит, доломит). Внутренний слой обычно выполняется из высокоупорного смолодоломитового кирпича.



Рис. 8.2. Общий вид установки конвертора с фурмой: 1 – жидкий чугун; 2 - кислородная фурма; 3 – летка; 4 – сопло.

Стойкость до ремонта 400-800 плавок. Благодаря основной футеровки в конвертор при плавке загружается известь для образования шлака, что способствует достаточно полному удалению из металла серы и фосфора. Конвертор имеет цапфы, которыми он опирается на станину и может поворачиваться. Вместимость конвертора 70-350 т. и имеет размеры: высоту 9м., длину 7м., диаметр горловины 3,5м. производительность такого конвертора 2,5-9,0 млн. тонн стали. Кислород под давлением поступает по водоохлаждаемой фурме, установленной по оси конвертора сверху. Расстояние от сопла фурмы до поверхности чугуна в ванне 0,7-3,0 м. давление кислорода 1-1,5 МПа. Технология плавки заключается в следующем. После загрузки шихты конвертор устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают дутьё. Конец продувки определяется по времени, количеству израсходованного кислорода, по виду пламени из горловины. Затем отбирают контрольные пробы металла и шлака для экспресс-анализа. Окисление железа, углерода и примесей при продувке происходит за счет газообразного кислорода, растворенного в металле и закиси железа FeO. Одновременно с окислением примесей образуется шлак. Завершающая операция плавки – раскисление стали. Окислительный характер плавки приводит к высокой концентрации FeO в металле, что вызывает красноломкость стали при горячей деформации и ухудшению механических свойств. Раскислением называется процесс восстановления железа из закиси. Раскисление обычно проводится марганцем, кремнием и алюминием, обладающими большим сродством к кислороду.

FeO + Mn = Fe + MnO

2FeO + Si = 2Fe + SiO2

Выход стали при выпуске составляет 90-95% от массы продуваемого металла.


8.2.2. Мартеновский способ

Мартеновским способом выплавляется более 80% стали, что объясняется широкой возможностью использования при данном способе стального лома и выплавлять самую разнообразную по качеству и сорту сталь, а так же легкостью управления ходом плавки и контроля.

В зависимости от шихтовых материалов, поступающих для плавки, различают три основные разновидности мартеновского процесса:

1- Скрап процесс, в котором шихтой служит металлический лом и чушковый чугун.

2- Скрап-рудный процесс, в котором содержание жидкого чугуна в шихте составляет 50-70%, остальное металлический лом.

3- Рудный процесс, в котором плавка ведется только на жидком чугуне без стального лома. (в настоящее время практически не применяется по экономическим соображениям).

Важнейшей частью мартеновской печи является рабочее пространство рис. 8.3. Здесь происходит важнейшие физико-химические процессы: горение топлива, окисление примесей, расплавление шихты, образование металла и шлака. Схема печи приводится ниже. Сверху рабочее пространство ограничено сводом, снизу – подом, задней и передней стенками. В передней стенке сделаны завалочные окна. Через них ведут загрузку, берут пробы, наблюдают за процессом. В задней стенке устраивается отверстие для выпуска металла и шлака, забиваемое обычно огнеупорной пробкой. Головки печи расположены симметрично. В них находятся каналы для поступления газа и воздуха и отвода продуктов горения. В нижней части головки соединяются с регенераторами для подогрева воздуха. Мартеновская печь по принципу работы является пламенной регенеративной печью. Высокая температура печных газов для получения стали обеспечивается их регенерацией в регенераторных специальных камерах, заполненных огнеупорной кладкой.

Рис. 8.3. Схема мартеновской печи: 1 – газовые регенераторы; 2 – воздушные регенераторы; 3, 4 – воздушные и газовые вертикальные каналы; 5 – головки; 6 – рабочее пространство печи; 7 – подина печи; 8 – свод; 9 – рабочие окна; 10 – насадка регенератора; 11 – борова.

В качестве топлива для мартеновских печей используется смесь доменного, коксового и природного газов, мазут или природный газ.

На больших металлургических заводах применяются печи до 250-500 т. с размерами ванны 20 х 6 м. с площадью до 115 м2. Продолжительность плавки до 12 часов. Процесс плавки состоит из нескольких последовательных периодов: заправка печи, закалка шихтовых материалов, их плавление, период кипения, раскисление и выпуска металла. После окончания плавки сталь выпускается в ковш. В мартеновских печах выплавляют углеродистые конструкционную и инструментальную стали, а также низколегированную и среднелегированную.


8.2.3. Производство стали в электропечах

В настоящее время большинство сортов специальных сталей выплавляется в электропечах. Они могут работать как на жидкой (чугун), так и на твердой шихте (металлом). Процесс плавки включает те же процессы что были описаны в мартеновском производстве. Достоинством данного способа является: простота регулировки теплового режима в печах, высокие температуры процесса, восстановительная атмосфера печи. Для выплавки стали применяют дуговые и индукционные электрические печи. Схема печей приведена ниже рис. 8.4 и рис. 8.5.



Рис. 8.4 Принципиальная схема дуговой печи: 1 – корпус печи; 2 – съемный свод; 3 – электроды; 4 – электрододержатели; 5 – рабочее окно; 6 – заслонка окна; 7 – желоб для выпуска плавки; 8 – слой шлака; 9 – металл; 10 – сектор для наклона печи.

В дуговых печах теплота получается от горения электрической дуги, образующейся непосредственно между электродами и металлической ванной.

В индукционных печах тепло выделяется за счет индуктирования тока в металле тигля, являющегося одной из составляющих схемы трансформатора, при прохождении тока через индуктор. Индуктор представляет собой обмотку из медной трубки, охлаждаемой водой. При подаче переменного тока в пространстве индуктора возникает магнитное поле, возбуждающее в металле тигля индукционные токи. Футеровка печей выполняется также кислой и основной. При кислом процессе сера и фосфор не удаляются. Поэтому они применяются для получения стальных отливок. В основном процессе сера и фосфор удаляются легко, поэтому данный процесс используется для получения высококачественных сортов стали.



Рис. 8.5. Схема индукционной печи для выплавки стали: 1 – тигель из огнеупорного материалов; 2 – водоохлаждаемый индуктор; 3 – желоб для выпуска плавки; 4 – сталеразливочный ковш; 5 – металл; 6 – вихревые токи.



8.2.4. Способы повышения качества стали

Качество сталей и сплавов в значительной степени определяются их чистотой, т.е. содержанием вредных примесей, неметаллических включений растворенных газов. Для получения стали из сплавов особо высокого качества и наиболее ответственного назначения используется переплавка сталей. Для этой цели используются такие методы переплавки как: 1- электрошлаковый переплав, 2- вакуумной дуговой печи, 3- вакуумной индукционной печи, 4- электронно-лучевой переплав, 5- плазменно-дуговой переплав. Так например при ЭШП очищаемый металл отливается в виде расходуемого электрода. Второй электрод является ванной расплавленного металла, сверху которого находится слой шлака, капли расплавленного очищенного металла стекают с электрода и проходя через слой шлака дегазируются, очищаются от примесей и стекают вниз образуя слиток.

Тоже самое происходит при плавке в вакууме.
8.3. Основы производства цветных металлов

8.3.1. Производства меди

Содержание меди в земной коре составляет 0,01%. Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды – медный колчедан. CuSFeS, халькозин Cu2S (CuS CuCO2). Все медные руды являются бедными и обычно содержат 1-2%, а иногда  1% меди. Извлечение меди из руды производится двумя способами: 1. Гидрометаллургическим. 2. Пирометаллургическим.

Гидрометаллургическим способом получают  10% меди, пирометаллургическим до 90% меди. Гидрометаллургический способ состоит в извлечении меди путем ее выщелачивания (например слабым растворами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора. Этот метод не получил большого распространения.

Пирометаллургический способ состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт – штейн, выплавку из штейна черновой меди, ее рафинирование т.е. очистку от примесей. Схема упрощенного процесса представлена ниже.




Медная руда




Обогащение

Хвосты

Концентрат




обжиг

Газы на производстве H2SO4

Обожженный концентрат




Плавка на штейн




штейн

Шлак

Продувка в конверторе




Черновая медь




Рафинирование

Переработка на извлечение Cu, Ag

Медь




Обогащение медных руд производят обычно методом флотации - дроблением, измельчением и смачиванием флотационными реагентами. В результате смачивания руда оказывается в пене сверху, а пустая порода снизу. После фильтрации концентрат содержит 10-35% меди. Обжиг концентрата производят в специальных печах при температуре выше 850 оС. Образующийся сернистый газ SO2 направляется для производства серной кислоты. Может вестись обжиг путем продувки измельченной руды кислородом воздуха, поступающим в отверстиях при температуре 600-700 оС. При этом идет окисление сульфитов. Производительность данного способа выше.

Плавку на штейн наиболее часто ведут в пламенных печах или электропечах. На дне печи постепенно скапливаются жидкие продукты плавки: шлак и штейн – сплав, состоящий в основном из сульфидов Cu2S и FeS. Штейн по мере накопления выпускают в ковш tштейна 900-1150 оС, далее он поступает в конвертор для переработки в черновую медь. Процесс продувки воздухом штейна в конверторе длится  30 час. Вначале происходит окисления сульфидов 2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + Q. FeO взаимодействует с кремнеземом флюса и переходит в шлак. 2FeO + SiO2 = SiO22FeO + Q. Шлак удаляется. Оставшийся штейн приобретает белый цвет и при дальнейшем продувании получают черновую медь.

2Сu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2; Сu2S + 2CuO = 6Cu + SO2

Рафинирование черновой меди проводят огневым и электролитическим способами.

При огневом рафинировании черновую медь загружают в пламенные печи емкостью до 400 л и после расплавления продувают воздухом. После огневого рафинирования расплав содержит 99,5-99,7 % меди. Полученную медь разливают в слитки или анодные пластины для электролитического рафинирования. Электролиз производят в ваннах, футерованных кислостойкими материалами (листовым свинцом, керамическими плитами). Электролитом служит 15% раствор медного купороса и серной кислоты. Анодом служит слитки (пластина) черновой меди, на которые идет осаждение при электролизе. За 10-12 дней на катоде отлагается до 200 кг меди.

8.3.2.Производство алюминия

Технология процесса производства алюминия состоит из трех этапов:

1.Извлечение глинозема их алюминиевых руд.

2.Электролиз расплавленного глинозема с получением первичного алюминия.

3.Рафинирование.

Извлечение глинозема обычно проводится щелочным способом. При этом бокситы сушат, измельчают, загружают в герметичные автоклавы с концентрированной щелочью и выдерживают в них 2-3 часа при t=150-250оС при давлении 3МПа. При этом образуется алюминат натрия, который в свою очередь

Al2O3+3H2O+2NaOH=Na2O Al2O3+4H2O.

взаимодействует с силикатом натрия, образующего при взаимодействии щелочи с (SiO2) кремнеземом.

Оба продукта-алюминат и силикат натрия выпадают в осадок, образуя осадок Na2O Al2O3 SiO2 2H2O.

При этом из раствора выпадает гидроксид алюминия Al (OH)3. Его прокаливают при t=1200оС в трубчатых вращающихся печах. В результате получается глинозем Аl2O3.Алюминий получают электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите Na3AlF6. Криолит получают в результате взаимодействия плавиковой кислоты HF с гидрооксидом алюминия с последующей нейтрализацией содой.

Электролиз проводится в алюминиевой ванне, являющейся катодом. Анодами служат вертикально расположенные угольные электроды, погруженные в расплав. При электролизе аноды постепенно сгорают, и перемещаются вниз. Электролит нагревается до рабочей температуры 930-950оС. Глинозем, расходуемый при электролизе, периодически загружается в ванну. При высокой температуре глинозем Аl2O3, растворенной в электролите, диссоциирует на ионы. На поверхности угольной подины, являющейся катодом, ионы восстанавливаются до металла 2Al3++6e=2Al. Жидкий Аl может подвергаться электролитическому рафинированию.
9.Основы порошковой металлургии

9.1.Методы получения порошков и их подготовка

Современное машиностроение широко использует детали из порошковых материалов. Типовая технологическая схема получения изделий методами порошковой металлургии включает:



  1. Производство порошков;

  2. Формование заготовки из порошка;

  3. Спекание заготовки при температуре ниже t плавления основного компонента;

  4. Дополнительную обработку спеченного изделия-механическую обработку, пропитку и др. С помощью данного процесса можно получать принципиально новые материалы, которые сложно или даже невозможно получить другими способами. Порошковая металлургия дает возможность получать многослойные композиции, различные комбинации металлических и неметаллических компонентов, пористые материалы, изделия из тугоплавких металлов и т.д.

Существующие методы получения порошков подразделяются на механические и физико-химические.

К механическим методам относятся:

дробление и размол в различных мельницах;

распыление струи расплавленного металла вращающимися лопастями или струей сжатого газа;

грануляция расплавленного металла при литье в жидкость;

обработка металлов резанием с получением частиц, а не сливной стружки.

Размолом в шаровых мельницах наиболее целесообразно получать порошки хрупких металлов и сплавов: кремния, бериллия, чугуна, бронзы, ферросплавов и др. Шаровая мельница обычно состоит из стального барабана и размалывающих шаров (стальные, чугунные и др.) Æ 250-1500 мм рис. 9.1. Частицы порошка, полученного в шаровых мельницах, имеют вид многогранников, листочков или завитков размерами 0,1-0,3 мм. Недостатком метода является загрязнение порошков продуктами истирания барабана и шаров.

Рис. 9.1. Шаровая мельница

Размол в вихревых мельницах более интенсивен рис. 9.2. Состоит из стального кожуха, внутри которого вращаются два пропеллера в противоположных направлениях. Материал (рубленная проволока, стружка, опилки, обрезки) закруженный в бункер, захватывается пересекающимися воздушными потоками и за счет соударения дробятся на частицы размерами от 30 до 200 микрон.

Рис. 9.2. Рабочий орган вихревой мельницы с пропеллерами (а) и билами (б)

Для получения тонких порошков из металла пластичных материалов (карбиды металлов, окислов и др.) применяются такие вибромельницы рис. 9.3.

Рис. 9.3. Барабан вибромельницы

Получение порошка методом распыления жидких металлов заключается в том, что расплавленная струя металла распыляется с помощью воздуха, инертных газов или удара лопаток вращающегося диска.

Все механические способы не позволяют регулировать форму частиц и состав порошка, мал так же и КПД методов. Поэтому доминирующее место в производстве порошков занимает физико-химические методы. Основными из них являются: восстановление оксидов; электролиз водных растворов и расплавленных сред; карбонильный метод, гидрогенизация и др.

Метод химического восстановления применяется для получения порошков железа, меди, никеля, кобальта, вольфрама и др. Исходным сырьем служат окислы перечисленных металлов, а восстановителем – либо газы (водород, коксовый, доменный газ и др.), либо твердый углерод или металлы: алюминий, кальций, магний, натрий. Широкое распространение получило электролитическое осаждение порошкообразных металлов из водных растворов солей и расплавленных сред. В первом случае получают порошки олова, серебра, меди, железа; во втором – порошки редких металлов: тантала, ниобия, тория, урана и др.

Карбонильный метод основан на том, что многие металлы (железо, никель, кобальт) при определенных условиях (давления и температуре) образуют с окисью углерода химическое соединение называемое карбонилами Fe(CO)5; Ni(CO)4 и др. Эти не устойчивые соединения, разлагаются (диссоциируют) с образованием тонких порошков металлов и окиси углерода. Метод гидрогенизации заключается в том, что металл в виде губки или небольших косочков загружается в реакторы, через которые пропускается водород. При нагреве до определенной для каждого металла температуры (300-800)оС происходит активное поглощение водорода, в результате чего металл становиться хрупким и растрескивается. После чего его разламывают одним из механических способов и затем подвергают дегидрогенизации при температуре около 800 оС в вакууме.

Для примера ниже приведены некоторые марки выпускаемых порошков:


  1. Железо ПЖ-2; ПЖ-4;

  2. Вольфрам ПВ-0; ПВ-1;

  3. Медь ПМС-1; ПМС-2; ПМС-6;

  4. Кобальт ПК-1; ПК-2.

Где цифры указывают плотность порошка в г/см3.
9.2. Основные свойства порошков

Механические порошки характеризуются технологическими и физическими свойствами, а так же химическим составом.

К технологическим свойствам порошков относятся: насыпной вес, текучесть и прессуемость. Насыпной вес – это вес единицы объема свободно насыпанного порошка. Чем крупнее частицы и чем правильнее их форма и глаже поверхность, тем больше насыпная плотность. Насыпной вес порошков даже одного и того же материала изменяется в зависимости от размера и формы частиц.

Текучесть порошков характеризует их способность заполнять определенную форму, скорость поступления в валки. Это комплексная характеристика, зависящая от удельного веса, формы, состояния поверхности частиц, гранулометрического состава и др.

Прессуемость порошков – это способность под влиянием сжимающих внешних усилий, уплотняться, приобретать и удерживать форму, соответствующую внутренним размерам пресс-форм. Существенное влияние на прессуемость оказывают размеры и форма частиц порошка: чем меньше частица, тем хуже прессуемость. Однако прочность прессовок из мелких порошков, как правило, выше чем крупных.

Порошки, составленные из различных по величине частиц, обладают большим насыпным весом, дают максимальную прочность прессовок.

К физическим свойствам порошков относятся: форма частиц, гранулометрический состав, удельная поверхность и микротвердость. Форма частиц зависит от химической природы металла и способа получения порошков. Она оказывает большое влияние на насыпной вес, прессуемость, а так же на прочность и однородность прессовок. Наибольшую прочность имеет прессовки из порошков дендридной формы. Порошки сферической формы имеют наибольший насыпной вес, но плохую прессуемость.

Гранулометрический состав является важнейшей характеристикой порошков. Величина частиц и соотношение частиц разных размеров, выраженное в процентах, входят в технические условия на порошки. В зависимости от размера частиц основной фракции металлические порошки классифицируют на ультратонкие (0,5мкм), весьма тонкие (0,5-10мкм), тонкие (10-40мкм), средней тонкости (40-150мкм) и грубые (150-500мкм).

Удельная поверхность – суммарная поверхность всех частиц единицы объема или веса порошка. С увеличением удельной поверхности частиц активизируются все процессы при прессовании и спекании.

Величина удельной поверхности зависит от способа и режима получения порошков. У распыленных она меньше, у восстановленных и электролитических больше. Так у восстановленного порошка железа она составляет 0,35-0,6 м2/г, у размолотого в вихревой мельнице 0,25 м2/г, у карбонильных до 20 м2/г. Большая удельная поверхность порошков способствует активному поглощению влаги из воздуха, что значительно ухудшает их свойства. Поэтому после длительного хранения порошки перед использованием подвергают восстановительному отжигу (железо -750-800; меди 350-400). Химический состав порошка характеризуется содержанием основного металла или компонента. Основного металла обычно бывает 94-99%, остальные составляют примеси, входящие в твердый раствор или химическое соединение с металлом.


9.3. Способы производства изделий из металлических порошков

Одним из главных этапов производства изделий из металлических порошков после их получения является формование заготовок. Формование – это придание порошковому материалу формы, размеров, плотности и прочности, необходимых для выполнения последующих операций изготовления. Существует много методов формования порошков. Наиболее распространенный из них – прессование в стальной пресс-форме. Детали пресс-форм изготавливаются из высокоуглеродистых легированных сталей с последующей закалкой до твердости 60-65 HRC. Для пуансонов обычно меньше и составляет 55-60 HRC. В качестве материалов обычно используются стали У10А; Х12; ХВТ; и др. Рабочие поверхности пресс-форм шлифуются, а иногда полируются. Стойкость пресс-форм составляет от 1-2 тыс. до 25-50 тыс. прессовок, зависимости от материала формы, прессуемой шихты и плотности изделия. Для прессования используются гидравлические и механические прессы. Давление прессования находиться обычно в пределах от 300 до 800-1000 МПа, а твердые сплавы прессуют под меньшим давлением 100-150 МПа т.к. частицы карбидов хрупкие и при большом давлении возможно дробление. Применяются так же кривошипно-коленные, кулачковые и карусельные прессы. Прессование может быть как односторонним так и двухсторонним. Для получения изделий заданной формы и размера порошковая шихта подвергается прессованию в пресс-формах. Для этого навеска порошка, в зависимости от величины и требуемой плотности прессования, засыпается в матрицу, затем в нее вставляется пуансон, которым порошок уплотнятся. После снятия давления изделие выпрессовывается из матрицы. Порошок под давлением пуансона ведет себя в некоторой степени сходно с жидкостью – он стремится растекаться в стороны. Это вызывает боковое давление на стенки матриц. Однако в отличии от жидкости, где давление одинаково во всех направлениях, у порошков боковое давление значительно меньше давления прессования. В процессе прессования частицы порошка подвергаются как пластической , так и упругой деформации. После снятия давления за счет упругой деформации и остаточных напряжений, изделие стремиться увеличить свои размеры. Это и вызывает необходимость приложения значительных усилий для выпрессовки изделия и учета припуска на обработку.

На процесс прессования оказывают влияния такие факторы как скорость пуансона, вибрация, повторное прессование и др. С увеличением скорости пуансона плотность изделия при одном и том же давлении понижается. Вибрация и повторное прессование – увеличивают плотность. Двухстороннее прессование дает более равномерную плотность прессовок. Уменьшение размеров частиц и увеличение содержания окислов повышают упругое последействие. Влияние различных добавок в шихту на процесс прессования сказывается по разному и зависит от их дисперсности, твердости, смазывающих свойств. Отрицательно сказываются на прессование добавки твердого и хрупкого кремния. Прессуемость порошков сплавов, как правило, хуже, чем чистых металлов. Высоту матрицы рассчитывают из условия, в ней должен вместиться весь порошок, идущий на деталь. Поэтому высота матрицы обычно в 2,5-4 раза больше высоты прессования.

Формообразование металлических порошков может осуществляться и без приложения внешнего давления. Одним из таких методов является шликерное литье. Сущность его заключается в том, что порошковая шихта суспензируется и жидкая пулька выливается в гипсовую форму (CаSO4 2H2O), которая абсорбирует жидкость. Подсохшая заготовка извлекается из формы, проходит окончательную сушку, а затем спекается. Такой способ используется для получения изделий из хрупких порошков, различных карбидов, силицидов, хрома, кремния и др.

Находит применение прокатка металлических порошков для получения материалов в виде лент, полос, проволоки и др рис. 9.4. Наилучший процесс вовлечения порошка в данный процесс создается при вертикальной прокатке.

Рис. 9.4. Прокатка порошков

Спекание – решающая операция в формировании свойств изделия. Оно всегда должно обеспечивать увеличение прочности изделия и во многих случаях – увеличение плотности. Спекание многокомпонентных смесей может осуществляться как в твердой фазе, так и в жидкой фазе.

Твердофазное спекание проводиться при 0,7-0,9 абсолютной температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента смеси. На начальной стадии спекания, происходит расширение участков контакта частиц порошка и увеличивается сцепление частиц. При этом пустоты между частицами постепенно приобретают округлую форму, но объем пустот не изменяется. На последующих стадиях спекания происходит объемная диффузия, уменьшается объем пор и прессовки в целом за счет ее усадки. Восстановительная среда при спекании предпочтительнее, так как восстановление оксидных пленок на частицах порошка ускоряет спекание. Полно и быстро происходит спекание в вакууме. Длительность выдержки при спекании – от получаса до нескольких часов. Получить беспористый материал при твердофазном спекании практически не удается.

Жидкофазное спекание позволяет получать более плотные изделия (с пористостью 1-2%). При этом температура спекания превышает температуру плавления одного или нескольких компонентов.

Спеченные изделия подвергаются дополнительной обработке, целью которой может быть повышение физико-химических свойств, защита поверхности от коррозии, придание изделиям окончательных размеров и форм.

Так для повышения плотности, прочности или пластичности изделий проводиться повторное прессование. Для улучшения антифрикционных свойст производиться пропитка маслом в ванне при температуре 70-140 оС длительностью от 2 мин до 2 часов. В этих же целях осуществляется сульфидирование – насыщение поверхностного слоя серой путем реакции между поверхностью металла и жидкой серой или ее соединениями.

Механическая обработка спеченных изделий должна вестись острозаточенным инструментом при больших скоростях резания, без применения охлаждающих эмульсий. Регулирование структуры осуществляется термообработкой.






Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4   5   6   7


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет