ЗНАТЬ

Композитный материа́л (КМ), компози́т — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. 

Классификация композиционных материалов

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

• с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

• с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;

• с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

• с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

• с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;

• с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

• композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;

• композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

• композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;

• композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Компоненты композиционного материала  различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим (наполнитель).

Для изготовления деталей машин широко применяют стали и чугуны, а также алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы.

Стали. Сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2%. По сравнению с другими материалами стали имеют высокую9 прочность, пластичность, хорошо обрабатываются термически, химико- термически и механически.

Чугуны. Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2%. Чугуны имеют высокие литейные и невысокие пластичные свойства в сравнении со сталями.

Медные сплавы разделяют на латуни и бронзы.

Латуни подразделяют, в свою очередь, на двойные (сплавы меди и цинка) и многокомпонентные (содержат дополнительно свинец, кремний, марганец и др.).

Бронзы, кроме основы – меди – содержат компоненты, определяющие их наименование. Различают бронзы оловянистые, свинцовые, алюминиевые, бе- рилливые и др.

Баббиты – сплавы на основе олова, свинца и кальция являются высококачественными, хорошо прирабатывающимися антифрикционными подшипниковыми материалами.

Легированная сталь — сталь, которая, кроме обычных примесей, содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими.

Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.

Легированную сталь по степени легирования разделяют на:

• низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %),

• среднелегированную (от 2,5 до 10 %),

• высоколегированную (от 10 до 50 %).

Маркировка

Легированные стали маркируются цифрами и буквами, указывающими примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали.

Стоящая за буквой цифра обозначает среднее содержание элемента в процентах. Если элемента содержится менее 1 %, то цифры за буквой не ставятся. Первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, если цифра одна, то содержание углерода в десятых долях процента.

Дополнительные обозначения в начале марки:

Р — быстрорежущая;

Ш — шарикоподшипниковая;

А — автоматная;

Э — электротехническая;

Л — полученная литьём;

Классификация легированных сталей

По содержанию в составе стали углерода идет разделение на:

1. низкоуглеродистые стали (до 0,25% углерода);

2. среднеуглеродистые стали (до 0,25% до 0,65% углерода);

3. высокоуглеродистые стали (более 0,65% углерода).

В зависимости от общего количества в их составе легирующих элементов, которые содержит легированная сталь, она может принадлежать к одной из трех категорий:

1. низколегированная (не более 2,5%);

2. среднелегированная (не более 10%);

3. высоколегированная (от 10% до 50%).

Свойства, которыми обладают легированные стали, определяет и их внутренняя структура. Поэтому признаку классификация легированных сталей подразумевает разделение на следующие классы:

1. доэвтектоидные — в составе присутствует избыточный феррит;

2. эвтектоидные — сталь имеет перлитную структуру;

3. заэвтектоидные — в их структуре присутствует вторичные карбиды;

4. ледебуритные — в структуре присутствует первичные карбиды.

Влияние отдельных компонентов на свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик - таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% - красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Легирующие элементы придают стали специальные свойства, например, жаропрочные, коррозионно-стойкие, быстрорежущие, электротехнические, немагнитные, окалиностойкие и другие стали. Некоторые легированные стали, особенно коррозионно-стойкие, незаменимы в металлургической и химической промышленности, так как служат конструкционным материалом для изготовления аппаратуры и ее деталей, работающих в условиях одновременного воздействия высоких температур, давлений и агрессивных химических сред.

К недостаткам легированных сталей следует отнести высокую стоимость, сложность термической обработки, дефицитность некоторых легирующих элементов.

Конструкционные легированные стали. Их используют для изготовления деталей машин и механизмов, приборов, ответственных металлических конструкций. К этой группе относят среднелегированные и в основном низколегированные стали. Низколегированная сталь является переходной между углеродистыми и легированными сталями, она по своей основе соответствует малоуглеродистой стали (0,1 – 0,2%С), легированной кремнием, марганцем, хромом, никелем, медью, ванадием, ниобием и некоторыми другими элементами в небольших количествах.

Марганцовистые стали выпускают следующих марок: 10Г2, 14Г2, 35Г2, 50Г2 и др. Сталь 10Г2 отличается высокой пластичностью, хорошей свариваемостью, применяется для изготовления змеевиков, фланцев, штуцеров, пучков труб и крепежных деталей. Изделия из нее могут работать при низких температурах (до –70°С). Стали 35Г2, 50Г2 имеют повышенную износостойкость и служат для изготовления осей, небольших коленчатых валов, штоков, шестерен, пружин, амортизаторов. Марганцовистые стали хорошо поддаются обработке резанием и штамповке в холодном состоянии. Однако после закалки эти стали склонны к короблению и появлению трещин. При добавлении хрома и титана склонность марганцовистых сталей к таким дефектам существенно снижается.

Хромистые, хромоникелевые стали делят на цементуемые и улучшаемые. Из цементуемых сталей (например, 15Х, 20Х, 15ХРА, 12Х2Н4А, 18ХГТ) изготовляют детали (зубчатые колеса, шестерни, плунжеры, шлицевые валики, поршневые пальцы, толкатели и др.) относительно небольших размеров, работающие на износ при тяжелых нагрузках и имеющие высокие твердость поверхностного слоя и прочность сердцевины. Улучшаемые стали (например, 35Х, 38ХА, 35ХРА, 37ХН3А, 38ХНЗМФ) обладают высокой прочностью, пластичностью, высоким пределом выносливости, малой чувствительностью к отпускной хрупкости, хорошей прокаливаемостью (глубина закалки до 20 мм). Из них изготовляют детали крупных сечений, такие, как роторы турбокомпрессоров, фрикционные диски прессов, кривошипы, валы больших диаметров, шестерни крупных размеров и др.

Инструментальные легированные стали. Общие требования для всех инструментальных сталей – высокая твердость и прочность при удовлетворительной вязкости, хорошая износостойкость. Кроме того, инструментальные стали должны хорошо закаливаться, а сталь для режущего инструмента должна иметь высокую теплостойкость (красностойкость). Инструментальные стали применяют для изготовления режущего, ударно-штампового и измерительного инструмента.

Для режущего инструмента применяют низколегированные инструментальные стали с суммарным содержанием легирующих элементов от 1 до 6 % и углерода от 0,9 до 1,2 %. Основные легирующие элементы для сталей этой группы – хром, вольфрам или ванадий, которые, являясь сильными карбидообразующими элементами, несколько увеличивают твердость закаленной стали и значительно повышают ее износостойкость. Из сталей X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ изготовляют сверла, фрезы, метчики, плашки, развертки, протяжки. На инструменте ставят клеймо с обозначением марки стали.

Для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания и применяемого для обработки труднообрабатываемых материалов, применяют быстрорежущие стали, которые относят к высоколегированным сталям. Основные легирующие элементы для быстрорежущих сталей вольфрам, кобальт, молибден (более 1%) , ванадий, хром. Стали Р9Ф5, Р9К10, Р18К5Ф2, Р18, Р6М5 сохраняют красностойкость до 650 °С и твердость не ниже HRC 60. Высокие режущие свойства быстрорежущей стали достигаются термической обработкой, состоящей из нагрева до 1270—1290°С и последующего трехкратного отпуска при 560°С.

Легированные стали и сплавы с особыми свойствами. К этой группе относятся стали и сплавы на основе железа, в которых суммарное содержание легирующих элементов составляет более 10%: коррозионно-стойкие, износостойкие, жаропрочные, жаростойкие, магнитные, немагнитные, электротехнические, с особыми упругими свойствами и др.

Коррозионно-стойкие стали и сплавы получают при легировании железа с элементами, повышающими электрохимический потенциал сплава. Таким элементом, в частности, является хром. Сплавы, содержащие более 12% хрома, имеют электроположительный потенциал и обладают хорошей коррозионной стойкостью на воздухе, в воде, растворах солей, во многих щелочах, органических, а также в неорганических кислотах (в зависимости от их концентрации) и в других агрессивных средах. В состав этих сталей вводят также никель, марганец, титан, молибден.

Коррозионно-стойкие стали применяют для изготовления гальванических ванн, ванн промывки деталей в горячей воде, для изготовления деталей насосов для перекачки электролитов, теплообменной аппаратуры

УМЕТЬ

Число деталей на автомобиле, в которых в той или иной степени присутствует резина, превышает 500, а их масса составляет более 5 % общей массы легкового автомобиля и более 10 % грузового.

Наиболее важными из резиновых изделий на автомобиле являются шины, стоимость которых составляет 15—25 % стоимости грузового автомобиля, причем за время между ремонтами меняется от 2 до 4 комплектов шин.

Резина обладает следующими уникальными свойствмаи:

— эластична,

— способна поглощать ударные нагрузки и вибрацию,

— имеет низкую теплопроводность и звукопроводность,

— имеет хорошую механическую прочность,

— обладает высоким сопротивлением к истиранию,

— является хорошим электроизолятором,

— газо- и водонепроницаема,

— устойчива к агрессивным средам,

— легкая.

Резину получают вулканизацией резиновой смеси, в состав которой входят:

— каучук,

— вулканизирующие агенты,

— ускорители вулканизации,

— активаторы,

— противостарители,

— активные наполнители или усилители,

— неактивные наполнители,

— красители,

— ингредиенты специального назначения.

В зависимости от назначения в резину может входить часть перечисленных ингредиентов, но в ее составе всегда содержится каучук и вулканизирующий агент.

Каучук, являясь основой, определяет качество резины. В шинных резиновых смесях содержание каучука составляет примерно 50—60 % (по массе). Шинные заводы используют более 60 % производимого в России каучука. Каучук бывает натуральным и синтетическим.

Вулканизация заключается в нагреве резиновой смеси до определенной температуры и выдержке в течение времени, достаточном для того, чтобы атомы серы соединили в некоторых местах двойных связей молекулы каучука, образовав резину — материал с пространственной структурой молекул. От количества серы зависит твердость резины. При содержании 40—60 % серы каучук превращается в эбонит — высокотвердый материал, который хорошо обрабатывается резанием.

Кроме серы могут применяться и другие вулканизирующие агенты.

Для каждой резиновой смеси устанавливаются оптимальные температура и время вулканизации. Для шинных резин температура вулканизации 130—140 °С.

Другими ингредиентами резиновой смеси являются:

—  ускорители вулканизации, повышающие сопротивление старению;

—  активаторы ускоряют и повышают предел прочности при растяжении;

—  активные наполнители, повышающие прочность при растяжении, твердость и износостойкость материала, обычно это сажа (в покрышке примерно 25 % сажи);

—  неактивные наполнители — асбестовая мука, увеличивает объем резиновой смеси и удешевляет материал без ухудшения его свойств;

—  противостарители — 1—2 % массы каучука;

—  пластификаторы способствуют лучшему смешиванию составных частей резины и изменяют некоторые ее качества;

—  регенерат — специально обработанная резина из утильных покрышек камер, используется при частичной замене каучука;

—  красители.

Разработка шины

Новая модель шины разрабатывается с помощью специальной компьютерной программы, которая рисует варианты протектора и профилей шины. Для каждого из вариантов программа просчитывает поведение на дороге в тех или иных ситуациях. Отобранные таким образом лучшие варианты шины нарезаются вручную на станке и затем испытываются в реальных условиях. Показатели каждой шины сравниваются с лучшими из известных образцов того же класса. По результатам дорожных испытаний происходит доводка окончательно избранного образца, и шина запускается в массовое производство.

Приготовление резиновых смесей – первый этап производства любой шины. Рецептура смеси у каждого производителя своя и держится в строгом секрете, поскольку от качества резины зависят основные характеристики шины: ее долговечность, надежность, ходовые свойства и др. Химики, разрабатывающие рецептуру, подбирают и комбинируют компоненты и их дозировку, опираясь как на собственный опыт, так и на компьютерные данные, и учитывая предназначение шины. Собственно, вершина искусства химиков-проектировщиков и заключается в правильной дозировке, поскольку основные компоненты резиновой смеси не являются тайной. В ее состав обычно входят: - каучук, образующий основу смеси; как правило, это либо синтетический, либо более дорогой изопреновый каучук. Стоит отметить, что российская каучуковая химия всегда была отлично развитой отраслью, и российский каучук до сих пор закупают самые известные производители шин на Западе. - промышленная сажа (или технический углерод), которая сообщает изделию характерный цвет; от нее же зависят прочность и износостойкость, поскольку сажа обеспечивает молекулярное соединение во время вулканизации. - кремниевая кислота используется западными производителями вместо сажи; она повышает сцепление шины с мокрой дорогой. - масла и смолы – вспомогательные компоненты, действующие как смягчители. - вулканизирующие агенты (сера) и вулканизационные активаторы.

Изготовление компонентов шины – следующий этап производства, который, в свою очередь, подразделяется на несколько параллельных процессов. 1 – изготовление прорезиненной ленты, которая является заготовкой для протектора; лента режется на части по размеру шины. 2 – изготовление каркаса и брекера, которые обеспечивают шине жесткую форму и предохраняют камеру от проколов. Они делаются из обрезиненного текстиля, стекловолокна или металлокорда. Металлокорд используется в грузовых шинах, стекловолокно, отличающееся повышенной стойкостью к растягиванию, износу и гниению, применяется в шинах премиум-класса. Прорезиненное полотно раскраивается по расположению нитей корда: в радиальных шинах они располагаются вдоль радиуса колеса, а в диагональных – под углом к нему. 3 – изготовление борта и боковой части. Борт обеспечивает герметичное крепление шины на ободе колеса и является самой жесткой частью шины.

Сборка шины – третий этап производства. Она производится на сборочном барабане посредством последовательного наложения друг на друга слоев каркаса, борта, протектора с боковинами. У легковых шин место боковин идет расширенный протектор, что увеличивает точность сборки.

МАРКИРОВКА ШИН