8.2. Резины

Резина (от лат. resina смола) – материал, получаемый из каучука, серы и других компонентов специальной технологией – вулканизацией. В результате вулканизации повышаются прочность, твердость, эластичность, тепло- и морозостойкость каучука, снижается степень его набухания в органических растворителях.

Резина обладает целым комплексом уникальных свойств, из которых важнейшим является высокая эластичность, то есть, способность к большим обратимым деформациям растяжения в широком интервале температур. К числу ценных свойств (которые определяются в первую очередь типом каучука) относятся тепло-, масло-, бензо-, морозостойкость, стойкость к действию радиации, агрессивных сред (кислот, щелочей, кислорода, озона и др.), газопроницаемость.

У резин общего назначения интервал рабочих температур составляет -50…+150 С. При нагреве выше 150 С резина быстро разрушается, а при охлаждении ниже -50 С теряет эластичность. Для более низких и более высоких температур изготавливаются специальные резины – морозостойкие и теплостойкие.

На железнодорожном транспорте основными видами резинотехнических изделий являются шины, приводные ремни, эбонитовые изделия, прорезиненные ткани, тормозные рукава и др.

Значительная часть резины применяется в качестве изоляции и защитных оболочек кабельных изделий.

Номенклатура резиновых изделий очень велика. Для машиностроительного производства большое значение имеют приводные ремни, различные прокладки и манжеты, подшипники скольжения. Резина используется в качестве материала штампов для листовой штамповки.

Контрольные вопросы

1. На какие группы подразделяются пластмассы?

2. Какие материалы относятся к термопластам? Где они используются?

3. Какие материалы относятся к реактопластам? Область их применения?

4. Что такое вулканизация и для каких целей она используется?

5. Назовите области применения резинотехнических изделий на железнодорожном транспорте?

9. Материалы, используемые на железнодорожном транспорте

Железнодорожный транспорт имеет многоотраслевое хозяйство, использующее значительное количество материалов различного назначения. Только металлов и металлопродукции Российские железные дороги ежегодно потребляют 1,6 млн тонн. Кроме того, из-за проведения реорганизации и модернизации парка подвижного состава и железнодорожных путей (а металлоемкость этого процесса просто колоссальна) потребность постоянно будет возрастать.

Важнейшее место среди материалов (84­…87 %) занимают железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны), к которым предъявляются дополнительные требования, отражающие специфические условия работы конструкций – вибрации, значительные ударные воздействия, интенсивное изнашивание, влияние внешней среды.

Особое место в этой группе сталей занимают рельсовая, осевая, бандажная, колесная, мостовая и др.

Стали для рельсов должны обладать высокой контактной прочностью и износостойкостью. Для их изготовления используются марки М74, М74Т, М74Ц (рельсы типа Р50); М76, М76В, М76ВТ, М76Т, М76Ц (рельсы типа Р65, Р75) с содержанием углерода 0,67…0,82 %. Для изготовления рельсов железнодорожных типов Р65 и Р65К повышенной износостойкости и контактной выносливости применяется сталь Э90АФ.

После изготовления рельсы подвергаются термической обработке одним из следующих способов:

– закалка с 850 ºС с обрызгиванием головки рельсов водой с температурой 35…50 ºС и последующим самоотпуском при температуре 500 ºС;

– объемная закалка с температуры 850 ºС в масле имеющем температуру 60…90 ºС и последующим отпуском при температуре 450…480 ºС.

Концы рельсов подвергаются поверхностной закалке на твердость 320…400 НВ на глубину 8…10 мм.

Крестовины стрелочных переводов изготавливаются из стали 110Г13Л, обладающей высокой износостойкостью и способностью упрочняться во время эксплуатации от воздействия ударных нагрузок от колесных пар.

Оси локомотивов и вагонов изготавливаются из специальной осевой стали с содержанием углерода 0,35…0,45 % с нормализацией на твердость 160…170 НВ.

Цельнокатаные колеса вагонов – из колесной стали близкой по составу к стали 60Г (0,57…0,65 % С). Колеса подвергаются закалке с температуры 825…860 ºС в подогретой воде и отпуску при температуре 600…650 ºС в течение 2…3 часов на твердость 250 НВ.

Для рам и других деталей подвижного состава применяются стали 09Г2Д, 09Г2С, 12Г2Ф, 12Г2ФД. В настоящее время осваиваются перспективные стали повышенной прочности для несущих элементов кузовов 14Г2ФАЮД, 12ХГ2СМФАЮД, 08Г2МФБД и для ограждающих элементов кузовов 10ХНДПФ, 12ХДПФ, 14ДПФ и др. такие стали имеют предел текучести 450…720 МПа при относительном удлинении 19…20 %.

Котлы железнодорожных цистерн в зависимости от перевозимых материалов выпускаются из обычных углеродистых сталей и высоколегированных типа 10Х17Н13М3Т, 12Х18НЮТ, 08Х22Н6Т и др.

Для изготовления оборудования рефрижераторных вагонов применяются среднеуглеродистые стали 45 и 45Х, алюминий и его сплавы АК12, АК5М, АМг5 и др.

В мостостроении используются стали с высокой ударной вязкостью не только при нормальной, но и при пониженной температурах. Кроме того, для сварных мостов они должны обладать и хорошей свариваемостью. Для клепанных мостов используется сталь Ст3 мостовая, а для сварных – сталь марки М16С.

В качестве рессорно-пружинных сталей на железнодорожном транспорте используются недорогие и достаточно технологичные стали с содержанием углерода 0,5…0,7 %, которые подвергаются закалке и отпуску при температуре 420…450 ºС. Для пружин и рессор толщиной до 18 мм применяются стали 5С2,60С2, 70С3А. Для крупных, тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор – 70С3А, 60С2ХА, 60С2Н2А со следующими свойствами: σ_в ≥ 1800 МПа; σ_0,2 ≥ 1600МПа; δ ≥ 5 %; ψ ≥ 20 %. Их предел упругости составляет σ_0,01 = 880…1150МПа, а твердость 38…48HRC. Для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений готовые пружины и листы рессор подвергаются поверхностному наклепу обдувкой дробью. После упрочнения предел выносливости увеличивается в 1,5…2 раза.

Широко используются при выпуске подвижного состава и других технических устройств железнодорожного транспорта чугуны различных марок.

Так, серые чугуны СЧ10, СЧ15 находят применение при изготовлении слабо- и средненагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, корпусов редукторов, подшипников, насосов и др. Чугуны марок СЧ20, СЧ25 – для изделий, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках – блоков цилиндров тепловозных дизелей, картеров двигателей, поршней цилиндров, зубчатых колес и т. д. Серые модифицированные чугуны СЧ30, СЧ35 используются для деталей, работающих при высоких нагрузках или в условиях интенсивного износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Широко применяются легированные серые чугуны. Так, например, чугун марки ЧН1ХМД используется для изготовления блоков, головок и гильз цилиндров, поршней тепловозных дизелей.

Высокопрочные чугуны применяются в дизелестроении (коленчатые валы, поршни и другие наиболее ответственные детали).

Ковкие чугуны нашли широкое применение в вагоно- и тепловозостроении. Из них изготавливаются детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки.

Медь и сплавы на ее основе используются для изготовления электрических машин различного назначения (в том числе и для подвижного состава), приборов, проводов, топливной аппаратуры, вкладышей подшипников скольжения и т. д.

Среди медных сплавов оловянные бронзы имеют самую низкую литейную усадку (0,8 % при литье в песчаные формы и 1,4 % при литье в металлические формы), поэтому они используются для получения сложных фасонных отливок. Например, в узлах трения тепловозов применяются подшипники из бронзы БрО3Ц12С5 с заливкой баббитом БК2, БрО10С10, БрО4Ц4С17, БрО5Ц5С5 др. Из деформируемых бронз изготавливаются токопроводящие детали (БрОФ 2-0,25), подшипниковые детали (БрОФ 6,5-0,15), прокладки во втулках и подшипниках (Бр ОЦС 4-4-2,5; Бр ОЦС 4-4-4).

Высокими механическими и антифрикционными свойствами обладают алюминиевые бронзы. Кроме того, они имеют меньшую стоимость по сравнению с оловянными. Из алюминиево-железоникелевых бронз (Бр АЖН 10-4-4) изготавливаются детали, работающие в тяжелых условиях износа при высоких температурах (400…500 ºС): седла клапанов, направляющие втулки выпускных клапанов, шестерни и др.

Широкое применение находят бериллиевые бронзы, которые отличаются высокими пределами упругости, временным сопротивлением, твердостью и коррозионной стойкостью. Двойные бериллиевые бронзы содержат в среднем 2,0…2,5 % Ве. Бериллиевые бронзы являются теплостойкими материалами, обладают высокой теплопроводностью и электрической проводимостью, при ударах не образуют искр, хорошо обрабатываются резанием, свариваются электроконтактной сваркой. Из бериллиевых бронз изготавливают детали ответственного назначения: пружинные контакты; кулачки; шестерни; червячные передачи; подшипники, работающие при высоких скоростях, больших давлениях и повышенных температурах.

Из латуней сравнительно широкое применение на железнодорожном транспорте находят марки ЛМц 58-2, ЛЖМц 59-1-1, ЛС 59-1 при изготовлении стержней короткозамкнутых роторов асинхронных электродвигателей, деталей соединителей, пружинящих контактов и других токоведущих частей. Латуни марок ЛЦ16К, ЛЦ16КУ, ЛЦ40С, ЛЦ30А3 используются при изготовлении литых токоведущих деталей электрических машин и аппаратов.

Алюминий и алюминиевые сплавы используются как проводниковые материалы, так и в качестве конструкционных. Из материалов первой группы изготавливаются электротехническая проволока, шины, фольга и другие изделия (сплавы АВЕ).

Сплавы второй группы (например, АМц и АМг) – предназначены для изделий, получаемых глубокой вытяжкой (заклепки, переборки, обшивка и рамы вагонов). Для блоков цилиндров и головок блоков двигателей внутреннего сгорания применяется сплав АК8М.

Помимо металлических железнодорожным транспортом потребляется значительное количество неметаллических материалов, которые используются как в качестве конструкционных, так и в качестве отделочных. К ним относятся пластические массы (термопласты, реактопласты), резиновые и кожаные материалы, неорганические полимерные материалы (графит, неорганическое стекло, ситаллы, керамические материалы, сульфиды) и др. К примеру для остекления транспортных средств применяются преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла. Силикатные триплексы представляют собой два листа закаленного стекла (толщиной 2…3 мм) склеенные прозрачной эластичной полимерной пленкой. При разрушении триплекса образовавшиеся осколки удерживаются на полимерной пленке.

Как и большая часть отраслей промышленности предприятиями железных дорог потребляется значительное количество инструментальных материалов. Превалируют твердые сплавы на основе карбидов вольфрама, титана, тантала. В последнее время осваиваются перспективные материалы на основе металлокерамики с многослойным покрытием градиентной структуры, состоящее из чередующихся слоев (TiN + + Ti + … +TiN + Ti) с микротвердостью 18 ГПа и микропластичностью 1000 МПа, используемые для обточки колесных пар вагонов и бандажей локомотивов.

Для чистовой обработки деталей находят применение на предприятиях железных дорог новый керамический инструментальный материал на основе Al₂O₃ с покрытиями переходными металлами IV группы Периодической системы (Ti, Zr, Hf), которые резко снижают хрупкость керамики за счет образования в поверхностном слое интерметаллидов и сложных оксидов.