Материаловедение и технология конструкционных материалов

250 Раздел I. Материаловедение

Неорганические клеи — это клеи на основе клеящих веществ (связок) неорганической природы. К ним относят керамические (основа — оксиды магния, алюминия, кремния, щелочных ме­ таллов), силикатные (калиевое или натриевое жидкое стекло), металлические (жидкий металл).

По форме выпуска клеи бывают однокомпонентными, посту­ пающими к потребителю в готовом виде, и многокомпонентны­ ми, приготавливаемыми непосредственно перед применением из поставляемых ингредиентов в соответствующих количест­ вах с учетом срока жизнеспособности клея.

Клей характеризуется концентрацией, вязкостью, жизнеспо­ собностью, адгезией (после склеивания).

Вязкость клея является важнейшим технологическим пара­ метром. Для обеспечения вязкости клеи наносят в виде растворов, эмульсий, расплавов. Используют водные растворы и эмульсии, растворы на основе мономеров, жидкие полимеры с низкой моле­ кулярной массой (олигомеры). После нанесения клея на поверх­ ность склеивания требуется открытая выдержка для удаления растворителя. Полное удаление растворителя означает схваты­ вание (затвердевание) клея, часть растворителя нужно оставить, чтобы обеспечить формирование клеевого шва. Неполное удале­ ние растворителя понижает прочность шва, является причиной появления пор. Этот недостаток ограничивает применение кле­ ев-растворов, особенно с органическими растворителями, огне­ опасными, часто токсичными и экологически вредными.

Жизнеспособность клея — время с момента смешивания компонентов клея до начала желатинизации, когда клей невоз­ можно наносить.

Адгезию клея оценивают по сопротивлению равномерному отрыву или срезу образцов. Прочность адгезии должна быть не меньше прочности когезии, т.е. собственной прочности мате­ риала клея. Разрушение клеевых швов, как правило, носит сме­ шанный характер.

Для обеспечения требуемых свойств используют многокомпо­ нентные клеевые композиции, в состав которых входят: связую­ щее, носитель, катализаторы, отвердители, ускорители, инги­ биторы, замедлители и различные модифицирующие добавки. Связующее — основа клея, которая определяет свойства клеевого соединения. Носителем клея выступает растворитель, пленка, бумага, различные ткани. Растворитель придает клею необходи­

мую вязкость для нанесения слоя однородной толщины. Ката­ лизаторы и отвердители обеспечивают отверждение клея, при этом катализаторы в реакцию не вступают, а отвердители реагирукУг со связующим и обеспечивают образование сетчатой струк­ туры. В термопластичном клее присутствие катализатора и отвердителя не требуется.

Ингибиторы и замедлители используют для предотвращения нежелательного отверждения при хранении клея, увеличивая тем самым его срок годности (хранения) — время, в течение кото­ рого клей сохраняет пригодность для применения. При превыше­ нии срока хранения изменяется способность клея отверждаться, его вязкостные и другие свойства, что отрицательно сказывается на прочности клеевого шва. Ускорители смешивают с клеем перед его употреблением, нейтрализуя тем самым действие ингибиторов и замедлителей.

Разнообразные модифицирующие добавки — наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и другие — вводят для улуч­ шения технологических свойств, уменьшения остаточных напря­ жений и снижения хрупкости клеевого шва.

Прочность клеевого соединения определяется химической природой и структурой клеящего вещества (адгезива) и склеи­ ваемого материала, состоянием склеиваемых поверхностей, усло­ виями его формирования и рядом других факторов.

Различают адгезионное и когезионное разрушение клеевого соединения. Под адгезией понимается способность клеевой про­ слойки прилипать и прочно удерживаться на поверхности склеи­ ваемого материала, под когезией — собственная объемная проч­ ность клеевого слоя. Соответственно, под адгезионным разруше­ нием понимают разрушение клеевого соединения по границе «склеиваемый материал — адгезив», а под когезионным — разру­ шение по объему клеевой прослойки или склеиваемого материала.

Для хорошего адгезионного взаимодействия требуется обес­ печить контакт подложки и клея на молекулярном уровне. Для этого нужно, чтобы клей был жидким и смачивал подложку, а на поверхности склеивания не было загрязнений (оксидов, пленок смазочных материалов и др.).

Технологический процесс склеивания изделий включает под­ готовку поверхностей под склеивание, нанесение клея, сжатие склеиваемых изделий, отверждение клея, контроль качества клеевого соединения.

252 Раздел I. Материаловедение

Подготовку поверхностей под склеивание производят меха­ ническими и химическими методами. К механическим методам относится зачистка склеиваемых поверхностей посредством аб­ разивного инструмента или пескоструйной обработки, после чего производится обезжиривание склеиваемых поверхностей бензи­ ном, ацетоном или другим растворителем. Из химических методов применяют травление, оксидирование и др.

Технология нанесения зависит от консистенции клеевого со­ става (жидкие, пастообразные, твердые). Жидкие клеи наносят кистью, валиком или распылением. При необходимости наносит­ ся несколько слоев клея, но обязательно после просушки каж ­ дого из них перед нанесением следующего. Пастообразные клеи наносят под давлением шпателем, роликом и другими способа­ ми. Порошкообразные клеи наносят в электрическом поле ана­ логично порошковым лакокрасочным материалам.

Сжатие склеиваемых изделий является необходимой и ответ­ ственной операцией, так как оно обеспечивает требуемый кон­ такт склеиваемых поверхностей, способствует удалению из зоны склейки пузырьков воздуха и растворителя, обеспечивает расте­ кание клея. Обычно давление сжатия составляет 0,05...2,00 МПа. После приложения давления детали нагревают до температуры отверждения клея и выдерживают определенное время. Клеи холодного отверждения могут отверждаться с помощью отвердителей без дополнительного нагрева.

В машиностроении склеивание применяют для соединения металлических деталей, деталей из пластмасс, а также при ре­ монте машин; в самолетостроении склеивают обшивку самолета

сэлементами каркаса крыла; в автомобилях приклеивают обив­ ку салона, панели, металл склеивают со стеклом и пластмассами при креплении ветровых стекол, сборке фар и сигнальных фона­ рей. Клеевые швы, испытывающие значительные статические и динамические нагрузки, получают горячим отверждением тер­ мореактивных клеев. Типичными примерами являются склеива­ ние вала и шестерни, тормозных накладок с подложками, ре­ жущих вставок из твердых сплавов или быстрорежущих сталей

скорпусами из конструкционных сталей. Анаэробные клеи, не требующие очистки поверхности склеивания от масляных пле­ нок и смазочно-охлаждающих жидкостей и отличающиеся бы­ стротой отверждения, применяют при сборочных операциях, для фиксации резьбовых соединений, приклеивания порошковых изделий, которые из-за пористости невозможно обезжирить.

Раздел

II

ПРОИЗВОДСТВО ЧЕРНЫХ И ШЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

11.Металлургия черных металлов

12.Металлургия цветных металлов

-r-t-Ч-Ч МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

1 1 .1 . Производство чугуна

Сплавы железа с углеродом, содержащие свыше 2,14 % угле­ рода, называют чугунами. Их получают путем восстановления железа из оксидов, содержащихся в рудах. Процесс восстановле­ ния железа ведут в доменных печах. В зависимости от назначения

иместа дальнейшей переработки различают чугуны передельные (примерно 80 % от всего выпуска), предназначенные для перера­ ботки в сталь, и литейные, поступающие на машиностроительные заводы и используемые в качестве исходного материала для изго­ товления литых заготовок.

Общая схема взаимосвязи металлургического и машинострои­ тельного производств, их связи с народным хозяйством показана на рис. 11.1. После добычи руду и коксующийся уголь 1 направ­ ляют на подготовку и переработку, которая для кокса сводится

кнагреванию в коксовых батареях 2, а для руды — к ее измель­ чению, обогащению и окускованию 3. Подготовленные таким об­ разом исходные материалы поступают в доменную печь 4, где

ипроисходит восстановление железа из оксидов и его насыщение

углеродом и другими примесями. В случае выплавки передель­ ного чугуна последний направляется в сталеплавильные печи 5, в которых из него получают сталь. Сталь разливается в слитки 6, из которых после прокатки 7 получают заготовки для обработки резанием на станках 8 или готовый продукт (рельсы, балки, листы, трубы). Литейный чугун в виде чушек переплавляется в пла­ вильных агрегатах 9 литейных цехов машиностроительных за­ водов. Из этого чугуна получают литые заготовки, большая часть из которых проходит механическую обработку на станках и в виде готовых деталей подается на сборку и используется в народном хозяйстве. В свою очередь, машиностроительное производство и народное хозяйство поставляют отходы метал­ лообработки (стружку) и лом черных металлов заводам по про­ изводству стали, завершая таким образом круговорот металла.

Рис. 11.1. Связь металлургического и машиностроительного производства

11.1.1. Исходные материалы для доменного производства и их подготовка к плавке

Исходными материалами для доменного производства явля­ ются руда, флюсы, топливо и огнеупоры.

Железная руда состоит из железосодержащих минералов

ипустой породы, в состав которой входят оксиды кремния SiOz (кремнезем), алюминия А1г0 3 (глинозем), кальция СаО и маг­ ния MgO. Качество руды определяется многими критериями, но прежде всего содержанием в ней железа, легкостью восстанов­ ления железа из оксидов, составом пустой породы и концентра­ цией вредных примесей, таких как фосфор, мышьяк и др.

Для производства чугуна используют следующие руды.

Магнитный железняк (магнетит) представляет собой смесь двух оксидов железа (FeO и Fe2Og) и содержит до 70 % железа. Его название связано с наличием в нем магнитного оксида FeO.

256 Раздел II. Производство черных и цветных металлов

Руда имеет темный цвет, прочная и плотная; после измельче­ ния легко обогащается методом магнитной сепарации.

Красный ж елезняк (гематит) содержит до 60 % железа в виде оксида Fe20 3. Он менее плотен, чем магнетит, легко из­ мельчается и восстанавливается.

Бурый железняк (гетит) представляет собой водный оксид железа Fe20 3 • Н20 и содержит до 50 % железа. Это относитель­ но рыхлая, легко восстанавливаемая порода.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит до 40 % железа в виде карбоната FeC03.

Флюсы — это специально вводимые в доменную печь мате­ риалы, снижающие температуру плавления пустой породы и ошлаковывающие золу кокса. Различают основные и кислые флюсы. К основным относятся известняк СаС03 и доломит СаС03 • MgC03, дающие при разложении оксиды щелочной группы СаО и MgO, к кислым — кремнезем Si02 (кислотный оксид).

Выбор флюса зависит от состава пустой породы. Если она имеет песчано-глинистый характер (смесь Si02 и А120 3), то в качестве флюсов применяют известняк или доломит, а если в ней превали­ руют известковые породы, то флюсом служит песок, что в прак­ тике встречается довольно редко.

Основным видом топлива в доменном производстве служит кокс, но в отдельных случаях в дополнение к коксу используют природный газ или пылевидный каменный уголь, которые подают вместе с воздухом, необходимым для горения топлива. Кокс по­ лучают путем нагрева особых сортов коксующихся углей до 1000...1200 °С без доступа воздуха в коксовых батареях. Перед коксованием уголь измельчается в дробилках до частиц разме­ ром 2...3 мм и обогащается. В процессе выдержки при высоких температурах в течение 15...20 ч происходит удаление летучих веществ и спекание угля в пористую массу, которую выгружают из батарей на транспортеры и гасят водой или инертным газом. Для доменного процесса используются куски кокса размером 25...200 мм и пористостью около 50 %. С ростом пористости растет поверхность контакта топлива с кислородом, в результа­ те чего активизируются процессы горения и повышается темпе­ ратура в рабочем пространстве печи. Кокс должен содержать не менее 80 % углерода и возможно меньшее количество серы (2 %), золы (12 %), влаги (5 %) и летучих веществ (1...2 %).

Огнеупоры служат для сооружения рабочего пространства доменных и других плавильных печей. Они должны обладать термостойкостью, механической прочностью и химической стой­ костью по отношению к шлакам. По химическому составу огне­ упоры разделяют на кислые, состоящие из кварцитов (динас), основные (доломит, магнезит) и нейтральные (шамот, углеро­ досодержащие огнеупоры). Они поставляются в виде кирпичей, фасонных блоков и крошки. Состав применяемого огнеупора ока­ зывает определяющее влияние на тип флюса, вводимого при плав­ ке. Так, например, для кислого огнеупора использовать в качестве флюса известняк следует крайне осторожно, так как избыток щелочного оксида в шлаке приведет к быстрому разрушению ки­ слотного оксида огнеупорной кладки. Наибольшее распростране­ ние нашли так называемые шамотные огнеупорные материалы,

обладающие слабокислыми свойствами и состоящие из смеси кремнезема и глинозема.

11.1.2. Доменная печь

Прошедшие предварительную подготовку руды вместе с кок­ сом, расход которого составляет около 50 % от массы выплав­ ляемого чугуна, подаются в доменную печь. Доменные печи относятся к разряду шахтных печей и работают по принципу противотока. Ш ихта (руда, кокс и, если необходимо, известь) подается сверху и по мере плавления руды и выгорания кокса опускается вниз. Воздух, наоборот, вдувается в нижнюю часть печи и перемещается вверх, навстречу шихте. Полезный объем печей обычно не превышает 2000 м3 при высоте примерно 30 м; выплавляется в них до 2000 тчугуна в сутки. Отдельные печи имеют объем свыше 5000 м3.

Схема доменной печи показана на рис. 11.2, а. Шихта 1 пода­ ется в загрузочное устройство 2, оборудованное двумя приемными камерами и запирающими конусами. Попеременное открывание конусов исключает прорыв доменных газов в атмосферу. Под загрузочным устройством располагается колошник 3, из кото­ рого печные газы по трубам удаляются из печи. Шахта 4 печи футеруется (выкладывается) огнеупорным шамотным кирпи­ чом 5. Толщина кладки превышает 1 м. Ниже шахты находятся распар 6, заплечики 7 и горн 8. В верхней части горна, запол­ ненного коксом, находятся 16...20 водоохлаждаемых медных

Рис. 11.2. Конструкция доменной печи:

а — схема доменной печи; <5 — воздухонагреватель

фурм 12, по которым из фурменного пояса 13 в доменную печь под давлением 300 кПа подается нагретый до 900...1200 °С воз­ дух, зачастую обогащенный кислородом. В нижней части горна находятся шлаковая 9 и чугунная 11 летки, через которые с ин­ тервалом 2...3 ч выпускается жидкий шлак и чугун, скапли­ вающиеся на лещади 10.

Каждая доменная печь работает в паре с тремя воздухонагре­ вателями (рис. 11.2, б). Очищенные печные газы, содержащие около 30 % оксида углерода, смешиваются с воздухом и, сгорая

вкамере 14, футерованной огнеупорным кирпичом 15, при темпе­ ратуре около 1300 °С проходят через насадку 16, выложенную из кирпича, отдавая ей свою теплоту, после чего через боров 17 удаляются в атмосферу.

Пока два из трех нагревателей работают в режиме разогрева насадки, в третьем осуществляется нагрев воздуха, подаваемого

вдоменную печь. Направление перемещения воздуха в это время обратное указанному стрелками. После снижения температуры нагрева воздуха ниже установленного предела (обычно 900 °С) происходит автоматическое переключение работы воздухонаг­ ревателя с режима охлаждения насадки в режим ее разогрева.

Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи, отличаются сложностью. В ней одновременно происходит горение топлива, разложение карбонатов, удаление влаги, восстановление оксидов, образование шлака, науглероживание железа и т.д.

Общее представление о распределении температуры по высоте печи и химических процессах, протекающих на различных уров­ нях, можно получить из схемы, представленной на рис. 11.3. В верхней части горна происходит горение кокса и разложение воды влажного воздуха, в результате чего образуется восстанови­ тельная атмосфера, состоящая из СО и Н2. Способностью восста­ навливать металл из оксидов обладает и Ств — твердый углерод кокса или сажистый углерод, образующийся из СО в результате обратимого характера реакции С02 + С = 2СО.

Вверхней части шахты происходит разложение карбонатов (известняка), и если в качестве металлосодержащего компонента используется руда, а не агломерат, идет процесс неполного восста­ новления железа (до FeO) и марганца (до МпО). Окончательное восстановление железа, марганца и кремния осуществляется на

уровне заплечиков и в верхней части горна в основном за счет реакций с углеродом. Здесь же образуется и шлак, состоящий из оксидов кальция, кремния, алюминия и в некоторой степени железа и марганца. Науглероживается железо за счет контакта с коксом и путем растворения свободного углерода, полученно­ го в ходе реакций разложения СО.

Так как кокс является наиболее дорогой и дефицитной со­ ставляющей шихты, разработан ряд мер по снижению его рас-