РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 8. Антифрикционные, порошковые и композиционные сплавы

алюминиево стальная проволока (КАС-1А), никелево вольфрамовая проволока (ВКН-1).

Композиционные материалы с неметаллической матрицей. Неме-

таллическая матрица – это полимерные, углеродные и керамические материалы. В качестве полимеров используют эпоксидную, фенолформальдегидную и полиамидную матрицы. Упрочнителями служат стеклянные, углеродные, борные, органические, неорганические (нитевидные кристаллы оксидов, боридов, карбидов, нитридов) волокна; металлические проволоки; дисперсные частицы. Полимерные композиты по типу упрочнителя делят на стекло-, карбо-, боро- и органоволокниты.

Вслоистых материалах (см. рис. 8.3, в) волокна, нити после пропитки связующим укладывают в плоскости, которые собирают в пластины. Изменяя способ укладки волокон, получают изотропный или анизотропный КМ.

Стекловолокниты – это композит из синтетической смолы и стекловолокна (армирующего компонента). Неориентированные стекловолокниты – с коротким волокном, а ориентированные – с длинными волокнами. Этим придают стеклопластику высокую прочность.

Карбоволокниты (углепласты) состоят из матрицы – полимерного связующего и упрочнителя – углеродных волокон (карбоволокон). Связующее – синтетический полимер (полимерный карбоволокнит) или карбоволокнит с углеродной матрицей – пиролитический углерод (кокс).

Бороволокниты состоят из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон.

Они имеют высокую прочность (выше, чем у карбоволокнитов) и твёрдость, тепло- и электропроводность, высокие химическую стойкость и сопротивление усталости. Они превосходят металл по вибропрочности.

Органоволокниты состоят из полимерного связующего и упрочнителей – синтетических волокон. Они имеют высокую удельную прочность и жёсткость, устойчивы в агрессивных средах, малочувствительны к повреждениям.

Вгорном машиностроении композиционные материалы применяют для изготовления фрикционных и антифрикционных деталей, бурового инструмента (коронки), деталей конвейеров, комбайнов, электродов, электроконтактов.

8.4. Металлическиестекла

Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные металлы, метглассы) – это металлические сплавы в стеклообразном состоянии, получаемые после охлаждения расплавов с большими скоростями (< 106 К/с). Металлические стекла – это «замороженные» расплавы, т.е. метастабильные системы и поэтому они кристаллизуются при нагревании до температуры около 0,5 Tпл. Образуют металлические стекла переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Co, Ni), благородные и поливалентные неметаллы (C, B, N, Si, P, Ge), которые являются стеклообразующими.

Металлические стекла однофазны, не имеют дефектов структуры (вакансий, дислокаций). У них высокая прочность, большая пластичность, вы-

РАЗДЕЛ III. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Глава 8. Антифрикционные, порошковые и композиционные сплавы

сокая коррозионная стойкость. Некоторые их них – ферромагнетики или они слабо поглощают звук.

Магнитомягкие металлические стекла получают на основе Fe, Co, Ni с добавлением 15–20 % аморфообразующих элементов – B, C, Si, P (например, Fe81Si35B13C2 c высоким значением магнитной индукции). Аморфный сплав Co66Fe4 (Mo, Si, B)30 имеет высокие механические свойства.

Стабильные аморфные сплавы обладают высоким сопротивлением коррозии. Например, металлические стекла на основе Fe и Ni с 3–5 % Cr.

Применение металлических стекол определяют их магнитные и коррозионные свойства.

Контрольныевопросыизадания

1.Приведите примеры марок антифрикционных сплавов.

2.Приведите примеры марок свинцовых и оловянных баббитов.

3.Какая структура определяет антифрикционные свойства баббитов?

4.С какой целью баббиты легируют медью?

5.Приведите примеры марок сплавов на основе цинка.

6.Какие материалы называют металлокерамикой?

7.Опишите пористую металлокерамику и её свойства.

8.Назовите достоинства и недостатки металлокерамики.

9.Какой процесс называют спеканием?

10.Назовите виды конструкционной металлокерамики, их свойства, назначение.

11.Дайте характеристику инструментальной металлокерамики. Каково ее назначение?

12.Какие существуют виды металлокерамики специального назначения с особыми свойствами и как их получают?

13.Какие материалы называют композиционными?

14.Из каких компонентов состоят композиционные материалы?

15.По каким признакам классифицируют композиционные материалы?

16.Опишите металлокомпозиты с металлической матрицей, диспер- сионно-упрочненные и с волокнистым упрочнителем.

17.Дайте характеристику композиционным материалам с неметаллической матрицей.

18.Какие материалы называют металлическими стеклами? Опишите их свойства и виды.

19.Назовите виды защиты металлов от коррозии и опишите их.

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

Глава9. Минеральныеразрыхленные, дисперсныеикаменныематериалы

9.1. Природныекаменныематериалы

Неорганические минеральные вещества – это химические элементы и соединения (оксиды, бескислородные соединения элементов), которые не имеют металлических свойств. Эти материалы обладают химической стойкостью, негорючестью, твердостью, стойкостью к нагреву, стабильностью свойств. Их недостатки – высокая хрупкость, низкая стойкость при изменении температур, растяжении и изгибе.

Природные каменные материалы (ПКМ) – строительные материалы,

получаемые из горных пород механической обработкой (дроблением, расплавлением, раскалыванием и т.д.), после которой почти полностью сохраняются структура и свойства горной породы (табл. 9.1).

По характеру обработки поверхности ПКМ делят на следующие виды:

•природные строительные камни (каменные изделия) – пиленые стеновые материалы и облицовочные камни, архитектурно-строительные изделия (ступени, подоконники), дорожные материалы (брусчатка, бортовые камни), изделия для гидротехнических сооружений, облицовки опор мостов, технические изделия (доски мраморные, плиты поверочные, валы гранитные для бумагоделательного оборудования), декоративно-художественные изделия;

•грубообработанные каменные материалы – бутовый и валунный камни, щебень, гравий, песок.

Причинами разрушения ПКМ являются замерзание воды в порах и трещинах; частое изменение температуры и влажности; химическая коррозия под действием газов (кислорода, водорода и др.) и веществ, растворенных в грунтовой и морской воде.

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Глава 9. Минеральные разрыхленные, дисперсные и каменные материалы

Таблица 9.1

Классификация ПКМ по способу изготовления

* Процесс придания природному камню нужной формы и внешней отделки.

Для защиты каменных материалов от разрушения применяют следующие способы:

•конструктивную защиту – это придание изделиям формы, которая облегчает отвод воды, и гладкой полированной поверхности облицовке;

•физико-химическую защиту – это пропитка поверхностного слоя уплотняющими составами, нанесение на лицевую поверхность гидрофобных (водоотталкивающих) составов, пленкообразующих полимерных материалов (прозрачных и окрашенных).

Природные строительные камни (ПСК). Это строительный материал из горных пород после их распиливания с сохранением структуры и свойств. По плотности их делят на легкие (плотность менее 1 800 кг/м³) и тяжёлые.

Прочность – это потребительское свойство ПСК. Её значение исполь-

зуется в маркировке и оценивается пределом прочности на сжатие σсж, МПа, образцов в воздушно-сухом состоянии.

К потребительским свойствам также относятся истираемость и износ. Для дорожных покрытий, полов применяют твердые мелко- и среднезернистые породы.

Водостойкость ПСК оценивают коэффициентом размягчения Крм (для гидротехнических сооружений Крм составляет не менее 0,8; для наружных стен – не менее 0,6).

Морозостойкость оценивают по числу циклов попеременного замораживания и оттаивания: F10, F15, …, F500. Она зависит от состава, строения и

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Глава 9. Минеральные разрыхленные, дисперсные и каменные материалы

влажности ПСК. Высокая морозостойкость у плотных камней с равномернозернистой структурой и низкая – у слоистых структур.

Огнестойкость зависит от состава и структуры камня. При повышенной температуре одни породы (гипс, известняк) могут разлагаться, а другие (гранит) – растрескиваться.

По назначению ПСК подразделяют: на стеновые, облицовочные, профилированные, дорожные.

Для придания фактуры поверхности используют следующие виды обработки ПСК: ударную, абразивную, термическую.

Стеновые камни получают из плотных, пористых туфов и известняков. Общие требования к стеновым камням: монолитность; плотность от 900 до 2 200 кг/м3; σсж = 5–15 МПа для плотных известняков и σсж = 5–40 МПа для туфов; Крм = 0,6–0,7; морозостойкость – не ниже F15; декоративный внешний вид. Мелкопористые природные камни не облицовывают. Стеновые камни для кладки стен (тип I) и перегородок (тип II) выпускают марок 4, 7, 10, 15, 20, 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 300 и 400 (номера марок соответствуют

значению σсж).

Стеновые блоки имеют нормируемые линейные размеры с допустимыми отклонениями < 10 мм. Каждый камень заменяет в кладке от 8 до 12 кирпичей, а их масса – не выше 40 кг. Один из возможных вариантов размеров стеновых камней – 390×190×188, а крупные стеновые блоки для механизирован-

ной укладки – 300×800×900.

Пилёные и колотые штучные камни из известняков, доломитов, туфов применяют для кладки устоев мостов, укреплений откосов.

Облицовочные камни – это горные породы красивой окраски и рисунка (декоративность) с необходимой морозостойкостью (не менее F15), прочностью (σсж не менее 5 МПа), монолитностью. Крупные блоки получают из блоков природного камня после распиливания с последующей механической обработкой.

Облицовочные камни могут быть из изверженных, осадочных и метаморфических пород. Прочностная классификация следующая: прочные (σсж > 80 МПа); средней прочности (σсж = 40–80 МПа); низкопрочные

(σсж < 40 МПа).

По долговечности выделяют 4 класса: весьма долговечные (начало разрушения через 650 лет); долговечные (200–250 лет); относительно долговечные (75–120 лет); недолговечные (20–75 лет). По декоративности различают высодекоративные, декоративные, малодекоративные и недекоративные камни.

По назначению облицовочные камни разделяют:

•на облицовку гидротехнических сооружений (гранит, изверженные породы с высокими прочностью и твердостью);

•плиты для наружной облицовки зданий (известняк, доломиты, песчаники, туфы); облицовку стен метрополитена выполняют чаще всего из мрамора;

•цокольные плиты (из стойких пород).

РАЗДЕЛ IV. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Глава 9. Минеральные разрыхленные, дисперсные и каменные материалы

Фактура лицевой поверхности облицовочных плит может быть зеркальной (полированной), лощеной (шлифованной порошком), шлифованной абразивным инструментом и пилёной.

Дорожные каменные материалы получают из изверженных и осадочных горных пород, не выветриваемых.

Дорожные каменные материалы подразделяют на следующие виды:

•бортовые камни в виде бруса длиной 70–200 см из прочных изверженных пород (диабаз, базальт, гранит); их изготавливают прямыми и лекальными, высокими (до 40 см) и низкими (до 30 см);

•брусчатка в виде брусков для мощения дорог из мелко- и среднезер-

нистых прочных (σсж не ниже 100 МПа) изверженных пород (базальт, гранит, диабаз и др.); брусчатка может быть высокой БВ (высотой до 160 мм), средней БС (130 мм), низкой БН (100 мм);

•колотый и булыжный камни по форме как многогранная призма (колотый) или овальные (булыжный) из диабаза, базальта, гранита;

•тротуарные плиты в виде прямоугольных плит из слоистых горных

пород.

Грубообработанные каменные материалы. В эту группу входят бу-

товый и валунный камни, щебень, гравий и песок.

Бутовый камень – крупные обломки горных пород, которые получают при разработке взрывным способом известняков, доломитов, песчаников. Его виды по форме: рваный, постелистый, лещадный (ширина в три или более раз больше толщины). Из бута возводят гидротехнические сооружения, кладки фундаментов, получают щебень.

Гравий – рыхлый материал в виде окатанных зерен размером 1–10 мм, который получается при естественном разрушении (выветривании) осадочных горных пород. Примеси в гравии – пыль, глина, если присутствует песок (25–40 %), то материал называют песчано-гравийной смесью. Свойства гравия зависят от породы и регламентируются техническими требованиями стандартов.

Прочность зерен гравия должна обеспечить получение прочности бетона выше заданной на 20–50 %. По степени морозостойкости различают гравий F15, F25, F50, F100, F150, F200, F300. Эта характеристика важна, если гравий идёт на изготовление бетонных сооружений для суровых климатических условий. Природный гравий также используется для приготовления армированного и неармированного бетона в качестве крупного заполнителя. Гравий применяют для бетона марки до 300, требования к нему приведены в ГОСТ 8268-82.

Щебень из природного камня получают дроблением камней на куски

размером 5–70 мм из горных пород, морозостойких с σсж = 120–200 МПа. Получают щебень из гранита, диабаза, изверженных пород, из осадочных пород (известняка, доломита). Природный щебень называют дресвой. Щебень имеет чаще остроугольную форму, а лучшая форма – куб или тетраэдр. Щебень чище гравия.