ткм

карбидостали марок Р6М5К5 + 20 % ТiС, РЗМЗФЗ + 20 % ТiС с твѐрдостью после термической обработки 67–71 HRC.

Применение быстрорежущих сталей позволяет в 10–30 раз повысить стойкость инструментов и в 2–4 раза повысить скорость резания по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

11.2. Стали для измерительного инструмента

Высокоуглеродистые хромистые стали X, ХВГ, 12X1 и другие после закалки и низкого отпуска обладают не только высокими износостойкостью и твѐрдостью, достигающей 62–64 HRС, но и таким замечательным свойством, как сохранение размеров в течение длительного времени. Поэтому такие стали используют для изготовления измерительного инструмента: калибров, шаблонов, плиток, измерительных скоб, шкал, линеек и других плоских и длинных инструментов.

Взакалѐнной высокоуглеродистой стали при комнатной температуре, хотя

имедленно, самопроизвольно протекает процесс старения, заключающийся в частичном распаде мартенсита и превращении остаточного аустенита в мартенсит. Процесс старения приводит к небольшому изменению объѐма и размеров изделия, что недопустимо для измерительного инструмента высокого класса точности. Поэтому измерительные инструменты для предупреждения старения после закалки и отпуска продолжительностью до 60 ч при 120–140 °С иногда подвергают обработке холодом при температуре минус 50–80 °С. Для более полного превращения остаточного аустенита обработку холодом нередко повторяют многократно.

11.3. Штамповые стали

Штамповые стали делят на стали для инструментов холодного и горячего деформирования. Стали для инструмента холодного деформирования должны обладать высокими прочностью и износостойкостью. Твѐрдость в зависимости от условий эксплуатации выбирают в широких пределах – от 54 до 64 HRС. Выбор вязкости и прокаливаемости также определяется условиями работы и, кроме того, размерами и формой штампов. В процессе деформирования штампы разогреваются до 200–350 °С. Поэтому стали должны быть и теплостойкими.

Для холодного деформирования наиболее широко применяются полутеплостойкие стали высокой твѐрдости и износостойкости Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, Т6Ф4М, Х12Ф4М, полутеплостойкие стали высокой твѐрдости с повышенным сопротивлением пластическому деформированию 6Х6ВЗМФС, высокопрочная сталь с повышенной ударной вязкостью 7ХГ2ВМ, стали У10, У11, У12 и др. Стали используются для изготовления матриц и пуансонов формовочных, вырубных и просечных штампов; штампов, работающих в условиях сильного износа и высоких давлений, и других инструментов. Каждая сталь имеет свою область рационального применения. Штампы подвергают термической обработке – закалке и отпуску.

Штампы, деформирующие металл в горячем состоянии, эксплуатируются в более тяжѐлых условиях, подвергаясь периодическому нагреву и охлаждению рабочей поверхности, истирающему действию горячего металла и воздействию сложных напряжений. Поэтому стали для таких штампов должны иметь высокие механические свойства при повышенных температурах, обладать окалиностойкостью, выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования трещин (сетки разгара).

Наиболее часто применяемые штамповые стали для горячего деформирования следующие: стали 5ХНМ, 5ХНВ (для молотовых штампов), сталь 4Х5МФ1С (для штампов горячей высадки и прессования, продолжительно соприкасающихся с нагретым металлом), сталь 4Х2В5МФ (для тяжелонагруженного прессового инструмента при деформировании легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов), стали ЗХ2В8Ф, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС и др. Изделия подвергают закалке и отпуску.

ГЛАВА 12. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 12.1. Электротехнические стали

Представителями электротехнических материалов являются электротехнические стали и сплавы с высоким электросопротивлением.

К электротехническим сталям относится класс ферромагнитных материалов, которые применяются для изготовления магнитно-активных частей приборов и электромашин, вырабатывающих и преобразующих электрическую энергию: генераторов, трансформаторов, электродвигателей, реле, электромагнитов.

В зависимости от содержания кремния (или кремния совместно с алюминием) – главного легирующего элемента – электротехнические стали подразделяются согласно изданному в 2003 г. «Марочнику сталей и сплавов» на шесть групп:

группа 0 – нелегированные стали, содержание не более 0,5 % Si + Al; группа 1 – низколегированные стали, содержащие 0,5–0,8 % Si + Al; группа 2 – слаболегированные стали, содержащие 0,8–2,1 % Si + Al; группа 3 – среднелегированные стали, содержащие 1,8–2,8 % Si + Al; группа 4 – повышеннолегированные стали, содержащие 2,5–3,8 %

Si + Al;

группа 5 – высоколегированные стали, содержащие 3,8–4,8 % Si + Al. Как видно, переход от одной группы к другой плавный,

характеризующийся некоторой общей границей. При переходе от нелегированных сталей к высоколегированным плотность уменьшается от 7 820 до 7 550 кг/м3, а удельное электросопротивление возрастает от 140 до 600 нОм·м.

Образуя с α-железом твѐрдый раствор, кремний увеличивает электрическое сопротивление и уменьшает тем самым потери на вихревые токи, повышает магнитную проницаемость, несколько снижает коэрцетивную силу и потери на гистерезис. В сильных магнитных полях кремний понижает индукцию и повышает хрупкость.

Стали изготовляют горячей или холодной прокаткой, с электроизоляционным покрытием либо незащищѐнной металлической поверхностью. Обозначают марку стали четырьмя-пятью цифрами. Например: 3311, 2421, 3421, 10895. Первая цифра характеризует структуру и вид прокатки: 1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная. Вторая цифра означает одну из шести групп стали, указанных выше. Третья цифра характеризует тип стали по основным нормируемым характеристикам магнитных свойств (определяет потери на гистерезис и тепловые потери). Для всех сталей, исключая релейные, четвертая (последняя) цифра означает уровень основных нормируемых характеристик: 1 – нормальный, 2 – повышенный, 3 – высокий, 4 и более – высшие уровни. Для релейных сталей четвѐртая и пятая цифры задают величину их характеристики (значение коэрцетивной силы в А/м). Например, для марки 10895 значение коэрцетивной силы составляет не более 95 А/м.

После цифрового обозначения марки стали возможно добавление однойдвух букв. Буквой Т обозначается термостойкость, буквой Ш – улучшение штампуемости, буквой Н – нетермостойкое покрытие, буквой У – проведение контроля внутренних дефектов.

Электротехнические стали выпускают в виде рулонов, листов и резаных лент.

12.2. Сплавы с высоким электросопротивлением

Хромоалюминиевые низкоуглеродистые сплавы ферритного класса Х13Ю4 (фехраль), ОХ23Ю5 (хромель), ОХ27Ю5А, обладающие высоким электросопротивлением, нашли применение для электронагревательных приборов. Сплавы изготовляют в виде проволоки и ленты. Максимальная рабочая температура этих сплавов составляет 900, 1 100 и 1 200 °C соответственно, а удельное электросопротивление для проволоки диаметром 1 мм 1,24–1,34; 1,2–1,4; 1,37–1,47 мкОм·м. Содержание углерода в сплавах ограничивают 0,06 %–0,12 %, поскольку образование карбидов приводит к снижению пластичности и сокращению срока службы нагревателей.

Широкое распространение в качестве нагревателей получили нихромы – сплавы никеля с хромом, обладающие высоким омическим сопротивлением. Наиболее известным является сплав Х20Н80 с рабочей температурой до

1050 °C.

Вэлектротехнической промышленности находят применение также некоторые аморфные сплавы.

ГЛАВА 13. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 13.1. Резины

Резины – продукты вулканизации натурального или синтетического каучука, обладающие способностью к большим обратимым деформациям. Чаще всего каучуки вулканизируют, нагревая их в смеси с серой при 140–160 °С (серная вулканизация). В состав смеси вводят также другие вещества, обеспечивающие оптимальные технологические параметры процесса и необходимые эксплуатационные свойства резин. К этим веществам относятся: ускорители процесса вулканизации; пластификаторы, облегчающие переработку резиновой смеси и повышающие морозостойкость резины; добавки, замедляющие процесс старения резины; наполнители, повышающие прочность, сопротивление истиранию и другие механические свойства резины; неактивные наполнители для удешевления резины, красители для еѐ окраски.

В процессе вулканизации пластичный «сырой» каучук превращается в резину, характерными свойствами которой являются:

высокая эластичность; относительное удлинение достигает 1 000 %, причѐм деформации почти полностью обратимы;

малый модуль упругости – 1–10 МПа (0,1–1 кгс/мм2); практическая несжимаемость;

релаксационный характер деформации; время релаксации при комнатной температуре может составлять 10-4 с;

низкая теплопроводность, что приводит при эксплуатации толстостенных изделий в условиях многократных механических напряжений к их сильному перегреву (за счѐт энергии, теряемой на внутреннее трение между молекулами);

небольшая плотность, химическая стойкость, газо- и водонепроницаемость, высокая стойкость к истиранию, электроизолирующие свойства.

Резины подразделяют на резины общего назначения и специальные. К группе резин общего назначения относят резины, получаемые на основе неполярных каучуков (натурального и синтетических бутадиенового, бутадиенстирольного и изопренового). Диапазон рабочих температур резин общего назначения от минус 50 до плюс 150 °С.

Специальные резины подразделяют на несколько видов: теплостойкие (температура эксплуатации свыше +150 °С); морозостойкие (температура эксплуатации ниже минус 50 °С); стойкие в агрессивных средах, например, маслобензостойкие, светоозоностойкие; электропроводящие, диэлектрические; износостойкие, фрикционные и др.

Резиновые материалы применяются в производстве покрышек и камер колес различной техники (свыше половины выпускаемого объѐма резины), конвейерных лент, трубопроводов, уплотнителей, амортизаторов, обуви и т. п. Номенклатура резиновых изделий насчитывает десятки тысяч наименований.

13.2. Пластические массы

Пластические массы (пластмассы, пластики) – это материалы, содержащие полимеры, которые при формовании изделий находятся в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или частично кристаллическом.

Пластические материалы делят на две группы: реактопласты и термопласты. К первым относят те материалы, формирование изделий из которых сопровождается химическими реакциями образования новых ковалентных связей между молекулами – отверждением. В результате этого пластмасса необратимо теряет способность переходить в вязкотекучее состояние. Ко второй группе относят те материалы, при формовании изделий из которых новые ковалентные связи не образуются. Отверждения не происходит, и материал в изделии сохраняет способность при вторичной переработке вновь переходить в вязкотекучее состояние.

Пластические массы, помимо полимера, обычно содержат различные наполнители – неорганические или органические вещества в виде порошка, волокон, зѐрен, жидких или газообразных вкраплений. Эти вещества понижают температуру текучести и вязкость полимера, замедляют его старение, придают окраску, повышают теплостойкость, теплопроводность, химическую стойкость, диэлектрические свойства, стойкость к ударным нагрузкам, улучшают другие свойства пластмасс и делают более разнообразными их физико-механические характеристики.

К основным видам наиболее широко применяемых термопластов относятся: полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол. Эти пластмассы, а также пластмассы на их основе обладают комплексом полезных свойств. Например, пластмассы на основе полиэтилена легко формуются и свариваются, устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, отличаются высокими электроизоляционными свойствами (диэлектрическая проницаемость 2,1–2,3) и низкой плотностью, химически стойки. Повышенной прочностью и теплостойкостью характеризуются изделия из полиэтилена, наполненного стекловолокном.

Среди реактопластов наиболее разнообразное применение нашли фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы. Как уже отмечалось, переработка реактопластов в изделия сопровождается отверждением (полимерная фаза приобретает сетчатую трѐхмерную структуру). Поэтому отвержденные реактопласты имеют, по сравнению с термопластами, более высокие значения твѐрдости, модуля упругости, усталостной прочности, теплостойкости, меньший коэффициент термического расширения.

Пластические массы нашли широкое применение в различных областях экономики:

строительстве (покрытие полов, производство стеновых панелей, перегородок, элементов кровельных покрытий, оконных переплѐтов, герметизация, гидро- и теплоизоляция зданий; производство труб и санитарнотехнического оборудования, домиков для туристов, летних павильонов и т. п.);

машиностроении (производство зубчатых и червячных колѐс, подшипников, роликов, шкивов, направляющих станков, труб, болтов, гаек, технологической оснастки и т. д.);

лѐгкой промышленности и производстве товаров народного потребления;

авиастроении (изготовление с использованием пластмасс корпусов ракет, силовых агрегатов самолетов (оперение, крылья, фюзеляж), реактивных двигателей, колес, стоек шасси, несущих винтов вертолѐтов, элементов остекления и других изделий);

автомобилестроении; электротехнике и электронике;

сельском хозяйстве, особенно при производстве плѐночных материалов; медицинской промышленности (изготовление инструментов, спецпосуды, протезов конечностей, стоматологических протезов, клапанов

сердца, хрусталиков глаза и др.).

Производство пластмасс постоянно возрастает.

ЧАСТЬ II. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА МАТЕРИАЛОВ ГЛАВА 14. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА МЕТАЛЛОВ

Вприроде все металлы (кроме золота, серебра и платиновых) находятся в различных, главным образом оксидных соединениях (рудах). Поэтому основная задача при получении металлов состоит в восстановлении их из оксидов. Восстановлением называется процесс превращения оксидов в элементы или перевод высших оксидов в низшие путѐм отнятия от них кислорода при

помощи восстановителей: C, CO, H2 и других веществ, обладающих большим сродством к кислороду, чем восстанавливаемые элементы.

С точки зрения электронной теории, окисление состоит в потере электронов окисляющимся веществом. Наоборот, при восстановлении оно получает обратно отданные ранее электроны. Следовательно, сущность восстановления состоит в присоединении электронов восстанавливающимся веществом. Таким образом, окислительно-восстановительные реакции определяют процессы, связанные с переходом электронов от одних атомов к другим. Типичный процесс восстановления оксидов можно представить следующей реакцией:

MeO + B = Me + BO,

где МеО – оксид любого металла;

В– восстановитель;

ВО – оксидная форма восстановителя.

При этом исходный оксид является окислителем по отношению к восстановителю и приобретает электроны, в то время как восстановитель их отдает.

Возможно также восстановление путем электролиза водных и солевых растворов. В этом случае надо рассматривать условия присоединения электронов к катиону металла.

Условием прямого протекания реакции восстановления (слева направо) является отрицательное значение изобарного потенциала:

Z < 0,

т. е. самопроизвольный процесс восстановления возможен при условии убыли свободной энергии системы. Чем более отрицательное значение Z, тем более устойчив образующийся оксид и тем труднее он восстанавливается.

Не менее важным показателем сродства восстанавливаемого металла к кислороду является упругость диссоциации оксида металла PO 2 (МеO) и оксида

восстановителя PO 2 (BO). Оксид, имеющий меньшую упругость диссоциации,

более прочен, а образующее его вещество обладает большим сродством к кислороду и поэтому способно отнять кислород от оксида восстанавливаемого металла. Таким образом, восстановителем может быть любой элемент, упругость диссоциации оксида которого меньше упругости диссоциации восстанавливаемого оксида.

Если металлы расположить в ряд по возрастанию упругости диссоциации их оксидов, то можно утверждать, что в этом ряду каждый предыдущий металл

может служить восстановителем для оксида последующего металла. Об этом же можно судить по графику изменения термодинамического потенциала Z (рис. 35) различных оксидов в зависимости от температуры. Чем более отрицателен изобарный потенциал, тем интенсивнее образуется оксид.

Рис. 35. Стандартные изобарные потенциалы образования оксидов из элементов

Очевидно, что медь и никель будут восстанавливаться из их оксидов легче, чем железо. Поэтому в условиях доменной печи или вагранки Cu и Ni

полностью переходят в жидкий чугун. Оксиды железа в этих условиях также почти полностью восстанавливаются. Хром же из оксида Cr2O3 восстанавливается труднее железа, так как ZCr 2 O 3 имеет более отрицательное

значение, чем ZFeO. Еще хуже восстанавливается марганец из MnO, не говоря уже о кремнии и титане, которые как в доменном процессе, так и при плавке в вагранке, почти не восстанавливаясь, переходят в шлак. Что касается алюминия, магния, кальция, то их оксиды, не восстанавливаясь, переходят в шлак, разжижая его.

Располагая оксиды по возрастающей величине сродства металла к кислороду, получим ряд:

Cu2O; NiO; MoO3; FeO; P2O5; ZnO; MnO; SiO2; Al2O3; MgO; CaO,

из которого видно, что железо может быть восстановителем для меди, а для железа восстановителями могут быть цинк, марганец, фосфор, магний, кремний, алюминий, кальций. Чем дальше в этом ряду стоят друг от друга оксиды, тем энергичнее будет реакция восстановления.

Недостатком углеродотермического восстановления, чаще всего применяющегося на практике, являются эндотермичность процесса (реакции протекают с большим поглощением тепла). При использовании в качестве восстановителя металла, имеющего более высокое химическое сродство к кислороду, чем металл восстанавливаемого оксида, процесс идѐт с выделением тепла и возможно получение как чистых металлов, так и сплавов или соединений (металлидов).

Впервые металлотермический процесс был осуществлен Н.Н. Бекетовым в 1865 г. Процессы алюминотермии могут быть применены не только для получения железа, но и марганца, титана, а также сплавов: ферротитана, феррованадия и др.

Рассмотрим общие основы теории металлотермических процессов. Реакция металлотермического восстановления металлов:

МеХ + Ме' ↔ Ме'Х + Ме,

где Ме – металл; Ме' – металл-восстановитель;

Х – может быть кислород, хлор, фтор, протекает слева направо при условии:

Ме'Х из элементов. Приближѐнные значения Z можно найти на диаграмме рис.

35.

Как указывалось выше, для полноты протекания реакции восстановления слева направо величина Z реакции должна быть достаточно большой, т. е. сродство Ме' к элементу Х (ΔZМе'Х) должно быть значительно больше сродства Ме к элементу Х.

Если стандартная величина сродства Ме к Х (ΔZМеХ) больше, чем у Ме' к величине Х (ΔZМе'Х), то реакция между МеХ и Ме' всѐ же может произойти при условии, что растворяются Ме в Ме' или Ме' в МеХ, либо когда Ме или Ме'Х –