Твёрдые сплавы и керамика

Твёрдые сплавы - это материалы, состоящие из зёрен карбидов или карбонитридов тугоплавких металлов, соединённых металлической связкой.

Режущая керамика состоит только из твёрдых химических соединений. Основной метод изготовления изделий из этого материала - это порошковая металлургия. Основными средствами порошковой металлургии является получение порошков, приготовление смесей, формирование смесей и спекание. Основной компонент - карбид вольфрама. Металлургический вольфрам получают в две стадии: сначала разлагается вольфрамовая кислота и образуется оксид вольфрама, который затем восстанавливается в водородной среде.

Оксид алюминия Al₂O₃ основа многих видов керамики и получается из бокситов и глинозёма. Наиболее распространённый метод приготовления смеси это размол в шаровых мельницах. Во время размола смесь перемешивается, а тонкость помола определяется временем измельчения и доходит до пяти суток.

Наиболее распространённой технологией порошковой металлургии является прессование в пресс формах. Давление прессования 500-600 МПа. При прессовании качество зависит от равномерности и плотности смеси по объёму. Порошки имеют маленькую пластичность, и это усложняет прессование. При прессовании крупных изделий, эти изделия прессуют с двух сторон и дополнительно в состав вводят пластификаторы (каучук, парафин и т.д.)

Спекание - это заключительная операция, при которой пористое порошковое вещество превращается в малопористое или безпористое. Нормальной считается пористость 0,5%.

Твёрдые сплавы.

Высокая твёрдость, теплостойкость до 1100⁰С, скорость резания до 300 м/мин

ВК - вольфрамокобальтовые сплавы

ТК - титано вольфрамокобальтовые сплавы

ТТК - титано-тантало - вольфрамокобальтовые сплавы

ТН, КНТ - безвольфрамовые сплавы

Сплавы первой группы обладают наибольшей прочностью, теплостойкостью около 900⁰С.

Режущая керамика.

Широко используется как конструкционный материал и имеют особые химические,

фрикционные и теплофизические свойства. В отличие от твёрдых сплавов керамика не содержит металлической связки, теплостойкость до 1400⁰С, скорость резания до 600 м/мин. Основной недостаток керамики - хрупкость.

Применение инструментальных материалов.

Выбор инструментального и любого другого материала определяется его основными и технологическими свойствами, условиями обработки и областью применения. Не меньшее значение имеет конструкция изделия.

Область инструментальных сталей определяется их отличием от других материалов и возможностью изменения свойств за счет термообработки. После отжига эти материалы сами легко обрабатываются, а после упрочнения они приобретают способность к резанию.

Образивы предназначены для шлифования и полирования самых различных материалов. Они могут быть порошком, кругами, брусками, шлифовальной шкуркой, в которой порошки соединены связкой.

Электрокарунд получают плавкой из боксита или глинозема. Применение: для изготовления кругов на органические связки, микропорошков и т.д. Допускают обработку практически любых материалов

Цветные металлы и сплавы.

Медь обладает высокой пластичностью, высокой тепло и электропроводностью. Плотность меди 8,9 г/см^3.

Медь широко применяется в электротехнической промышленности и используется как полуфабрикат при выплавке стали.

Марки меди:

М0 - 99,95% меди

М1 - 99,9% меди

М2 - 99,7% меди

М3 - 99,5% меди

М4 - 99,00% меди

Практически все примеси ухудшают электропроводность меди. Чистая медь из-за низкой прочности в машиностроении широко не применяется. В основном применяются сплавы с цинком, оловом, алюминием, кремнием и т.д.

Сплавы меди с цинком называются латунями, сплавы меди с оловом - свинцом, с кремнием и алюминием и другими материалами называют бронзы.

Алюминий относится к легким металлам, хорошо сопротивляется коррозии. Кремний и железо в его составе повышает прочность, но снижает пластичность. Алюминий марок Al 00, Al 0 применяется для изготовления фольги и покрытий в электропромышленности. Алюминий других марок как конструкционный материал.

Дюралюминий - это сплав алюминия, меди и марганца. Маркируется "Д". Допускает термообработку и естественное старение. Поставляется в виде профилей, прутков, листов и т.д.

Магниевые сплавы

Плотность 1,7 г/см^3, температура плавления 651⁰С, прочности и пластичность маленькие, легко окисляется, склонен к самовоспламенению. Широко используются славы с алюминием, цинком, марганцем и титаном. Алюминий и цинк повышают механические свойства, марганец повышает коррозионную стойкость, титан измельчает зерно. Широко применяется в авиационной и космической технике. Сплавы изготавливают деформированные и литейные, допускают термообработку.

Баббиты - это легкоплавкие подшипниковые сплавы, применяемые для вкладышей подшипников скольжения.

Металлический вкладыш должен обладать малым коэффициентом трения, достаточной износостойкостью и хорошей прирабатываемостью. Второе и третье требование друг другу противоречат. Что бы их совместить в металле должны быть твердая и мягкая фазы. В начале работы мягкая фаза быстрее изнашивается и образуются пустоты в которых удерживается смазка. Для изготовления баббитов используются сплавы свинец - сурьма и олово - сурьма. Иногда применяется легирование медью и другими элементами.

Титан.

Металл серебристо - белого цвета, плотность 4,5 г/см³, температура плавления 1668⁰С. Свойства титана очень сильно зависят от его чистоты. Азот и кислород повышают прочность, но сильно снижают пластичность. Углерод и водород, вредные примеси обладают высокой коррозионной стойкостью даже в морской воде, хорошо свариваются, допускают термическую обработку.

Благородные металлы.

В группу благородных металлов входят: серебро, платина, палладий, золото. Это металлы которые обладают наибольшей химической стойкостью к окружающей среде и действию агрессивных сред.

Серебро.

Белый блестящий металл, плотность 10,49г/см³, самый электропроводный металл, удельное электрическое сопротивление 0,016 мкОм*м, температура плавления 960,8⁰С. Имеет высокие механические свойства, относительное удлинение при разрыве 50%. Это позволяет изготавливать проводники диаметром менее 20 микрон, хорошо держится на диэлектриках, но при повышенной температуре и влажности атомы серебра мигрируют внутрь диэлектрика и нарушается изоляция.

Используются в виде конденсаторов, как в чистом виде, так и в сплавах и для слаботочных контактов. Широко применяются в БЧ и СВЧ устройствах, печатных платах, входят в состав тугоплавких серебряных прибоях. В спец. смесях с графитом применяется для изготовления электрощетков, тахогенираторов.

Платина.

Светло-серый металл, плотность 21,4 г/см³, температура плавления 1773⁰С, удельное электрическое сопротивление 0,105 Ом. Не соединяется с кислородом, химически очень устойчив, имеет высокую пластичность, образует спаи с легкоплавкими стеклами, т.к коэффициент линейного расширения практически одинаковый. Из-за высокой стоимости применяются только в технически-обоснованных случаях. Например: для изготовления сеток в мощных лампах для генератора, для изготовления термопар, при температуре 1600⁰С. Из платины изготавливаются электронити диаметром в 1 микрон.

Золото.

Металл желтого цвета, имеет высокую пластичность, позволяет прокатывать в фольгу толщиной 0,08 микрон. Имеет высокую коррозионную и химическую стойкость, применяется в чистом виде и в виде сплавов с платиной, серебром, никелем и цирконием.

Применяется для изготовления прецизионных контактов, малогабаритных реле, электродов фото элементов, в пленочной технике, золочение контактов и т.д.

Палладий.

Белый пластичный металл по свойствам ближе к платине, иногда ее заменяет. Высокий предел прочности на растяжение. Из него изготавливают электроды для керамических конденсаторов. Широко применяется в элекро вакуумной технике для очистки водорода от примесей, т.к обладает высокой проницаемостью для водорода.

Тугоплавкие металлы.

К этой группе относятся металлы с температурой плавления более 1700⁰С. Как правило, химически устойчивы и имеют повышенную твердость и хрупкость. Применяются в электровакуумной технике, в полупроводниковом производстве, в микроэлектронике, для подвижных контактов и сверхпроводников.

Молибден - близкий по свойству к вольфраму, металл в 2 раза легче, достаточно низкое удельное сопротивление, до 500⁰С. не окисляется.

Тантал

Сверхпроводниковый металл пластичный даже при комнатной температуре, допускает холодную выдержку и сварку. В качестве конструкционного материала выдерживает температуру 1200⁰С, способен поглощать газы в электровакуумных приборах. Из него изготавливают электролитические конденсаторы. Применяется для различных нагревателей и испарителей при нанесении тонких пленок. Основной недостаток - высокая стоимость.

Ниобий.

Пластичный металл, хорошо обрабатывается при комнатной температуре и не корродирует. Применяется для приготовления катодов, анодов и сеток генераторных ламп.

Цирконий.

Металл внешне похожий на сталь, хорошо куется. Циркониевая пыль пожароопасна при температуре 75⁰С, легко воспламеняется. Применяется для тех же целей, что и ниобий в вакуумной технике для поглощения газов.

Дафний.

Металл по внешнему виду похожий на сталь, обладает высокой пластичностью, стоек к окислению до температуры 950⁰С. Вводят в состав вольфрама, молибдена, тантала, для увеличения срока их службы и для изготовления нитей ламп накаливания и катодов рентгеновских трубок.

Ртуть.

Температура плавления - 38,9⁰С, удельное сопротивление 0,96 мкОм*м, легко испаряется при комнатной температуре, пары очень ядовиты. Ртуть и все ее соединения относятся к ядовитым веществам. В ртути хорошо растворяются магний, алюминий, цинк, олово, свинец, кадмий, платина, серебро и золото. Слабо растворяются медь и никель. Не растворяются железо и титан. Применяется в лампах дневного света, для ртутных контактов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях в ртутных лампах.

Кроме этих металлов в полупроводниках и электротехнике широко используются галлий, индий, олово, палладий, свинец, цинк.

Кадмий используется для изготовления фото элементов, покрытий СВЧ волноводов, для гальванических элементов и в качестве замедлителя в атомных реакторов.

Свинец.

Применяется для изготовления кабельных оболочек защищающих кабель, для вставок в главный предохранитель и как материал, поглощающий рентгеновские лучи. Имеет высокую коррозионную стойкость.

Цинк применяется в качестве защитного элемента.

Лекция 10

Полимерные материалы.

Полимерные материалы - это высоко молекулярные вещества с очень большой молекулярной массой.

Получение полимеров связано с образование химически активных групп и их последующим соединениям, в результате чего получае6тся макромолекулы.

Структура макромолекул полимеров может быть линейной, разветвленной, пространственной. Вытянутая длина молекул весьма велика. Например: молекула полистирола состоит из 5000 звеньев, имеет длину 12000 нМ.

Мономеры в молекуле связаны между собой сильной ковалентной связью, а связь макромолекул обусловлена силами Вандервальса, т.е. достаточно слабая, поэтому при повышении температуры такие полимеры легко размельчаются м становятся пластичными и называются термопластами. После охлаждения они вновь затвердевают и приобретают первоначальные свойства, не каких химических превращений не происходит.

Пространственная структура термореактивных полимеров образуется при первоначальном отвердении, следовательно протекание необратимых химических процессов - это состояние является термостабильным и при повторном нагревании они изменяют свои свойства которые не обратимы.

Стеклообразное состояние характеризуется только колебательным движением атомов входящих в состав молекулярной цепи около положения равновесия. При этом движение звеньев и перемещение макромолекул не происходит. В таком состоянии полимер находится до определенное температуры, называемой температурой стеклования.

Полимеры также как и металлы подвержены старению, т.е. самопроизвольному и необратимому изменению свойств в следствии разрушения связи в цепях макромолекул.

Процессы старения развиваются в результате воздействия кислорода, озона, света, температуры.

Для замедления процессов старения в полимеры добавляют стабилизаторы (органические или не органические вещества). Например: при введение сажи в состав полиэтилена в количестве 2-3% процесс старения замедляется в 30раз.

Пластмассы могут быть одно или много компонентными. Состав последних могут входить наполнители, пластификаторы, отвердители, красители.

Наполнители.

Повышают механические свойства, снижает усадку, придают материалам специальные свойства. По виду наполнители делятся на порошковые (древесный, мука, тальк, графит и т.д.), волокнистые (виде волокна натурального или искусственного), слоистые (бумага, ткань (текстолит)), газовые (воздух или нейтральные газы).

Пластификаторы.

Повышают эластичность, морозо- и огнестойкость, облегчает прессование (стеамин и аминовая кислота).

Отвердители.

Оксиды некоторых металлов (уротропин).

Термопластичные пластмассы.

Температура эксплуатации 60⁰С - 200⁰С. При больших температурах ухудшаются свойства, при длительном нагружении изменяются размеры, т.е. пластмасса "течёт".

Полиэтилены.

Производится высокого и низкого давления. Имеет высокую химическую стойкость. При комнатной температуре практически не растворяется. Имеет высокие диэлектрические свойства. Рабочая температура - 70⁰С - +100⁰С.

Полипропилен.

Жесткий, не токсичный материал, с более высокими свойствами чем у полиэтилена, рабочая температура до 150⁰С, морозостойкость до 20⁰С.

Полистирол.

Твердый, жесткий, прозрачный материал, хорошо окрашивается, выдерживает ионизирующие излучение, стоек к кислоте, щелочам, маслам, но низкая теплостойкость, склонен к старению и образованию трещин.

АБС - пластики.

Является ударопрочными материалами, применяется для изготовления высоконагруженных деталей.

Второпласт.

Один из наиболее тепло и химически стойких материалов, рабочая температура от - 269⁰С до +250⁰С. Является высококачественным диэлектриком, хорошим антифрикционным материалом. Применяется для изготовления электротехнических деталей, мембран уплотнительных прокладок и деталей узлов трения. При высокой температуре высоко токсичен.

Поливинилхлорид (ПВХ).

Один из более распространенных материалов, не горюч, обладает высокой химической стойкостью, изготавливают облицовочную плитку, защитные покрытия металлических ёмкостей, изоляция проводов и кабелей. Обладает диэлектрическими свойствами.