Ливарне виробництво

Ливарне виробництво (Л. в.), одна з галузей промисловості, продукцією якої є виливки, одержувані в ливарних формах при заповненні їх рідким сплавом. Річний обсяг виробництва виливків у світі перевищує 80 млн. т. Методами лиття виготовляється в середньому близько 40% (по масі) заготівель деталей машин, а в деяких галузях машинобудування, наприклад у верстатобудуванні, частка литих виробів складає 80%. З усіх вироблених литих заготівель машинобудування споживає приблизно 70%, металургійна промисловість — 20%, виробництво санітарно-технічного устаткування — 10%. Литі деталі використовують у металообробних верстатах, двигунах внутрішнього згоряння, компресорах, насосах, електродвигунах, парових і гідравлічних турбінах, прокатних станах, с.-х. машинах, автомобілях, тракторах, локомотивах, вагонах. Значний обсяг литих виробів, особливо з кольорових сплавів, споживають авіація, оборонна промисловість, приладобудування. Л. п. поставляє також водопровідні і каналізаційні труби, ванни, радіатори, опалювальні казани, грубну арматуру й ін. Широке застосування виливків пояснюється тим, що їхню форму легше наблизити до конфігурації готових виробів, чим форму заготівель, вироблених ін. способами, наприклад куванням. Литтям можна одержати заготівлі різної складності з невеликими припусками, що зменшує витрату металу, скорочує витрати на механічну обробку і, у кінцевому рахунку, знижує собівартість виробів. Литтям можуть бути виготовлені вироби практично будь-якої маси — від декількох г до сотень т, зі стінками товщиною від десятих часток мм до декількох м. Основні сплави, з яких виготовляють виливки: сірий, ковкий і легований чавун (до 75% усіх виливків по масі), вуглецеві та леговані сталі (понад 20%) і кольорові сплави (мідні, алюмінієві, цинкові і магнієві). Область застосування литих деталей безупинно розширюється.

2 Технологія ливарного виробництва

Процес Л. в. різноманітний і підрозділяється: по способу заповнення форм — на звичайне лиття, лиття відцентрове, лиття під тиском; по способу виготовлення ливарних форм — на лиття в разові форми (службовці лише для одержання одного виливку), лиття в багаторазово використовувані керамічні або глиняно-піщані форми, називаються напівпостійними (такі форми з ремонтом витримують до 150 заливань), і лиття в багаторазово використовувані, так названі постійні металеві форми, наприклад кокілі, що витримують до декількох тис. заливань. При виробництві заготівель литтям використовують разові піщані, оболонкові форми, що самотвердіють.

Рисунок 1 - Основні елементи ливарного оснащення при одержанні виливка в разовій формі: а і б — модельний комплект верхньої і нижньої напівформи з опокою; в і г — верхня і нижня заформовані опоки; д — формування стрижневої шухляди; е — ливарна форма, підготовлена до заливання; 1 — направляючий штир; 2 — підмодельна плита; 3 — стіл формувальної машини; 4 — стрижневий знак; 5 — модель; 6 — голівка піскоструйної машини; 7 — стрижнева шухляда; 8 — стрижень

Разові форми виготовляють за допомогою модельного комплекту і опоки (рисунок 1). Модельний комплект складається з власне ливарної моделі, призначеної для одержання в ливарній формі порожнини майбутнього виливка, і стрижневої шухляди для одержання ливарних стрижнів, що оформляють внутрішні або складні зовнішні частини виливків. Моделі зміцнюють на модельних плитах, на яких встановлюють опоки, заповнювані формувальною сумішшю. Заформовану нижню опоку знімають з модельної плити, перевертають на 180° і в порожнину форми вставляють стрижень. Потім збирають (спаровують) верхню і нижню опоки, скріплюють їх і заливають рідкий сплав. Після затвердіння й охолодження виливок разом з ливниковою системою витягають (вибивають) з опоки, відокремлюють ливникову систему й очищають виливок — виходить лита заготівля.

Найбільш поширено в промисловості виробництво виливків у разових піщаних формах. Цей спосіб застосовується для виготовлення з різних сплавів заготівель будь-яких розмірів і конфігурації. Технологічний процес лиття в піщані форми складається з ряду послідовних операцій: підготовка матеріалів, готування формувальних і стрижневих сумішей, виготовлення форм і стрижнів, простановка стрижнів і зборка форм, плавка металу і заливання його у форми, охолодження металу і вибивання готового виливку, очищення виливку, термообробка й обробка.

Матеріали, застосовувані для виготовлення разових ливарних форм і стрижнів, поділяються на вихідні формовочні матеріали і формувальні суміші; їхня маса дорівнює в середньому 5—6 т на 1 т придатних виливків у рік. При виготовленні формувальної суміші використовують відпрацьовану формувальну суміш, вибиту з опок, свіжі піщано-глинисті або бентонітові матеріали, добавки, що поліпшують властивості суміші, і воду. У стрижневу суміш звичайно входять кварцовий пісок, звязуючі матеріали (олія, смола й ін.) і добавки. Готування суміші роблять у визначеній послідовності на сумішеприготувальному обладнанні; ситах, сушилах, дробилках, млинах, магнітних сепараторах, змішувачах і т.п.

Форми і стрижні виготовляють на спеціальному формовочному обладнанні і верстатах. Насипана в опоки суміш ущільнюється струшуванням, пресуванням або спільно тим і ін. способом. Великі форми заповнюють за допомогою піскометів, рідше для виготовлення форм використовують піскодувні і піскострілові машини. Форми в опоках, заформовані в стрижневих шухлядах стрижні піддаються тепловому сушінню або хімічному твердінню, наприклад при литті в самотвердіючі форми. Теплове сушіння здійснюють у ливарних сушилах, а сушіння стрижнів роблять також у нагрітій стрижневій шухляді. Збирання форм складається з наступних операцій: установка стрижнів, з'єднання половин форм, закріплення форм скобами або вантажами, установлюваними на верхню форму і запобігаючими їхнє розкриття при заливанні сплавом. Іноді на форму встановлюють ливникову чашу, виготовлену зі стрижневої або формувальної суміші.

Плавлять метал в залежності від виду сплаву в печах різного типу і продуктивності. Найбільше часто ливарний чавун виплавляють у вагранках, застосовують також електричні плавильні печі (тигельного, електродугового, індукційні, канального типу й ін.). Одержання деяких сплавів з чорних металів, наприклад білого чавуна, ведуть послідовно в двох печах, наприклад у вагранці й електропечі (т.зв. дуплекс-процес). Заливку форм сплавом здійснюють із заливальних ковшів, у які періодично надходить сплав із плавильного агрегату. Затверділі виливки звичайно вибивають на вібраційних гратках або коромислах. При цьому суміш просипається через ґрати і надходить у сумішеготувальне відділення на переробку, а виливки — в очисне відділення. При очищенні виливків з них видаляють пригорілу суміш, відбивають (відрізають) елементи ливникової системи і зачищають затоки сплаву і залишки літників. Ці операції проводять у галтовочних барабанах, дробеструменевих і дробеметальних установках. Великі виливки очищають гідравлічним способом у спеціальних камерах. Обрубання і зачищення виливка здійснюють пневматичними зубилами й абразивним інструментом. Виливок з кольорових металів обробляють на металорізальних верстатах.

Для одержання необхідних механічних властивостей більшість виливків зі сталі, ковкого чавуна, кольорових сплавів піддають термічної обробки. Після контролю якості лиття і виправлення дефектів виливок офарблюють і передають на склад готової продукції.

3 Механізація й автоматизація ливарного виробництва

Більшість технологічних операцій у Л. в. дуже трудомістке, протікає при високій температурі з виділенням газів і пилу, що містить кварц. Для зменшення трудомісткості і створення нормальних санітарно-гігієнічних умов праці в ливарних цехах застосовують різні засоби механізації й автоматизації технологічних процесів і транспортних операцій. Впровадження механізації в Л. в. відноситься до середини 20 в. Тоді для готування формувальних матеріалів почали використовувати бігуни, сита, рихлювачі, а для очищення виливків — піскоструминні апарати. Були створені найпростіші формувальні машини з ручним набиванням форм, пізніше стали застосовувати гідравлічні преси. У 20-х рр. з'явилися і швидко поширилися пневматичні струшуючі формувальні машини. На кожній технологічній операції прагнули замінити ручну працю машинною: удосконалювалися устаткування для виготовлення форм і стрижнів, пристрої для вибивки й очищення виливків, механізувалося транспортування матеріалів і готових виливків, були впроваджені конвеєри, розроблені методи потокового виробництва. Подальший ріст механізації Л. в. виражається в створенні нових удосконалених машин, ливарних автоматів і автоматичних ливарних ліній, в організації комплексно-автоматизованих ділянок і цехів. Найбільш трудомісткі операції при виробництві виливків — формування, виготовлення стрижнів і очищення готових виливків. На цих ділянках ливарних цехів найбільшою мірою механізовані і частково автоматизовані технологічні операції.

Рисунок 3 - Автоматична лінія системи Бюрер — Фішер (Швейцарія) для виготовлення форм, заливки їх сплавом и вибивання готових виливок

Особливо ефективне впровадження в Л. в. комплексній механізації й автоматизації.

Перспективними є автоматичні лінії формування, збирання і заливання форм сплавом з охолодженням виливків та їхнім вибиванням. Наприклад, на лінії системи Бюрер — Фішер (Швейцарія) (рисунок 3) виготовлення форм, заливання їх сплавом і вибивання виливків з форм автоматизовані.

Рисунок 4 - Пристрій для автоматичного заливання форм на конвеєрі заводу Г. Фішер (Швейцарія)

Рисунок 5 - Автоматична лінія зачистки блоку циліндрів із шліфувальними агрегатами (фірма «Норітакэ», Япония)

Успішно працює установка для автоматичного заливання форм сплавом на конвеєрі, що безупинно рухається (рисунок 4). Маса рідкого сплаву для заповнення форм контролюється електронним апаратом, що враховує металоємність визначеної форми. Пристрій оснащений автоматичною сумішеприготовальною системою, контроль якості формувальної суміші і регулювання сумішеприготовання здійснюються автоматичним пристроєм (системи «Молдабіліті-контроллер», Швейцарія).

Для фінішних операцій (очищення і зачищення виливків) застосовують прохідні барабани безперервної дії з дробеметальними апаратами. Великі виливки очищають у камерах безперервної дії, уздовж яких виливки пересуваються на замкнутому транспортері. Створено автоматичні очисні камери для виливків, що мають складні порожнини. Наприклад, фірмою «Омко-Нангборн» (США — Японія) розроблена камера типу «Робот». Кожна така камера являє собою незалежний механізм для транспортування виливків, що працює автоматично, виконуючи команди, що надходять від так званих модулів керування, розставлених на монорельсовій транспортній системі. У зоні очищення по заздалегідь заданій програмі з оптимальною швидкістю обертається підвіска, на яку автоматично навішується виливок. Двері камери відкриваються і закриваються автоматично.

При масовому виробництві попереднє (чорнове) зачищення виливків (обдирання) здійснюється в ливарних цехах. Під час цієї операції також підготовляються бази для механічної обробки виливків на автоматичних лініях у механічних цехах. Заключні операції можуть вироблятися і на автоматичних лініях. На рисунку 5 показана автоматична лінія японської фірми «Норітакэ» для зачищення блоків циліндрів автомобіля Така лінія дозволяє обробити 120 блоків за 1 год.

Ще в 40-і рр. у промисловості почали застосовувати метод виготовлення виливків високої точності по виплавлюваних моделях. За відносно короткий термін усі технологічні операції процесу були механізовані. В Росії створене комплексно-автоматизоване виробництво лиття по виплавлюваних моделях з випуском 2500 т дрібних виливків у рік (рисунок 6).

Рисунок 6 - Комплексно-автоматизований цех лиття по ливарним моделям з річним випуском 2500 т виливок в рік

Питання для самоперевірки

1. Які види лиття вам відомі?

2. Що входить в обладнання ливарного виробництва?

3. Яке виробництво виливків найбільш поширено в промисловості?

4. Пояснити послідовність технологічного процесу лиття?

5. Які основні операції технологічного процесу отримання виливку в піщаній формі?

6. В чому найбільш часто виплавляють ливарний чавун?

7. Які основні переваги має лиття?

Список використаних джерел:

1. Хільчевський Б. В., Кондратюк С. Є., Степаненко В. О. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів. Навч. посібник. – К.: Либідь, 2002. -328 с.

2. Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. -Л.: Машиностроение 1987 г.-363с., ил.

3. Технология металлов и материаловедение. Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. И др. - М.: Металлургия, 1987 г. - 800 с., ил

СРС № 16

Тема: Відпал та нормалізація

Мета: пояснити основні технологічні властивості, переваги та недоліки, відпалу та нормалізації сталі, їх класифікацію сформувати у студента потреби у набутті практичних навичок.

План

1 Призначення та класифікація відпалу сталі

2 Відпал сталі першого роду

3 Відпал сталі другого роду

4 Сутність та призначення нормалізації

1 Призначення та класифікація відпалу сталі

Після виливання, прокатки, кування й інших видів обробки заготівель вони прохолоджуються нерівномірно, результатом чого є неоднорідність структури й властивостей у різних частинах заготівлі, а також поява внутрішніх напружень. Виливки, крім того, при затвердінні виходять неоднорідними по складу внаслідок ліквації.

Відпалом називають операцію нагрівання, витримки при заданій температурі й охолодження заготівель. Академік А. А. Бочвар дав визначення двох видів відпалу: відпал першого роду — приведення структури з нерівновагого стану в більш рівноважний (повернення або відпочинок, рекристалізаційний відпал, або рекристалізація, відпал для зняття внутрішніх напружень і дифузійний відпал або гомогенізація); відпал другого роду — зміна структури сплаву за допомогою перекристалізації біля критичних крапок з метою одержання рівноважних структур.

Відпалом досягається також здрібнювання зерна. Грубозерниста структура виходить, наприклад, у результаті перегріву сталі. З ростом зерна знижується ударна в'язкість, особливо при високій твердості (після загартування й низького відпуску), підвищується схильність до гартівних тріщин.

2 Відпал сталі першого роду

Відпал першого роду частково або повністю усуває від­хилення від рівноважного стану металу, які виникли внаслідок його попередньої обробки (лиття, обробка тиском, зварювання, термооб­робка). Під час відпалу першого роду фазові перетворення не відбуваються. Якщо ж вони все ж таки мають місце, то на властивості сталі істотно не впливають. Процеси, які усувають відхилення від рівноважного стану, здійснюються самодовільно, і нагрівання при відпалі першого роду здійснюють лише для їхнього прискорення. Основні параметри такого відпалу — температура і тривалість нагріву, швидкість нагрівання і охолодження мають другорядне зна­чення.

Залежно від того, які відхилення від рівноважного стану усувають­ся, розрізняють такі різновиди відпалу першого роду.

Рекристалізаційний відпал використовують для зменшення твер­дості наклепаної холоднодеформованої сталі, підвищення її в'яз­кості, одержання певного розміру зерна. Сталь для цього нагрівають до температури початку рекристалізації (нижче критичної точки А₁), витримують 3...6 год і повільно охолоджують до 500 °С і далі на повітрі. В результаті замість структури деформованого металу утво­рюється рівноважна дрібнозерниста, вільна від залишкових напру­жень структура. Роздрібнення зерна пов'язане з перекристалізацією: при нагріванні із грубозернистої феритно-перлітної структури утвориться дрібнозерниста структура аустеніту. При повільному охолодженні з таких зерен аустеніту кристалізується дрібнозерниста феритно-перлітна суміш.

Гомогенізуючий (дифузійний) відпал застосовують для вирівню­вання хімічного складу та підвищення однорідності структури литої легованої сталі або для зниження схильності прокату до утворення флокенів і шиферності. Сталь для цього нагрівають вище темпера­тури точок А₃ і А_ст (1000...1150 °С) протягом 10...15 год і повільно охолоджують. Внаслідок цього утворюється однорідна структура з великим зерном, яке подрібнюють під час наступної термічної обробки або при прокатуванні.

Відпал на велике зерно застосовують для поліпшення оброблюва­ності сталі різанням. Оскільки структури з більшим зерном обробля­ються легше, штучно розмір зерна мало вуглецевої сталі збільшують нагрівом до 950...1100 °С і повільним охолодженням її разом з піччю.

3 Відпал сталі другого роду

Відпал другого роду базується на використанні дифузійних (нор­мальних) фазових перетворень при охолодженні металів і сплавів. Принципову можливість застосування до сплаву відпалу другого роду можна визначити за діаграмою стану. Його проводять для сталей і сплавів, які мають поліморфні, евтектоїдні або перетектоїдні пере­творення, а також у разі перемінної розчинності у твердому стані. Практично доцільність відпалу другого роду визначає те, наскільки структурні зміни впливають на властивості сплаву. Відпал може бути здійснений з повним або частковим зміненням фазового складу.

Залежно від змін, що відбуваються у фазово-структурному стані, відпал може бути:

- повним;

- неповним;

- сфероїдизуючим;

- ізотермічним.

Повний відпал застосовують для зменшення твердості, внутрішніх напружень, структурної неоднорідності, подрібнення зерна, підвищення в'язкості й пластичності, поліпшення оброблюва­ності сталі. За повного відпалу відбувається фазова перекристалізація феритної та перлітної складових структури при температурі на 30...50 °С вище температури точки А₃ і охолодженні зі швидкістю 20...200 ⁰С/год. Швидкість охолодження залежить від складу сталі, маси і форми виробів.

Неповний відпал використовують для зменшення твердості та покращення оброблюваності сталей різанням. При цьому відбувається перекристалізація лише перлітної складової структури. Після нагрівання до температури на 40...60 °С вище точки А₁, витримування і повільного охолодження утворюються перліт і ферит у доевтектоїдних сталях та перліт і цементит у заевтектоїдних. Для заевтектоїдних сталей неповний відпал використовують замість повного.

Сфероїдизуючий відпал (сферодизація карбідів) застосовують для зниження твердості, підвищення оброблюваності різанням високовуглецевих та інструментальних сталей, підвищення пластичності мало- і середньовуглецевих сталей перед холодним штампуванням і волочінням. Режим такого відпалу включає нагрі­вання до температури, трохи вищої від температури А₁ повільне охолодження (30...40 °С/год) до 600 °С і далі на повітрі або циклічне багаторазове нагрівання вище температури точки А₁ і охолодження нижче цієї температури. За цих умов відбувається усунення пластин­частого і змішаного перліту та цементитної сітки, утворюється кін­цева структура фериту та зернистого цементиту.

Ізотермічний відпал використовують для скорочення тривалості відпалювання прокату або заготовок після кування з ле­гованих сталей. Здійснюють його нагріванням на 30...50 °С вище температури точок А₁ або Аст (для заевтектоїдних сталей) і витриму­ванням за цих температур. Далі прискорено охолоджують до темпе­ратури найменшої стабільності аустеніту (650...680 °С) та витримують ізотермічно до повного розпаду аустеніту з подальшим охолоджен­ням на повітрі. При цьому спочатку утворюється аустеніт, а потім відбувається його ізотермічний розпад на феритно-карбідну суміш. Кінцева структура після ізотермічного відпалювання — пластин­частий перліт і ферит, а в заевтектоїдних сталях — перліт і цементит.

4 Сутність та призначення нормалізації

При нормалізації сталь після нагрівання прохолоджується не в печі, а на повітрі в цеху, що економічніше. Нормалізаційний відпал (нормалізація) є ефективним засобом усунення грубозернистої структури після лиття і кування. Для низьковуглецевих сталей використовується замість повного відпалу. Виливки середньовуглецевих сталей нормалізують замість гартування для зменшення короблення та тріщиноутворення. Нор­малізацію з високим відпуском замість повного відпалу використову­ють для виправлення структури легованих сталей. У результаті нормалізації сталь здобуває дрібнозернисту й однорідну структуру. Твердість і міцність сталі після нормалізації вище, ніж після відпелу. Нормалізацію здійснюють при температурах А₃ (для доевтектоїд­них сталей) або А_ст (для заевтектоїдних) з наступним охолодженням на спокійному повітрі (V_ox = 30 °С/хв). При цьому отримують дрібне зерно і досягають рівномірного розподілу структурних складових сталей. Порівняно з відпалом, нормалізація є більш дешевою термічною операцією, оскільки у цьому випадку термічні печі вико­ристовують лише для нагрівання та витримування сталі при темпе­ратурі нормалізації.

Питання для самоперевірки

1. Яке призначення має відпал?

2. Які види відпалу вам відомі?

3. В чому полягає сутність процесу відпалу?

4. Що таке нормалізація?

5. Пояснити які властивості досягаються при нормалізації?

6. Який вид відпалу використовується для зменшення твердості та покращення оброблюваності сталей різанням?

7. Що називається відпалом першого роду?

8. Яка основна відмінність між відпалом та нормалізацією?

Список використаних джерел:

1. Дальский А. А., Арутюнова Н. А., Барсукова Т. М. Технология конструкцион­ных материалов/Под ред. Л. Л. Дальского.—2-е изд.—М.: Машиностроение, 1985.—448 с.

2. Полевой С. Н., Евдокимов В. Д. Обработка инструментальных материалов: Справочник технолога инструментального цеха. - К.: Техніка, 1980. - 150 с.

3. Технология металлов и материаловедение. Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. И др. - М.: Металлургия, 1987 г. - 800 с., ил

СРС № 17

Тема: Способи захисту металів від корозії

Мета: пояснити основні методи захисту металів від корозії, їх використання, переваги, недоліки та класифікацію, сформувати у студента потреби у набутті практичних навичок

План

1 Загальні відомості

2 Класифікація способів захисту металевих виробів від корозії

2.1 Металеві покриття

2.2 Неметалеві покриття

2.3 Інгібітори корозії

2.4 Хімічний і електрохімічний захист

1 Загальні відомості

Всі конструкційні та інструментальні метали й сплави піддаються корозії. Сталь і чавун становлять основну масу металевих виробів, тому захист їх від корозії вимагає особливої уваги. Виробництво корозійно-стійких сплавів (наприклад, високолегованої хромової й хромонікелевої сталі) саме по собі вже є способом боротьби з корозією. Нержавіюча сталь і чавун, так само як і коррозійно-стійкі сплави кольорових металів, - досить коштовний антикорозійний матеріал, однак застосування таких сплавів не завжди можливо через їхню високу вартість або по технічних міркуваннях.

На практиці застосовуються наступні способи захисту металевих виробів від корозії:

- металеві;

- неметалічні покриття;

- інгібітори корозії;

- електрохімічний захист.

2 Класифікація способів захисту металевих виробів від корозії

2.1 Металеві покриття

Ці покриття широко застосовують для захисту від корозії виробів і деталей машин, приладів, металоконструкцій. Поряд із захистом від корозії металеві покриття підвищують зносостійкість, антифрикційність, жароміцність.

Розрізняють анодні й катодні металеві покриття. Анодні покриття виконують металами, електродний потенціал яких у даному електроліті нижче потенціалу металу, що покриває (основного), наприклад, покриття заліза цинком. Анодне покриття електрохімічно захищає основний метал готових виробів. Термін служби анодних покриттів зростає при збільшенні їхньої товщини.

Катодні покриття виконують металами, електродний потенціал яких у даному електроліті вище потенціалу основного металу. Катодні покриття створюють механічний захист основного металу. Порушення суцільності покриття (роз'єднання, механічні ушкодження) спричиняє посилену електрохімічну корозію основного металу. У багатьох випадках суцільність покриття може зберігатися досить довго; настільки ж тривалою буде й захист основного металу. Прикладом катодного покриття є нікелювання сплавів заліза.

Металеві покриття наносять гальванічним, термодиффузійним, гарячим способами, а також напилюванням, плакуванням.

Гальванічні покриття одержують при електрокристалізації — осадженні на виробі — катоді позитивно заряджених іонів металів з електролітів при пропущенні через них постійного струму. Як аноди застосовують метали покриття (хром, нікель, мідь, цинк, олово, срібло, золото), які в ході процесу розчиняються в електроліті й поповнюють його катіонами, що розряджаються на катоді. Принципова схема електролітичного нанесення хромувального покриття показана на рисунку 1.

Рисунок 1 – Електролітична ванна: а – 1 внутрішній корпус; 2 – корпус (фанерний); 3 - теплоізоляція (скловолокно); 4 – тепло ізолюючий шар (пісок, азбестова крошка, скловата); 5 – трубчатий електродвигун; 6 - контактний градусник; 7 – ємність; 8 - кришка; б – Схема керування пристроєм

При гальванічних покриттях забезпечується нанесення покриття з будь-якого металу на заготівлі також з будь-якого металу.

Поряд з гальванічними існують хімічні покриття, що осаджують на поверхню заготівлі без зовнішньої поляризації, коли в розігрітий електроліт завантажують холодні заготівлі.

Термодиффузійнний спосіб полягає в поглинанні захисного металу поверхневим шаром заготівель і здійснюється при високих температурах. Цим способом виконують алітування (захисний метал - алюміній), хромування, силицирування (захисний елемент - кремній).

Гарячий спосіб застосовують для нанесення тонкого шару легкоплавких металів: олова (лудіння), цинку (цинкування) або свинцю (свинцювання). Очищену заготівлю при цьому занурюють у розплавлений захисний метал, що змочує її.

Лудіння застосовують в основному у виробництві білої жерсті й для мідного посуду; цинкування - для дроту, дахового заліза, труб; свинцювання - для хімічних апаратур і труб.

Напилювання плазмовим струменем одержує все більше поширення. Напилюючий матеріал розплавляється в потоці газорозрядної плазми аргону, азоту, аміаку або водню. Матеріалом покриття можуть бути метали (А1, Сn, Т1, V1, Сг, Мо й ін.), оксиди (А1₂О₃, С1₂О₃, SіО₂ і ін.), карбіди (В₄С, ТіС, NbC та ін.), бориди, силіциди, нітриди металів, які застосовують у вигляді дроту й прутків (діаметром 0,5—3 мм) або порошків сферичної форми (діаметром 20-100 мкм).

Напилювання використають для виробів зі сталі, сплавів алюмінію, міді, титана та інших металів. Перевагами плазмового способу є універсальність, формування покриттів високої густини при гарному зчепленні з основним металом, легкість керування процесом.

Плакування (термохімічне покриття) полягає в спільній гарячій прокатці або волочінні основного й захисного металів. Зчеплення між металами здійснюється в результаті дифузії під впливом спільної деформації гарячої заготівлі. Метал, що захищає, (сталь, сплави титана) покривають із однієї або по обидва боки міддю, томпаком, коррозійно-стійкою сталлю, алюмінієм.

Припікання — це новий спосіб нанесення покриттів, що утворяться з порошків металів (залізних, мідних, титанових, нікелевих, хромових), а також нітридів, боридів, силіцидів металів і пластмас. Операція припікання складається в нанесенні на підготовлену поверхню заготівлі порошкового шару й нагрівання, у процесі якого порошок спікається, створюючи суцільний захисний шар, і одночасно припікається до поверхні основного металу.

Крім захисту від корозії, припікання використають для відновлення зношених поверхневих шарів деталей.

2.2 Неметалеві покриття

До неметалевих відносяться покриття лаками, фарбами, змащенням, емалями, а також гумою й ебонітом.

Лакофарбові покриття мають саме широке поширення для захисту металоконструкцій, машин і механізмів у різних агресивних середовищах. Вхідні до складу лакофарбових покриттів плівкоутворювачі забезпечують при правильному виборі лакофарбових матеріалів і технології їхнього нанесення високу адгезію до металів, одержання суцільний, еластичної й безпористої плівки, що ізолює метал від корозійного середовища.

Технологічний процес лакофарбового покриття містить в собі підготовку поверхні, готування лакофарбових матеріалів, нанесення покриттів і сушіння. Лакофарбові матеріали наносять кистю, валиками, розпиленням, зануренням, струминним електроосаджуванням.

Термін служби антикорозійних лакофарбових покриттів від 1 до 5 років. До недоліків цих покриттів відносять зниження ефективності захисту з часом у результаті пороутворення й проникнення агресивного середовища, а також обгорання при високих температурах.

Як змащення застосовують мінеральні масла й жири. Захист змащенням виконується при зберіганні й перевезенні металевих виробів. Змащення періодично обновляють.

Покриття гумою й ебонітом називають гумуванням; його застосовують для захисту хімічної апаратур (посудини, трубопроводи, травильні й гальванічні ванни, крани, цистерни) від корозійної дії кислот, лугів, розчинів солей. Для гумування поверхні заготівель знежирюють, покривають гумовим клеєм і аркушами сирої гуми або ебоніту, потім роблять вулканізацію і обробку.

2.3 Інгібітори корозії

Інгібіторами корозії є деякі органічні й неорганічні з'єднання, які вводять у невеликих кількостях в агресивне середовище, чим забезпечується запобігання або зменшення швидкості корозії внаслідок зміни механізму й кінетики електродних процесів. Інгібітори використають для захисту металоконструкцій свердловин, трубопроводів, теплообмінних апаратів, хімічного встаткування.

2.4 Хімічний і електрохімічний захист

Хімічний захист полягає в штучному створенні на поверхні виробів захисних неметалічних плівок (найчастіше оксидних) за рахунок окислювання поверхневого шару металу. Наведення оксидних плівок називають оксидуванням, а на залізі й сталі — воронуванням у зв'язку із синьо-чорними кольорами покриття. Для воронування сталей найпоширеніший спосіб занурення заготівель у розчини азотно-кислих солей при температурі 140 °С. Оксидування застосовують для алюмінію, магнію і їхніх сплавів. Цим способом здійснюють захист виробів від повітря й опадів. Для виробів, підданих дії більше агресивних середовищ, цей спосіб неприйнятний. Крім оксидних плівок, на сталевих виробах наводять плівки фосфорно-кислих солей заліза й марганцю (фосфатирування); ці плівки в порівнянні з оксидними є більше міцними.

Електрохімічний захист позділяється на протекторний та катодний.

Протекторний захист застосовують для виробів, що стикаються з електролітами. Поблизу поверхні, що підлягає захисту, установлюють протектори з металу, що має в даному електроліті менший електродний потенціал, ніж потенціал основного металу. При цьому утвориться гальванічна пара протектор - основний метал, у якій протектор буде анодом, а основний метал - катодом. У таких умовах протектор буде поступово руйнуватися, захищаючи тим самим основний метал. Після повного руйнування протектор заміняють.

Так, наприклад, за допомогою цинкового протектора захищають від корозії підводні частини судна (гвинти й кіль).

Катодний захист застосовують для підземних металевих споруджень (трубопроводів, кабелів і т.д.), які приєднуються до негативного полюса джерела постійного струму; позитивний полюс заземлений.

Питання для самоперевірки

1. Які застосовуються на практиці способи захисту металевих виробів від корозії?

2. Які види металевих покриттів вам відомі?

3. Якими способами наносять металеві покриття?

4. В чому полягає термодифузійнний спосіб?

5. Яке призначення та використання мають гальванічні покриття?

6. Зобразити принципову схему процесу нанесення гальванічного покриття?

7. Що називається інгібіторами корозії?

8. Які види нанесення гальванічного покриття вам відомі?

Список використаних джерел:

1. Берлин В.И., Захаров Б.В, Мельниченко П.А. – Транспортное материаловедение. М.: Транспорт, 1982 г.- 358 с.

2. Никифоров В.М. Технология металлов і конструкционные материалы. -Л.: Машиностроение 1987 г.-363с., ил.

3. Технология металлов и материаловедение. Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. И др. - М.: Металлургия, 1987 г. - 800 с., ил

СРС № 18

Тема: Композиційні матеріали, їх використання на транспорті

Мета: пояснити принципутворення композиційних матеріалів, їх класифікацію, сформувати вміння виділяти головне в отриманій інформації, робити висновки

План

1 Основні поняття та означення композиційних матеріалів

2 Класифікація композиційних матеріалів

3 Карбоволокніти

1 Основні поняття та означення композиційних матеріалів

Рисунок - 1 Схематичне зображення структури ортотропного КМ, армованого чергуючими шарами волокон в двох взаємно перпендикулярних напрямках

Композиційними називаються матеріали, які мають наступну сукупність ознак: не зустрічаються в природі, оскільки створені людиною; складаються з двух чи більше компонентів, які розрізняються по своєму хімічному складу і розділених вираженою границею; мають нові властивості, які відрізняються від властивостей складових їх компонентів; неоднорідні в мікро масштабі і однорідні в мікро масштабі; склад, форма і розподілення компонентів “запроектовані” зарання; властивості вираховуються кожним із компонентів, які зв’язку з цим повинні бути в матеріалі в достатній кількості (більше деякого критичного вмісту).

Компонент, безперервний в всьому об’ємі КМ, називається матрицею, перервний, роз’єднаний в об’ємі композиції, - арматурою чи армуючим елементом. Поняття “армуючий” означає “введений в матеріал з цілю зміни його властивостей” (не обов’язково “зміцнюючий”).

2 Класифікація композиційних матеріалів

В залежності від геометрії армуючих елементів і їх взаємного розміщення КМ бувають ізотропними чи анізотропними.

Перші мають однакові властивості в всіх напрямках, властивості другої залежать від напрямку. До макроскопічним ізотропом КМ відносяться дісперсно-зміцнені сплави, псевдосплави і хаотично армовані КМ; до анізотропним КМ – матеріали, в яких волокна орієнтовані в певних напрямках. Хаотично армовані КМ зміцнюються короткими (дискретними) частинками гольчатої форми (відрізками волокон чи НК – так званими вусами), орієнтованими в просторі випадковим чином. При цьому КМ отримується квазіізотропними, тобто анізотропними мікрооб’ємах, але ізотропними в об’ємі всього виробу.

Рисунок - 2 Схеми армування композиційних матеріалів

Волокна використовуються як арматуру КМ. Вони повинні мати невелику щільність, високою міцністю у всьому інтервалі робочих температур, технологічністю, мінімальною розчинністю в матриці, високою хімічною стійкістю, відсутністю фазових перетворень у зоні робочих температур і бути нетоксичними при виготовленні й експлуатації. Для армування застосовують НК (вуси), металевий дріт, неорганічні й органічні волокна. НК мають діаметр від часток мікрометра до декількох мікрометрів і довжину від часток міліметра до декількох сантиметрів. Широко в якості армуючих елементів конструкційних КМ вони не використовуються.

Високоміцний металевий дріт зі сталі, вольфраму, молібдену й інших металів, хоча і має велику щільність і меншу міцність, чим вуси, завдяки своїй технологічності, широкої доступності і порівняно невисокої вартості, використовується як арматуру, особливо для КМ на металевій основі, набагато частіше, ніж НК. Роль матриці в армованих КМ полягає в доданні виробу необхідної форми і створенні монолітного матеріалу. Поєднуючи в одне ціле численні волокна, матриця дозволяє композиції сприймати різного роду зовнішні навантаження: розтягання (як у напрямку армування, так до перпендикулярно нього), стиск, вигин, зрушення й ін. У той же час матриця повинна брати участь у створенні несучої здатності композиції, забезпечуючи передачу зусиль на волокна. За рахунок пластичної матриці здійснюється також передача зусиль від зруйнованих чи дискретних (коротких) волокон сусіднім волокнам і зменшення концентрації напруг поблизу різного роду дефектів. Матриця служить і захисним покриттям, що охороняє волокна від механічних ушкоджень і окислювання.

3 Карбоволокніти

Карбоволокніти (вуглепласти) являють собою композиції, що складаються з полімерного сполучника (матриці) і зміцнювачів у виді вуглецевих волокон (карбоволокон).

Висока енергія зв'язку вуглецевих волокон дозволяє їм зберігати міцність при дуже високих температурах (у нейтральному і відбудовному середовищах до 2200°С), а також при низьких температурах. Від окислювання поверхні волокна охороняють захисними покриттями (піролітичними). На відміну від скляних волокон карбоволокна погано змочуються сполучником (низька поверхнева енергія), тому їх піддають травленню. При цьому збільшується ступінь активування вуглецевих волокон по змісту карбоксильної групи на їхній поверхні. Межшарова міцність при зрушенні вуглепластів збільшується в 1,6–2,5 рази. Застосовуються просторово армовані структури.

Матрицями є синтетичні полімери (полімерні карбоволокніти); синтетичні полімери, піддані піролізу (коксовані карбоволокніти); піролітичний вуглець (піровуглецеві карбоволокніти).

Карбоволокніти відрізняються високим статичним і динамічним опором утоми, зберігають цю властивість при нормальній і дуже низькій температурі (висока теплопровідність волокон запобігає саморозігрівові матеріалу за рахунок внутрішнього тертя). Вони водо- і хімічно стійкі. Після впливу на повітрі рентгенівського випромінювання σ_ИЗГ і Е майже не змінюються.

Питання для самоперевірки

1. Які матеріали називаються композиційними?

2. Як називаються компонент, безперервний у всьому об’ємі КМ?

3. Якими бувають КМ в залежності від геометрії армуючих елементів і їх взаємного розміщення?

4. Що таке карбоволокніти?

5. Для чого використовуються волокна?

6. Які види композиційних матеріалів ви знаєте?

7. Для чого створюють композиційні матеріали?

Список використаних джерел:

1. Никифоров В.М. Технология металлов і конструкционные материалы. -Л.: Машиностроение 1987 г.-363с., ил.

2. Технология металлов и материаловедение. Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. И др. - М.: Металлургия, 1987 г. - 800 с., ил

3. Хільчевський Б. В., Кондратюк С. Є., Степаненко В. О. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів. Навч. посібник. – К.: Либідь, 2002. -328 с.