Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2836.1kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2979.19kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2143.51kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 785.31kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 793.69kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 901.29kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2591.69kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 814.76kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 2075.7kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины Бийск бпгу имени В. М. Шукшина, 1147.22kb.
6. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ВИДЫ КОРРОЗИИ
Коррозия – это разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой.
Коррозия может служить причиной преждевременного выхода из строя деталей, агрегатов, оборудования, а также аварий металлических конструкций. В результате коррозии ежегодно теряется от 1 до 1,5% всего используемого металла. Принято считать, что в индустриально развитых странах убытки от коррозии составляют 2….4% национального дохода.
Большой ущерб коррозия наносит автомобильным конструкциям. Она, например, является основной причиной преждевременного выхода из строя кузовов легковых автомобилей и автобусов. В процессе коррозии образуются те химические соединения, в виде которых металлы находятся в природных условиях, например, Fe2O3, Fe3O4, FeCO3, Al2O3, CuFeS2, Cu2S.
В зависимости от коррозионной среды различают химическую, электрохимическую и микробиологическую коррозии.
Химической коррозией называется разрушение металлов при взаимодействии с внешней средой, не проводящей электрический ток. Подразделяется на газовую и в жидкостях - неэлектролитах (бензин, толуол, масло). Примером химической коррозии может служить окисление клапанов двигателя внутреннего сгорания, топливных баков, трубопроводов деталей системы питания автомобильных двигателей.
В процессе газовой коррозии на поверхности металла образуется оксидная плёнка. При этом, если у алюминия, хрома, никеля, свинца, олова эта плёнка очень прочна и предохраняет металл от коррозии, то плёнка оксидов железа непрочна и является причиной проникновения коррозии в глубь металла. Образование окалины на деталях выпускной системы автомобильного двигателя является наглядным подтверждением распространения химической коррозии в толще металла этих деталей. В неэлектролитах коррозия происходит вследствие наличия в них агрессивных соединений, разрушающих металл.
Электрохимической коррозией называется разрушение металлов при воздействии на них электролитов – водных растворов кислот, щелочей, солей, проводящих электрический ток. К электрохимической относится и атмосферная коррозия, при которой влага из воздуха, содержащая СО2, СО и другие примеси, конденсируется на поверхности металла. Пыль и другие загрязнения на поверхности металла усиливают адсорбцию влаги и газов, образуется влажная плёнка, являющаяся электролитом.
Если в контакте с электролитом находятся два металла, то механизм коррозии подобен работе гальванической пары: металл с более отрицательным потенциалом растворяется, а с менее отрицательным – восстанавливается.
Электрохимические потенциалы некоторых металлов в порядке убывания:
Ме: Au Ag Cu H Sn Ni Fe Zn Al
U,B +1,50 +0,80 +0,34 0 -0,14 -0,25 -044 -0,76 -1,66
Т.к. структура и химический состав технических металлов и сплавов, в большинстве случаев, неоднородны, то при погружении металлов в электролит возникает большое количество отдельных гальванических микропар, коротко замкнутых через сам металл. Поэтому чистые металлы имеют бОльшую коррозионную стойкость. Наличие сплошной оксидной плёнки предохраняет металл от электрохимической коррозии, т.к. изолирует от действия электролита.
Микробиологической коррозией называется разрушение металлов под действием микроорганизмов. Некоторые микроорганизмы выделяют вещества, которые способны разъедать многие металлы. Правда, распространена микробиологическая коррозия в основном в странах с жарким и влажным климатом. Для этих стран многие изделия изготавливаются в специальном тропическом исполнении.
В зависимости от характера разрушения и распространения коррозия бывает:
а) сплошная, при которой коррозии подвергается вся поверхность изделия;
б) местная, при которой коррозия развивается на определённых участках, подразделяется на избирательную, пятнистую, язвенную, точечную (питтинг), подповерхностную;
в) межкристаллитная, при которой коррозия распространяется в глубь изделия по границам зёрен;
г) внутрикристаллитная, при которой коррозия распространяется в глубь изделия через зёрна;
д) коррозия под действием напряжений, при которой возникают коррозионные трещины вследствие одновременного воздействия на металл растягивающих напряжений и агрессивной среды.
6.2. МЕТОДЫ БОРЬБЫ С КОРРОЗИЕЙ
6.2.1. Создание коррозионностойких сплавов
Коррозионностойкие (нержавеющие) стали можно получить путём введения в сталь легирующих добавок хрома, никеля, молибдена, алюминия и других элементов, образующих на поверхности стали защитных оксидных плёнок. При добавлении хрома на поверхности стали образуется защитная плёнка Cr2O3 ( при концентрации Cr 12,5%). При таком содержании хрома электрохимический потенциал стали скачком изменяется от -0,6 до +0,2 В.
Коррозионностойкие сплавы используются для ответственных деталей автомобиля (клапанов, шестерён и валов коробки передач, полуосей, распределительных валов, шаровых пальцев и др.). Т.к. коррозионныостойкие сплавы достаточно дорогие, то применяют другие способы защиты от коррозии.
6.2.2. Химическая защита
Она заключается в создании на поверхности металла защитной пленки путём оксидирования или фосфатирования.
Оксидирование – это искусственное окисление поверхности металлических изделий химической или электрохимической обработкой при нагреве. Оксидирование чёрных металлов называют воронением. При этом плёнка создаётся погружением детали в кипящий водный раствор, содержащий едкий натр, селитру и пероксид марганца. Полученная плёнка достаточно стойка в сухом воздухе и менее стойка во влажной атмосфере и особенно в воде. Для повышения коррозионной стойкости воронённые детали пропитывают маслом.
Фосфатирование – это создание на поверхности металла твёрдых, хрупких, пористых плёнок нерастворимых фосфатов. После фосфатирования поверхность нужно обработать лакокрасочным материалом или пропитать маслом.
6.2.3. Электрохимическая защита
а) Протекторная.
К защищаемой детали или вблизи неё крепится протектор, изготовленный из металла с более низким электрохимическим потенциалом, чем у металла детали. В этом случае, если защищаемая деталь и протектор образуют гальваническую пару, то разрушаться будет протектор, сохраняя деталь. Например, с помощью цинкового протектора защищают подводные части судов.
б) Катодная.
Подземные трубопроводы присоединяют к отрицательному полюсу источника постоянного тока, положительный полюс этого источника заземляют.
6.2.4. Защита методом обработки среды
Агрессивность среды можно уменьшить с помощью специальных добавок – ингибиторов (замедлителей), не изменяющих свойств среды, а пассивирующих металл. Их добавляют в охлаждающие жидкости, защитную смазку, упаковочную бумагу и т.д.
Например, замедлителем коррозии стали в воде служит 0,51% раствор уротропина. Для защиты от атмосферной коррозии используют летучие ингибиторы: амины, карбонаты аминов. Вносят их в атмосферу, распыляя порошок, а также с помощью пропитанной ветоши или бумаги.
6.2.5. Металлические покрытия
Это нанесение на поверхность изделия тонкого слоя металла, коррозионностойкого в данной среде. Металлические покрытия могут быть нанесены разными способами.
а) Горячий способ.
Изделие погружают в ванну с расплавленным металлом, который покрывает его тонким слоем (цинкование, лужение оловом, свинцевание). На автомобилях оцинковывают кузовные и крепёжные детали, покрывают оловом ленту для трубок радиатора, освинцовывают наконечники зажимов проводов электрооборудования, топливные баки и т.д.
б) Гальванический способ.
Заключается в осаждении на изделие тонкого слоя металла из раствора его соли под действием электрического тока (золочение, серебрение, хромирование, никелирование, цинкование и др.). Например, для автомобилей применяют хромирование декоративных деталей (бамперы, ободки фар и др.).
в) Термомеханический способ.
Заключается в нанесении на поверхность металлических листов, плит, труб тонкого слоя другого металла или сплава путём горячей прокатки. Покрытие может быть одно- и двусторонним. Применяется для получения биметаллических или триметаллических пластин.
6.2.6. Диффузионный способ защиты или поверхностное легирование
Состоит в насыщении поверхностного слоя изделия различными элементами путём диффузии из внешней среды (силицирование, борирование, алитирование, хромирование и др.).
6.2.7. Неметаллические покрытия
Это покрытия красками, лаками, смазками, эмалями, резиной или эбонитом, полимерами. Недостаток лакокрасочных покрытий – их хрупкость при старении и обгорание при высоких температурах. Достоинство – дешевизна.
Защита смазкой производится при хранении и перевозке.
Для защиты поверхности металла от действия высоких температур ( 1200˚С) применяют керамические покрытия (например, Al2O3, ZrO2). Их наносят напылением.
6.3. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Это материалы, способные сопротивляться коррозионному воздействию внешней среды. Сопротивление материалов окислению при высоких температурах называется ещё жаростойкостью.
К коррозионностойким сталям относят большую группу хромистых, хромоникелевых и хромомарганцевых сталей с содержанием хрома 12,5%. Эти стали мы уже рассмотрели в разделе «Стали и сплавы с особыми свойствами».
Очень высокой коррозионной стойкостью в соляной, серной, фосфорной кислотах, а также в хлоридах и органических кислотах отличаются сплавы на основе системы Ni – Mo (с содержанием до 25-30%Мо).
Для промышленных сплавов типа Н70МФВ (с содержанием 27%Мо) скорость коррозии в кипящей соляной кислоте (конц. 15-21%) не превышает 0,3 -0,4 мм/год, а в кипящих растворах , содержащих 10-40% H2SО4, даже 0,1 мм/год. Сплав Н70МФВ-ВИ (вакуумно-индукционной выплавки) отличается повышенной стойкостью против межкристаллитной коррозии, характерной для сварных соединений. Этот сплав используют в машиностроении для изготовления крупных ёмкостей и трубопроводов, эксплуатирующихся в очень агрессивных средах.
Высокой коррозионной стойкостью в кипящих растворах уксусной и муравьиной кислот и агрессивных средах окислительно-восстановительного характера обладают сплавы системы Ni – Cr – Mo, например, ХН65МВ, ХН60МБ и др.
Продолжающийся рост требований к коррозионной стойкости материалов стимулирует разработку новых сплавов, расширяет их применение. Следует отметить, что всё возрастающий дефицит легирующих элементов заставляет искать принципиально новые пути обеспечения коррозионной стойкости (методы ионной имплантации, плазменной обработки коррозионностойких покрытий), создавать композиционные коррозионностойкие сплавы и др. способы.
7. ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Порошковыми называют материалы, изготовленные путём прессования порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной атмосфере при температуре 0,75 – 0,8Тпл.
7.1. ТВЁРДЫЕ СПЛАВЫ
Порошковые материалы, основу которых составляют очень твёрдые карбиды и карбонитриды тугоплавких металлов, а связкой являются, в основном, кобальт и никель, называют твёрдыми сплавами.
Наиболее широко используются металлокерамические твёрдые сплавы, состоящие из карбида вольфрама и кобальтовой связки или из смеси карбидов вольфрама, титана и тантала и той же связки.
В зависимости от состава карбидной основы различают 3 группы твёрдых сплавов: а) вольфрамовые, б) титановольфрамовые, в) титанотанталовольфрамовые.
а) ВК – на основе WC и Со ( ВК3, ВК6, ВК8, ВК10 )
ВК6 ( 94% WC, 6%Co ).
Чем больше Со, тем выше прочность, но ниже твёрдость. Применяются для обработки чугуна, сплавов цветных металлов и неметаллических материалов.
б) ТК – на основе WC, TiC и Со ( Т5К10, Т15К6, Т30К4 ).
Т15К6 ( 15% TiC, 6%Co, 79%WC).
Применяются для высокоскоростной обработки стали.
в) ТТК – на основе WC, TiC, TaC и Со ( ТТ8К6, ТТ7К12, ТТ20К9 ).
ТТ7К12 ( 4%TiC, 3%TaC, 12%Co, 81%WC).
Применяются для чернового точения стальных слитков, поковок, литья.
Общим недостатком рассмотренных сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность вольфрамового сырья. Поэтому перспективным направлением становится использование безвольфрамовых твёрдых сплавов на основе карбида титана ТНМ-20 (79% TiC, 15%Ni, 6%Mo), карбонитрида титана КНТ-16 (84%TiCN,(Ni + Mo)16%), карбида хрома КХН-10 (90%CrC, 10%Ni).
7.2. АНТИФРИКЦИОННЫЕ И ФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
А). Антифрикционные порошковые сплавы имеют низкий коэффициент трения, легко прирабатываются, выдерживают значительные нагрузки и обладают хорошей износостойкостью. Они относятся к пористым порошковым материалам, в которых после окончательной обработки сохраняется 10-30% остаточной пористости. Подшипники из порошковых сплавов могут работать без принудительного смазывания за счёт «выпотевания» масла, находящегося в порах.
Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1-7% графита (ЖГр1, ЖГр3, ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8-10% Sn и 2-4% графита (БрОГр10-2, БрОГр8-4 и др.).
Б). Фрикционные порошковые сплавы должны иметь высокий коэффициент трения, достаточную механическую прочность и хорошее сопротивление износу. Для повышения коэффициента трения в состав фрикционных материалов вводят карбиды кремния, бора, тугоплавкие оксиды и т.д. Компонентами твёрдого смазочного материала служат графит, свинец, сульфиды и др.
Для работы в условиях трения без смазочного материала (деталей тормозов самолетов, тормозных накладок тракторов, автомобилей и т.д.) применяют материалы на железной основе. Наибольшее применение получил материал ФМК-11 (15%Cu, 9% графита, 3% асбеста, 3%SiO2 и 6% барита).
Фрикционные сплавы на медной основе применяют для условий жидкостного трения в паре с закаленными стальными деталями (сегменты, диски сцепления и т.д.). Типичным фрикционным материалом на основе меди является сплав МК5, содержащий 4% Fe, 8%Pb, 9%Sn, 0-2%Ni, 7% графита).
7.3. ФИЛЬТРЫ И «ПОТЕЮЩИЕ» МАТЕРИАЛЫ
Фильтры в виде втулок, труб, пластин из порошков никеля, железа, титана, алюминия, коррозионно-стойкой стали, бронзы и других материалов с пористостью 45-50% (размер пор 2-20 мкм) используются для очистки жидкостей и газов от твёрдых примесей.
«Потеющие» материалы предназначены для охлаждения за счёт испарения хладагента через поры. Их изготовляют из порошков коррозионно-стойкой стали, никеля, вольфрама, титана и др.
7.4. МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНОЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Порошковые магниты по магнитным свойствам не уступают литым, структура их мелкозернистая, а механические свойства более высокие.
Магнитно-твёрдые материалы для изготовления постоянных магнитов получают из порошков сплавов системы Fe – Al – Ni – Co ( альнико), а магнитно-мягкие материалы получают из порошка карбонильного железа или порошка железа и никеля.
Электротехнические материалы изготовляют из смеси порошков тугоплавких металлов (Mo, Co, Ni, W) с медью и серебром. Тугоплавкие металлы определяют механические свойства изделия, а медь и серебро – служат наполнителем и придают материалам высокую электропроводимость. Порошковые электрические контакты применяют в магнитных пускателях, тепловых реле и реле особо тяжёлого режима, регуляторах напряжения, аппаратуре управления, преобразователях тока и т.д.
8. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
8.1. ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Композиционными называют материалы, состоящие из двух и более компонентов, объединенных различными способами в монолит и сохраняющих при этом индивидуальные особенности.
Для композиционных материалов (КМ) характерна следующая совокупность признаков:
а) состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее;
б) материалы состоят из двух и более компонентов различного химического состава, разделенных в материале границей;
в) свойства материала определяются каждым из его компонентов, содержание которых в материале достаточно большое;
г) материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в отдельности;
д) материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;
е) материал не встречается в природе, а является созданием человека.
Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объёму, является матрицей. Компонент прерывный, разделённый в объёме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим.
В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и её эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.
Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твёрдостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Более широким понятием, чем упрочняющий компонент, является термин «наполнитель», поскольку наполнитель в матрице, помимо изменения прочности, оказывает влияние и на другие характеристики композиции.
В зависимости от материала матрицы различают КМ с металлической матрицей (МКМ) и неметаллической матрицей (НКМ). По типу упрочняющих компонентов КМ подразделяются на дисперсно-упрочнённые, волокнистые и слоистые.
В дисперсно-упрочнённые КМ искусственно вводят мельчайшие равномерно распределённые тугоплавкие частицы карбидов, оксидов, нитридов и др. Чем мельче частицы упрочнителя и меньше расстояние между ними, тем прочнее КМ. Матрица является основным несущим элементом.
Арматурой в волокнистых КМ могут быть волокна различной формы (нити, ленты, сетки). Прочность таких КМ определяется прочностью армирующих волокон, которые воспринимают основную нагрузку.
Слоистые КМ набираются из чередующихся слоёв волокон и листов матричного материала (типа «сэндвич»). Слои волокон в таком КМ могут иметь различную ориентацию. Возможно поочерёдное использование слоёв матрицы из сплавов с различными механическими свойствами.
8.2. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ (МКМ)
МКМ состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочнённой тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле, (дисперсно-упрочнённые материалы) или высокопрочными волокнами (волокнистые материалы).
Из дисперсно-упрочнённых КМ наиболее широко используют сплавы на основе алюминия с дисперсными чешуйками Al2O3 (САП). Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочнённых материалов ВДУ-1 ( никель, упрочнённый двуокисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочнённый двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni + 20% Cr, упрочнённая окисью тория).
Из волокнистых КМ наибольшее применение находят ВКА-1А (алюминий, упрочнённый волокнами бора), ВКУ-1 (алюминий, упрочнённый углеродными волокнами), ВКМ-1 (магний, упрочнённый борными волокнами), ВКН-1 ( никель, упрочнённый вольфрамовой проволокой), а также титан и его сплавы, армированные молибденовой проволокой, волокнами сапфира, карбида кремния и борида титана. Для упрочнения алюминия и магния нередко используют проволоку из высокопрочных сталей. Перспективными упрочнителями для высокопрочных КМ являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др.
Области применения МКМ безграничны от космической и авиационной техники до горной промышленности и гражданского строительства.
Применение КМ обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.
8.3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ (НКМ)
В качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиимидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и др.), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жёсткостью.
Свойства НКМ зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.
По виду упрочнителя НКМ классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты, бороволокниты и органоволокниты.
В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными.
Стекловолокниты – это НКМ, состоящие из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого упрочнителя. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра.
В стеклотекстолитах применяют в качестве наполнителя стеклянные ткани.
Применяются в различных отраслях техники: несущие детали летательных аппаратов, кузова и кабины автомашин, корпуса лодок и т.д.
Карбоволокниты (углепласты) представляют собой НКМ, состоящие из полимерного связующего и упрочнотелей в виде углеродных волокон. Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокни-ты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).
Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости; водо- и химически стойкие.
Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал.
Бороволокниты представляют собой НКМ из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. В качестве матриц используют эпоксидные и полиимидные связующие. Обладают высокой выносливостью, стойки к воздействию радиации, воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов. Применяют в авиационной и космической технике.
Органоволокниты – это НКМ, состоящие из полимерного связующего, армированного синтетическим волокном. В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жёсткостью. Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электро- и радиопромышленности, в авиастроении и др.