Техническая конструкция материалов

1. Строение и свойства  стали.  
Сталь—сплав железа с углеродом (до 2%) и сопутствующими примесями в виде марганца, кремния, серы, фосфора и др. Стали, применяемые в машиностроении, обычно содержат от 0,05 до 1,5% С.  
Железо в твердом состоянии может находиться в двух модификациях:   
Углерод является вторым основным компонентом, определяющим структуру, механические и технологические свойства стали.  
Примеси, присутствующие в стали  делят на четыре группы:  
постоянные, или обычные (табл. 1)—марганец, кремний, фосфор и сера, если их содержание находится в пределах: до 0,8% Mn; до 0,4% Si; до 0,05% Р и до 0,05% S;  
скрытые — азот, кислород, водород, присутствующие в любой стали, в очень малых количествах (тысячные доли процента);  
случайные — например, мышьяк, свинец, медь и др., попадающие в сталь из-за того, что они содержатся в рудах или шихтовых материалах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства стали;  
специальные (легирующие элементы) — их вводят в состав стали для получения нужных по условиям службы деталей свойств стали. В этом случае сталь называют легированной. Сталь также будет легированной, если содержание кремния     0,5%, а марганца  1   % 
 

5. Общие сведения, состав  и классификация  резин

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Резина как  технический материал отличается от других материалов высокими эластическими  свойствами, которые присущи каучуку -- главному исходному компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При комнатной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

Модуль упругости  лежит в пределах 0,1 -- 1 кгс/мм2, т. е. он в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем для других материалов. Особенностью резины является ее малая сжимаемость (для инженерных расчетов резину считают несжимаемой); коэффициент Пуассона равен 0,4 -- 0,5, тогда как для металла эта величина составляет 0,25 -- 0,30. Другой особенностью резины как технического материала является релаксационный характер деформации. При комнатной температуре время релаксации может составлять-10 ~ 4 с й более. При работе резины в условиях многократных механических напряжений часть энергии, воспринимаемой изделием, теряется на внутреннее трение (в самом каучуке и между молекулами каучука и частицами добавок); это трение преобразуется в теплоту и является причиной гистерезисных потерь. При эксплуатации толстостенных деталей (например, шин) вследствие низкой теплопроводности материала нарастание температуры в массе резины снижает ее работоспособность.

Кроме отмеченных особенностей для резиновых материалов характерны высокая стойкость к  истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

В результате совокупности технических свойств резиновых  материалов их применяют для амортизации  и демпфирования, уплотнения и герметизации в условиях воздушных и жидкостных сред, химической защиты деталей машин, в производстве тары для хранения масел и горючего, различных трубопроводов (шлангов), для покрышек и камер  колес самолетов, автотранспорта и  т. д. Номенклатура резиновых изделий  насчитывает более 40000 наименований.

Состав и классификация  резин.

Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и  определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и ингредиентов, рассмотренных ниже.

1. Вулканизующие  вещества (агенты) участвуют в образовании  пространственно-сеточной структуры  вулканизата. Обычно в качестве таких веществ применяют серу и селем, для некоторых каучуков перекиси. Для резины электротехнического назначения вместо элементарной серы (которая взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения -- тиурам (тиурамовые резины).

Ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, окислы свинца, магния и др. влияют как на режим вулканизации, так и на физико-механические свойства вулканизатов.. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии окислов некоторых металлов (цинка и др.), называемых поэтому в составе резиновой смеси активаторами.

Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют противостарители химического и физического действия. Действие первых заключается в том, что они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука (применяются альдольнеозон Д и др.). Физические противостарители (парафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже.

Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластические свойства каучука, повышают морозостойкость резины. В качестве мягчителей вводят парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, дибутилфталат, растительные масла. Количество мягчителей 8 -- 30% от массы каучука.

Наполнители по воздействию на каучук подразделяют на активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Усиливающие наполнители (углеродистая сажа и белая сажа -- кремнекислота, окись цинка и др.) повышают механические свойства резин: прочность, сопротивление истиранию, твердость. Неактивные наполнители (мел, тальк, барит) вводятся для удешевления стоимости резины.

Часто в состав резиновой смеси вводят регенерат -- продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Современные технологии: цианирование стали

Процесс «Цианирование» — процесс химико-термической  обработки, заключающийся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали  одновременно углеродом и азотом. Целью цианирования является получение  высокой твердости и износостойкости  поверхности деталей с сохранением  пластичной сердцевины.

Цианирование  проводится в жидких и газовых  средах.

Жидкостное цианирование заключается в нагреве деталей  в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий (NaCN). 
Цианирование подразделяют на высокотемпературное и низкотемпературное.

Высокотемпературное цианирование применяют для поверхностного упрочнения деталей из конструкционных  сталей и проводят в широком интервале  температур — от 840 до 950° С.

Для получения  небольшой глубины слоя (0,15—0,35 мм) цианирование ведут при 840—870° С с выдержкой 30—60 мин в цианистых ваннах, содержащих 20—25% NaCN, 25—50% NaCl и 25—50% Na2C03 (рабочий состав ванны). При нагреве ванны с цианистым натрием в ней происходят следующие реакции: 
2NaCN + 02 = 2NaCNO 2NaCNO + 02 = Na2C03 + СО + 2NaT 2СО^С02 + Сат

Образующиеся атомарный азот и углерод диффундируют в сталь. Цианированный слой содержит 0,6—0,7% углерода и 0,8—1,2% азота. После цианирования детали закаливают непосредственно из цианистой ванны и затем подвергают низкому отпуску (180—200° С). Твердость цианированного слоя после термической обработки HRC ^ 60.

Для получения  слоя глубиной от 0,2 до 1,5лш цианирование ведут при 900—950° С с выдержкой от 30 мин до 5 ч в цианистых ваннах, содержащих 3—8% NaCN, < 30% NaCl, > 30% ВаС12, < 40% ВаС03 (рабочий состав ванны). При нагреве в ванне происходят следующие реакции: 
2NaCN + BaCl2 = 2NaCl + Ва (CN)2 Ba(CN)2 = BaCN2 + C BaCN2 + 02 = BaO + CO + 2N

Образующиеся атомарный углерод и азот диффундируют в сталь. Цианированный слой содержит 0,8—1,2% углерода и 0,2—0,3% азота. При высокой температуре цианирования (900—950° С) происходит рост зерна аустенита. Поэтому детали после цианирования непосредственной закалке не подвергаются, а охлаждаются на воздухе, а затем производится закалка и низкий отпуск.

Низкотемпературное  цианирование применяют для повышения  поверхностной твердости, износостойкости  и предела выносливости деталей  из конструкционных сталей и для  повышения стойкости инструмента  из быстрорежущей стали.

Низкотемпературное  цианирование деталей из конструкционных  сталей, называемое также «мягким  азотированием», проводят при 560—580° С в цианистых ваннах, содержащих до 60% NaCN. Время выдержки в ванне 1—3 ч, максимальная рациональная глубина слоя 0,15 мм. Диффундирует в сталь преимущественно азот. Твердость цианированного слоя HV = 300—800 (в зависимости от стали). Перед низкотемпературным цианированием производится полная механическая и термическая обработка деталей.

Недостатком жидкостного  цианирования является сильная ядовитость цианистых солей. Поэтому цианистые  ванны устанавливают в отдельном  помещении, с вентиляцией у каждой ванны. При работе на цианистых ваннах требуется большая осторожность и тщательное соблюдение всех правил техники безопасности. Жидкостное цианирование проводится в цианистых ваннах, которые целесообразно устанавливать в поточную линию.