2483

Методы измерения материалов и процессов

Конспект

Производство и промышленные технологии

Методы измерения ферромагнитных свойств. Методы определения термического расширения, дилатометрические исследования. Антифрикционные материалы. Материалы с высокими упругими свойствами. Материалы с малой плотностью и высокой удельной прочностью. Последующая обработка гальванопокрытий. Формирование сплошных покрытий.

Русский

2013-01-06

828.5 KB

33 чел.

«Методы измерения материалов и процессов»

1. Методы измерения ферромагнитных свойств.

1. Баллистический метод.

Наиболее распространенный баллистический метод основан на явлении индукции и заключается в следующем. Имеется ферромагнитный образец А в виде тороида, на котором по всей его окружности расположена первичная обмотка I и вторичная II. Первичная обмотка присоединена к источнику постоянного тока; концы вторичной обмотки присоединены к баллистическому зеркальному гальванометру G. При этом методе измерения нужно применять гальванометр с большим моментом инерции, т. е. с большим периодом колебания (не менее 10-20 с). Этот принцип заключается в том. что в обмотку I дается импульс тока, намагничивающий образец. При этом в обмотке II индуктируется ток, действующий на гальванометр G. Показа-

ние гальванометра тем больше, чем интенсивнее намагничивается образец в том магнитном поле, которое создается первичной обмоткой I, т. е. чем больше поток индукции образца. В обмотке II может возникнуть определенная электродвижущая сила только в том случае, если в первичной обмотке сила тока будет возрастать или убывать, в частности будет изменяться от нуля до некоторого значения или, наоборот, от этого значения до нуля.

Используя полученные данные можно вычислить магнитную индукцию образца, а используя значения II и В построить кривую намагничивания. Баллистическим методом можно построить также петлю гистерезиса.

2. Магнитометрический метод.

Особо точным, хотя редко используемым в лабораториях металловедения, является магнитометрический метод. Он основан на взаимодействия изучаемого образца и магнитной стрелки, по повороту которой судят о намагниченности образца. Первоначально стрелка устанавливается вдоль меридиана, а образец - перпендикулярно ему. Стрелка вместе с зеркальцем подвешивается на кварцевой или шелковой нити. Зеркальце служит для оптического отсчета определения угла поворота стрелки. Намагниченность образца пропорциональна тангенсу этого угла.

В этом методе, как и в баллистическом, нужно вносить поправку на размагничивающий фактор.

3. Методы измерения в замкнутой цепи

Этотметод

заключается в том, что образец вталкивается быстрым движением в канал, просверленный в полюсах электромагнита. При этом середина образца совпадает со средней точкой межполюсного пространства. Перед тем как протолкнуть образец О, включают электромагнит на желаемую величину поля Н и замыкают цепь баллистического гальванометра G, к которому подключена катушка К, остающаяся неподвижной во все время измерения. При вталкивании образца в магнитное поле напряженности Н он намагничивается и его магнитные силовые линии, пересекая витки катушки К, отклоняют зеркальце гальванометра G. По этому отклонению а вычисляют внутреннюю индукцию образца.

2. Методы определения термического расширения, дилатометрические исследования.

Знание абсолютных значений коэффициента линейного расширения сплавов часто необходимо для изготовления деталей машин и приборов высокой точности, и также деталей, работающих при нагреве.

Дилатометрический анализ заключается в определении изменений длины образцов при нагреве и охлаждении или при изотермической выдержке. Важным преимуществом дилатометрического анализа является независимость объемного эффекта, а следовательно, и точности анализа от скорости охлаждения.

Дилатометрический анализ применяют для определения коэффициента теплового расширения и изучения фазовых превращений в сплавах. Например, дилатометрическим анализом изучают процессы закалки и отпуска стали, графитизацию чугуна и процессы старения некоторых сплавов. Измерение длины (или объема) во времени в изотермических условиях позволяет определить кинетику превращений, поскольку степень этих превращений во времени пропорциональна изменениям длины.

Если в металлах или сплавах при изменении температуры не происходит фазовых превращений, то их длина (объем) изменяется плавно. Однако, если происходит фазовое превращение, то длина (или объем) растет (или убывает) скачкообразно.

Критические точки и области превращений определяют по кривым, показывающим изменения длины изучаемого образца при нагреве или при охлаждении. Резкие перегибы на кривых свидетельствуют о внутренних изменениях, происшедших в сплаве.

В точке АС1 перлит превращается в аустенит, а при дальнейшем нагреве в интервале температур Ac1-Ac3(для

доэвтектоидной стали) феррит превращается в аустенит, обладающий меньшим удельным объемом; количество аустенита возрастает в ходе этого превращения до 100%.

Критические точки могут быть определены непосредственно по дилатометрической кривой, без дополнительных построений. Сравнение критических точек при нагреве и охлаждении показывает их заметное различие, т. е. температурный гистерезис.. Перегибы на кривой объясняются фазовыми превращениями идущими при отжиге закаленной стали. Для регистрации изменений длины применяют различные методы и

приборы - дилатометры - механические,

оптические и электрические. Одна из

конструкций электрического дилатометра.

Прибор для дилатометрического анализа состоит из головки (собственно дилатометра) и регистрирующего аппарата. В головке имеется запаянная с одного конца кварцевая трубка 1, прочно закрепленная в металлической втулке 2. В трубке помещается образец 3, имеющий форму цилиндрического стержня диаметром 4 мм и длиной 30 мм.

Образец упирается в запаянный конец

кварцевой трубки и кварцевый стержень 4, перемещение которого передается на индикатор часового типа 5 и эластичную пластину 6, с наклеенными на неё тензодатчиками 7. Перемещение образца вызывает изменение электрического

сигнала снимаемого с тензодатчиков. Температура образца изменяется при помощи нагревательной печи 8 и регистрируется термопарой 9. находящейся в непосредственной близости к образцу.

3. Упругие свойства металлов.

Упругие свойства часто называют константами потому, что они подобно физическим и в отличие от большинства механических свойств не зависят от метода определения и являются постоянными для данного материала и определенных внешних условий.

Экспериментальные методы определения модулей упругости можно разделить на две группы статические и динамические.

По результатам стандартных статических испытаний на одноосное растяжение определяют Е, на кручение - G.

Однако чаще модули упругости измеряют с использованием специальных динамических методов, отличающихся более высокой точностью. Особенно хорошо разработаны динамические методы определения модуля сдвига G и модуля нормальной упругости Е. Все динамические методы базируются на том, что частота колебаний исследуемого образца (резонансные методы) или скорость звука в нем (импульсные методы) зависят от констант упругости.

Для динамического определения модулей разработано несколько способов. Например, модуль сдвига можно определять при измерении частоты крутильных колебаний проволочного образца на установке типа крутильного маятника (метод внутреннего трения). Этот метод, основанный на способности металлов необратимо рассеивать энергию упругой деформации. широко распространен в металловедении и физике металлов. Метод внутреннего трения широко распространен при исследовании дефектов решетки, их движения при деформации различных видов, их взаимодействия между собой, взаимодействия их с примесными атомами, движения доменных стенок ферромагнетика и при многих других исследованиях.

4. Классификация и условия подобия механических испытаний.

1.механические и технологические методы

2. физические и химические методы исследования химического состава и структуры материала.

3. методы исследования тонкого строения и структуры и их изменений

4. методы не разрушающего контроля

Физические методы испытаний

5 тензометрия.

Условия подобия механических испытаний.

Характеристики механических свойств металлов в сильной степени зависят от условий проведения испытаний. Необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили постоянство результатов при многократном повторении испытаний, так чтобы эти результаты в максимальной степени отражали свойства материала, а не влияние условий испытания. Условия, обеспечивающие такое постоянство и сопоставимость результатов, называются условиями подобия механических испытаний.

Условия подобия принято подразделять натри вида:

  1.  геометрические (форма и размеры образца);
  2.  механические (схема и скорость приложения нагрузок);
  3.  физические (внешние физические условия).

5. Методы механических испытаний при приложении статических нагрузок

При статических испытаниях для определения характеристик прочности и пластичности образец исследуемого материала подвергают действию постоянной или медленно и плавно повышающейся нагрузкой.

1 Испытания на растяжение.

. Гладкий ненадрезанный образец растягивают в испытательной машине в направлении оси образца до разрыва, а зависимость между растягивающей силой и изменением длины регистрируют в виде диаграммы нагрузка - абсолютное удлинение. Определяют: модуль Юнга (Е), предел пропорциональности (σпц ), предел упругости (σ0,05 ),

предел текучести физический (σт). предел текучести условный (σ0,2 ), предел прочности (σв), относительное удлинение (δ), относительное сужение (ψ).

2 Испытания на сжатие.

Это испытание, при котором изучают поведение материалов при одноосном сжатии, можно рассматривать как обратное испытанию на растяжение. Испытание на сжатие имеет наибольшее значение для строительных материалов, таких как натуральный камень, кирпич, бетон, древесина, а также находит применение для металлических и полимерных материалов. При испытании на сжатие образец с поперечным сечением F0 подвергают сжатию и измеряют при этом соответствующую нагрузку P. Напряжения сжатия: σcж=р/F0. В качестве характеристик пластичности при сжатии

можно определять относительное укорочение, и относительное уширение.

3 Испытание на изгиб.

Испытание на изгиб находит применение для исследования сравнительно хрупких материалов, например чугунов с пластинчатым графитом, инструментальной стали или керамики. Особенное значение имеет испытание на изгиб для полимерных материалов. При изгибе образца с симметричным поперечным сечением, в одной из наружных зон возникают растягивающие, а в противоположной - сжимающие напряжения. Напряжения увеличиваются по мере удаления в обе стороны от нейтральной оси. Если напряжения при этом достигают предела текучести, наступает пластическое течение. В упругой области напряжения в поперечном сечении образца распределяются по линейному закону и максимальное значение напряжений выражается как: σmax =Mmax. ω- момент сопротивления изгибу, Мтах - крутящий момент.

4 Испытание на сдвиг (кручение).

При кручении все поперечные сечения образца сдвигаются (поворачиваются) вокруг общей оси по отношению к закрепленному сечению. Этот сдвиг увеличивается с увеличением расстояния от места закрепления, причем линии, параллельные оси образца, переходят в винтовые. Сдвиг, происходящий в двух соседних поперечных сечениях определяется углом кручения. Самым простым способом измерения угла закручивания является измерение взаимного поворота двух зажатых головок образца. Для проведения испытания на кручение применяют в первую очередь цилиндрические образцы.

5 Испытание на срез

При испытании на срез образец нагружают двумя силами Р, которые действуют в одной плоскости. Фактически возникает пара сил с плечом а, т. е. при этих испытаниях возникают дополнительные изгибающие напряжения. На практике чаще всего проводят испытание на двойной срез.

Так как при испытании на срез не достигают определенного напряженного состояния, устанавливают только максимальную силу Ртах, необходимую для среза, исходя из которой рассчитывают сопротивление срезу при испытании на двойной срез: τср = Рпшх /(2Fo) .

Испытание на срез имеет практическое значение при оценке сталей для заклепок или, например, для определения размеров ножниц.

 

6. Методы механических испытаний при приложении циклических и ударных нагрузок.

На многие детали машин и элементы конструкций действуют динамические нагрузки в режиме колебаний, т.е. повторно-переменные нагрузки разного вида. Подобное нагружение может привести к тому, что после определенного числа циклов нагруження происходит разрушение, хотя номинальные напряжения в детали не превышали статического предела упругости. Это явление часто называют усталостью, а вызванное им разрушение -усталостным. Сопротивление, материала или детали процессу накопления повреждений при циклическом нагружении определяется пределом выносливости. Уже в середине прошлого столетия Велер разработал методику испытаний на усталость, которая находит применение (испытания по Веле-ру) до настоящего времени.

Испытания на усталость проводят при синусоидальном циклическом нагружении. Процесс нагружения характеризуют следующие показатели:

максимальное напряжение цикла σmax - наибольшее по алгебраической сумме величина напряжений;

минимальное напряжение цикла σmin - наименьшая по алгебраической сумме величина;

среднее напряжение σт =( σmax .+ σmin)/2 ;

амплитуда напряжения цикла σа =( σmax .- σmin)/2

коэффициент асимметрии Ra=. σmax/ σmin

Если минимальное и максимальные напряжения цикла не равны по величине, то он называется асимметричным.

Если напряжения меняются по величине и знаку, то цикл считается симметричным, если только по величине - знакопостоянным. Чаще используют симметричный знакопеременный. цикл ( /^=-1 ).

Характеристикой усталостной прочности материала является предел выносливости σR. Это значение напряжения, которое

образец выдерживает без разрушения или без недопустимой деформации в течение сколь угодно длительного нагружения или, по меньшей мере, в течение заранее установленного числа циклов - так называемой базы испытания ( 108).

Для определения предела выносливости проводят серию испытаний при нагружении с различными нагрузками. При этом среднее напряжение цикла σm или минимальное напряжение цикла σmin поддерживаются постоянными, в то время как амплитуда напряжения аa или максимальное напряжение цикла amax последовательно понижаются так, чтобы по результатам испытаний можно было установить предел выносливости. По результатам испытания отдельных образцов строят кривую усталости в координатах максимальное напряжение цикла σмах (или амплитуда напряжений σа ) - долговечность N. 

Испытания при приложении ударных нагрузок

В условиях эксплуатации часто возникают ударные воздействия, например при переезде транспортных средств через выбоины, при формировании железнодорожных составов, при взлете и посадке самолетов. Попадание в цель и взрыв снарядов, высокоскоростная обработка материалов также приводят к ударным нагрузкам различной величины. В таких случаях для характеристики поведения материала необходимо провести испытания с использованием ударной нагрузки. При большой скорости деформации происходит образование ударной волны, при этом характерное для низких скоростей деформации плоское напряженное состояние переходит в плоское деформированное состояние.

Увеличение скорости деформации вызывает повышение напряжения течения. Разумеется, более существенным моментом при этом является снижение вязкости, вызывающее появление макроучастков хрупкого излома. В металлах эти участки излома можно определить по кристаллическим блестящим поверхностям разрушения, так как плоскости спайности кристаллов интенсивно отражают свет. В отличие от них сильно деформированные участки вязкого излома имеют матовый, волокнистый вид. Причиной появления хрупкого излома могут быть также низкие температуры и многоосное напряженное состояние. Следует также учитывать, что вязкость материала сильно зависит от его структуры и свойств. При приложении ударных нагрузок проводят следующие испытания: испытания на ударное растяжение и ударное сжатие; испытание на ударное кручение; испытание на ударный изгиб.

7. Методы калориметрического анализа.

  1.  прямой метод определения теплоемкости при постоянном давлении (адиабатический). Удельная тепло емкость с определяется из формулы: Н =mc(Т-Тк ), Н- теплота, пере шедшая от нагретого образца к рабочей жидкости калориметра; m - масса образца; Т и Тк- - его температура перед погружением и конечная в калориметре. Этот метол применяется для сравнительно невысоких температур (ниже точки кипения рабочей жидкости - вода, ртуть, сплав Вуда и т. п.).
  2.  Метод обратной калориметрии заключается в том, что холодный образец переносится в среду с более высокой температурой, где он нагревается. Этот метод был применен для исследования отпуска закаленной стали, в которой при нагревании в калориметре выделялась скрытая теплота закалки. Она учитывалась при расчете. Данный метод можно с успехом применять при исследовании необратимых процессов (отпуск закаленной стали, рекристаллизация наклепанного металла и т. д.).
  3.  Для определения теплоемкости при низких и средних температурах является метод электрического нагрева. Образец помещается в спираль сопротивлением R, Ом. обогреваемую электрическим током I, А, в течение τ, с. Образец массой m и удельной теплоемкостью ср нагревается от Т1до Т2.В том случае, если не учитывать тепловых потерь в окружающее пространство, теплоемкость определяется по формуле:

Ср = I2Rt/(m(T2-T1)) . Точность этого метода наибольшая, если количество теплоты, сообщенное телу, и повышение его температуры сравнительно мало.

4) Метод Сайкса- Ерузина основан на измерении количества теплоты, необходимой для нагрева образца до определенной температуры (принцип обратной калориметрии). Образец 1 массой m нагревается электрической спиралью 2 от температур Т1, до Т2 Для определения истинной (удельной) теплоемкости

необходимо уменьшить ∆Т=Т2-Т1. Для этого образец помещают в блок 3, находящийся в печи 4, чтобы блок получал теплоту только от печи, а образец - только от спирали и создавалось тепловое равновесие, когда температура блока Tb равна температуре образца ТS Удельная теплоемкость опред. из ур-ния ср=W/m(dTS/), где W-мощность спирали, m-масса образца,

определяется из уравнением масса образка; dTS/ - скорость изменения температуры образца.

5) метод Смита (рис. 3). Метод позволяет производить термический анализ, определять теплоемкость и скрытую теплоту превращения. Сущность метода заключается в том, что в процессе эксперимента градиент температуры St на стенке контейнера 1, в который вставлен образец 2, поддерживается постоянным. Контейнер изготовлен из огнеупорного материала с малой теплопроводностью. В этом случае устанавливается некоторое стационарное

состояние, при котором пустой контейнер нагревается на tc за время ∆τc . Количество теплоты, израсходованное на повышение температуры на ∆τc., составляет H∆τc,= ∆tcCcmc и тс - теплоемкость и масса контейнера. Отсюда: Н=(∆tc/∆τc)Ccmc При нагреве контейнера с образцом Н=(∆t0/∆τ0)(C0m0+ Ccmc) . C() и т() - теплоемкость и масса

образца соответственно; t0/∆τ0-скорость нагрева.

Для определения экспериментальных погрешностей контейнер нагревают с эталоном, теплоемкость и масса которого известна.

8. Методы термического анализа.

Для исследования химических реакций и превращений, происходящих под влиянием нагрева или охлаждения сплавов, применяется метод термического анализа и метод термогравиметрии.

1) Термический метод анализа предназначен для обнаружения и определения величины тепловых эффектов. Аппарат для термического анализа состоит из печи и термопары, помещенной, в образец. Регистрируется зависимость изменения температуры от времени.

Термические кривые (простая - 1, дифференциальная - 2) эвтектоидной стали).

2)Более высокую чувствительность обеспечивае так называемый диффе-

дефференциальныйметод

термического анализа.анализа.

Схема дифференциального термического анализаанализа

состоит из трех термопар. Одна термопара служит для измерения температуры исследуемого образца. Две термопары включены по дифференциальной схеме, при этом одна термопара (или спай) помещена в эталонное вещество (никель), не претерпевающее изменений под влиянием - тепла. Второй спай дифференциальной термопары помещен в исследуемый образец.

Схема дифференциальной

термопары (а) и подводки термопар к образцу и эталону (б).

При использовании такой схемы измерения температуры при нагреве печи равномерно повышается температура как образна, так и эталона до тех пор, пока в исследуемом металле не начнутся превращения. С этого момента изменение температуры исследуемого образца либо ускорится, либо замедлится в зависимости от того, сопровождается ли превращение выделением или поглощением тепла. Показания дифференциальной термопары определяются величиной теплового эффекта процесса (график, кривая - 2).

Термогравиметрический анализ позволяет с большой точностью проследить за изменением массы образца при нагреве и связать эти изменения с реакциями, происходящими в исследуемом веществе. Масса вещества измеряется автоматически на аналитических весах. По кривой термогравиметрического (ТГ) анализа можно проследить, за превращениями исследуемого металла и произвести расчеты с определенным количеством продуктов реакции. Трудности оценки кривой ТГ привели к созданию дифференциальной термографии. Кривая скорости изменения массы образна во

времени (ДТП позволяет с большей надежностью судить о превращениях в и с ел еду е м о м м етал л е. Схема дериватографа. Совместные термический и термогравиметрический анализы осуществляются с помощью дериватографов.

9. Методы измерения электрического сопротивления.

1) Простейшим методом определения электрического сопротивления является метод амперметра и вольтметра, при котором измеряют падение напряжения в образце, через который пропускают ток (рис. 1).

Схема ампер метр-вольтметровой установки.

Метод позволяет определять малую и среднюю величину сопротивления. Образец X присоединяется в точках С и D к источнику постоянного тока U:

последовательно с ним включается

амперметр (или миллиамперметр) А и

регулировочное сопротивление R. Параллельно образцу X в его точках F и В подключается вольтметр (или милливольтметр) с внутренним сопротивлением G, измеряющий разность потенциалов UFB. На основе показаний обоих приборов можно подсчитать сопротивление Rx на длине FB. По закону Ома: RX= UFB/I

Описанный способ применяется для измерения малых сопротивлений, если сопротивление прибора G велико (сотни или тысячи Ом) и если переходными сопротивлениями в точках F и В, а также и сопротивлением соединительных проводов можно пренебречь. Этим методом можно воспользоваться для измерения быстро изменяющегося электросопротивления, например в процессе отпуска стали, изотермического распада аустенита и т. п.. так как сравнительно просто может быть выполнена автоматическая запись изменения разности потенциалов и величины тока.

2) Прямое измерение электрического сопротивления можно производить мостовыми методами.

Одинарная мостовая схема Подбором сопротивлений R1 и R2 одинарного моста устанавливается равновесие токов в диагонали моста, тогда

R1/R2= Rx/Rn

Однако точно определить малые значения Rx (менее 1 Ом) нельзя, так как фактически определяется не Rx , а суммарное сопротивление между точками А и D. Оно складывается из сопротивления образца Rx , сопротивления соединительных проводов, переходных сопротивлений (во-первых, в точках крепления соединительных проводов - А и D, во-вторых, в точках крепления образца К и L). Когда сопротивление Rx мало, может оказаться , что величина дополнительного сопротивления сравнима или даже больше Rx .

  1.  Значительно отличается от одинарного моста схема двойного моста тем. что введена дополнительная параллельная ветвь. Двойной мост позволяет измерять сопротивления >10-6 Ом.
  2.  Потенциометрический (компенсационный) метод. Метод позволяет производить наиболее точные измерения. Образец с сопротивлением Rx включают последовательно в цепь с эталонным сопротивлением Rn . С помощью компенсатора сравнивают и компенсируют падения напряжения

на обоих сопротивлениях. Отсюда следует: Rx/Rn=Ux/UnRx= Rn Ux/ UnРассмотренные методы определения электрического сопротивления не пригодны для изменения высоких значений сопротивления.

5) разряда конденсатора. Конденсатор заряженный до напряжения U емкостью С, разряжается через сопротивление Rx Силу проходящего через сопротивление тока определяют по закону Ома и по временным изменениям заряда конденсатора. Если токи Io и It, соответственно измеряют во время t0 и t, то искомое сопротивление можно определить по формуле:

Rx=(t-t0)/C *lnIt/I0

10. Методы определения упругих свойств.

1) Для динамического определения модулем разработано несколько

способов. Например, модуль сдвига можно определять при измерении частоты крутильных колебаний проволочного образца на установке типа крутильного маятника. Схема прямого и перевернутого крутильного маятника: 1 -образец; 2 - инерционная масса; 3 -захваты.

В этой установке образец закрепляют верхним концом, а к нижнему прикрепляют подвес со скручивающим приспособлением (обычно это равноплечий рычаг с двумя грузами, расположенными на равных расстояниях от образца). Иногда для удобства измерений используют так называемый перевернутый маятник, в котором жестко закреплен нижний конец образца, а скручивающая система связана с верхним концом. В этом случае осевая нагрузка на образец от веса скручивающей системы воспринимается специальной тонкой нитью - подвесом. Закручивая рычаг перед началом измерений на определенный угол, можно вызвать крутильные колебания образца, частота которых регистрируется при помощи оптической системы. Модуль сдвига материала, из которого изготовлен образец, определяют по формуле;

G =128рLIf2, L - длина образца; d - диаметр образца; I - момент инерции скручивающей системы; f - частота колебаний.

Момент инерции может быть определен, если известны массы перемещающихся грузов и периоды колебаний системы, соответствующие двум различным расстояниям от грузов до центра образца. При таком способе измерения размеры образца и параметры скручивающей системы подбирают обычно таким образом, чтобы измеряемая частота -колебаний составляла около 1Гц.

2)Метод внутреннего трения. Изменение напряжения (пунктир) и деформации во времени при релаксации деформации. Этот метод, основанный на способности металлов необратимо рассеивать энергию упругой деформации, широко распространен в металловедении и физике металлов.

В соответствии с законом Гука деформация точно следует за приложенным напряжением. В этом законе отсутствует фактор времени. В действительности стабильная деформация в соответствии с законом Гука получается только при очень медленном нагружении образца. Если очень быстро приложить напряжение у (или ф), то образец деформируется на величину е' и модуль нормальной упругости, например Е, будет равен E=у/е' . Если затем выдерживать под напряжением о образец до момента установления равновесия, то получится дополнительная деформация образца е" и Ер приобретает значение Еp=у/( е'- е")

3) Наиболее распространенным является метод крутильного маятника. В этом методе образец является упругой частью маятника. Потери циклической деформации, возникающей под влиянием касательных напряжений, определяются по логарифмическому декременту затухания свободных колебаний. При использовании метода крутильного маятника ему задают

первоначальную амплитуду А{) и измеряют

амплитуду Ап через п колебаний.

Относительные потери (рассеяние упругой энергии U превращение ее в теплоту) при

малом угле ц обозначают Q-1 . При этом внутреннее трение равно: Q-1=lnKn где К=А0/Аn

Зависимость внутреннего трения (1) и динамического модуля упругости (2) от произведения ωτ, τ-время, ω-угловая скорость.

«Машиностроительные материалы»

1. Классификация машиностроительных материалов.

Машиностроительные конструкционные материалы классифицируются: по природе материалов, по технологическому использованию, по условиям работы.

1) Классификация по природе материалов

По природе материалы делятся на металлические, неметаллические и композиционные.

Металлические материалы всегда имеют кристаллическое строение и обладают рядом характерных свойств: высокой теплопроводностью, высокой электропроводностью, повышенной способностью к пластической деформации, положительным коэффициентом электросопротивления.

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические. Им присуши такие свойства, как: достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, сверхпрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства.

Композиционные материалы - это материалы в которых имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев. В зависимости от материала матрицы их подразделяют на две группы - с металлической матрицей и неметаллической матрицей.

2) Классификация по технологическому использованию

В основе такого деления машиностроительных конструкционных материалов лежат основные технологические свойства, литейные, деформируемость, свариваемость, обрабатываемость резанием, закаливаемость и про-каливаемость.

Для литья в различной степени пригодны все металлы, но чтобы качество отливок удовлетворяло техническим требованиям, сплавы из которых изготавливают отливки должны обладать следующими литейными свойствами: жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации, склонность к поглощению газов.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформируемость зависит от величины зерна, химического состава и анизотропии материала.

Свариваемость - это способность материалов образовывать неразъемные соединения за счет установления межатомных связей. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом), а также пластмассы. Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Обрабатываемость резанием - свойство материала при определенных условиях поддаваться обработке со снятием стружки.

Закаливаемость - способность металла повышать твердость в результате закалки. Прокаливаемость - способность металла получать закаленный слой с высокой твердостью, простирающийся на ту или иную глубину.

3) Классификация по условиям работы

По условиям работы различают материалы, имеющие принципиально разные эксплуатационные свойства: с повышенной и высокой прочностью, износостойкие, антифрикционные, фрикционные, с высокими упругими свойствами, малой плотности и высокой удельной прочности, коррозионно-стойкие, теплостойкие, жаростойкие, жаропрочные, хладостойкие.

Теплостойкость - способность материалов работать в нагруженном состоянии при температурах до 600° С в течение определенного времени.

Жаропрочность - это способность материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур (выше 600° С) без заметной остаточной деформации и разрушения.

Жаростойкость - способность материалов сопротивляться газовой коррозии в процессе обработки и эксплуатации при высоких температурах..

Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды..

Износостойкость - способность материала сопротивляться изнашиванию, оцениваемая величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания. О хладностойкости материалов судят по величине порога хладноломкости, полученной при серийных испытаниях на ударный изгиб при разных температурах испытаний.

 2. Критерии использования конструкционных материалов.

Ответственным моментом в процессе конструирования и изготовления любой машины, агрегата и детали является выбор материалов. Он должен производиться с полным знанием свойств различных материалов и требований, предъявляемых к ним условиях работы и изготовления данной детали.

Выбранный материал должен отвечать следующим требованиям:

  1.  Эксплуатационные - удовлетворять условиям работы детали в маши не;
  2.  Технологические удовлетворять требованиям минимальной трудо емкости изготовления;

3. Экономические выгодным с учетом всех затрат, включающих стоимость материала, изготовление детали, а также затраты, связанные с эксплуатацией машин, для которых они предназначены.

Обоснованный выбор материала с полным учетом этих требований представляет сложную технико-экономическую задачу. В общем случае правильный выбор материала может быть сделан только на основе сопоставления нескольких вариантов.

Часто используют показатель включающий совокупность нескольких свойств. Комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации, называется конструкционной прочностью.

Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности. Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы.

При статических нагрузках пользуются характеристиками – уТ, НВ.уТ -характеризует сопротивление пластической деформации. Обычно пластическая деформация при работе детали не допустима и приводит к разрушению. НВ - для приближенной оценки статической прочности. Для стали справедливо соотношение уВ =НВ/3 .

При циклических нагрузках критерий прочности уR - предел выносливости.

Надежность - сопротивление материала хрупкому разрушению. Критериями определяющими надежность являются температурные пороги хладноломкости - трещиностойкости (КIC).

Долговечность - способность детали сохранять работоспособность в течение заданного времени. Критерии определяющие долговечность - усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность и др., в зависимости от характера условий работы детали.


3. Материалы с повышенной и высокой прочностью.

Значительную группу машиностроительных материалов, для изготовления ответственных тяжело нагруженных изделий, представляют конструкционные стали. К конструкционным сталям предъявляются следующие требования: высокая прочность, достаточная вязкость, хорошие технологические свойства, экономичность, не дефицитность.

Конструкционные стали подразделяются:

  1.  углеродистые стали обыкновенного качества.
  2.  качественные углеродистые стали.
  3.  низколегированные конструкционные стали,
  4.  среднелегированные стали,
  5.  высоколегированные стали.

Углеродистые конструкционные стали

Углеродистые стали составляют 80% общего объема продукции черной металлургии и применяются для изготовления различных металлоконструкций и изделий машиностроения. Это объясняется тем, что они дешевы и имеют удовлетворительные свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Недостатки углеродистых сталей в том, что они имеют высокую критическую скорость закалки, это вызывает значительные деформации и коробление. Они имеют небольшую прокаливаемость (12 мм), что ограничивает размер изготавливаемой детали.

  1.  Углеродистые стали обыкновенного качества наиболее дешевые, в них допускается повышенное содержание вредных примесей и газов. Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, утолки, трубы, швеллеры и т. п.), а также поковок. Применение этих сталей зависит от группы к которой они относятся:
  2.  Углеродистые качественные стали от сталей обыкновенного качества отличаются более низким содержанием вредных примесей и неметалличе ских включений.

Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов без термической обработки (горячекатанные, кованные), термически обработанными и нагартованными с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Углеродистые стали имеют разнообразное применение, благодаря различным механическим свойствам зависящих от содержания углерода и термической обработки.

3) Низколегированные конструкционные стали. Низколегированная сталь является переходной между углеродистыми и

легированными сталями. Низколегированные стали содержат до 0,2 % С и до 2-3 % недефицитных легирующих элементов. Микролегирование, незначительно удорожая сталь, повышают ее прочность, хладостойкость, корро-зионностойкость и износостойкость по сравнению с углеродистыми сталями, сохраняя ее пластичные свойства и свариваемость.

Принято выделять следующие группы низколегированных сталей:

1. Марганцовистые и марганцовокремнистые. Эти стали ненамного до роже углеродистых, но по сравнению с ними имеют лучший комплекс ме ханических свойств, повышенную хладостойкость, лучшую свариваемость. повышенную износостойкость, и коррозионную стойкость.

Эти стали применяются в судостроении, химической промышленности, вагоностроении, мостостроении, их механические свойства можно улучшить с помощью термической обработки, которую проводят после нагрева под прокатку.

2. Низколегированные стали с карбонитридным упрочнением. Добав ление в низкоуглеродистую марганцовистую сталь 0,015-0,025% Ni, 0,1- 0,2% V и иногда Ti и А1 создает предпосылки для выделения дисперсных карбонитридов ванадия и титана или нитридов алюминия. Дисперсные карбиды способствуют измельчению зерна, тормозят движение дислокаций. В совокупности эти факторы благоприятно влияют на прочность, вязкость и хладостойкость.

4) Высокопрочные среднелегированные стали

К среднелегированным сталям относятся стали содержащие 2,5-10% легирующих элементов 30ХГСН2А, 40ХСН2МА, 25Х2ГНТА.

Для достижения высокой прочности среднелегированные стали подвергают обычной закалке на мартенсит и низкому отпуску 220-250 СС, который улучшает пластичность, вязкость при сохранении высокого уровня прочности. Стали хорошо деформируются в горячем состоянии, свариваются дуговой сваркой, хорошо обрабатываются резанием в отожженном состоянии.

Поставляются в виде поковок, листов, труб, прутов, профилей. Применение: высоконагруженные детали: цилиндры, балки, шпильки, оси.

5) Высокопрочные высоколегированные стали (мартенситно- стареющие)

Высокопрочными сплавами принято считать сплавы имеющие предел прочности уB > 1800-2000 МПа при удовлетворительной пластичности и вязкости. Мартенситно-стареющие стали - это безуглеродные ( <0,03 С) сплавы легированные Со, Mo, Ti, Al, Cr и др. элементами.

Для мартенситно-стареющих сталей характерен высокий предел текучести, низкий порог хладноломкости. Применение: для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении (корпуса подводных лодок, гребные винты).

 4. Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием.

Обрабатываемость оценивается несколькими показателями, главный -интенсивность изнашивания режущего инструмента, дополнительные -чистота поверхности резания, форма стружки, легкость ее отвода.

Обрабатываемость зависит от следующих факторов:

1. Механические свойства. Обрабатываемость уменьшается с увеличе нием твердости и прочности, так как увеличиваются усилия резания, темпе ратура нагрева инструмента, вызывающая разупрочнение режущей кромки и снижение стойкости. Но обработка слишком пластичных материалов тоже затруднена из-за:

образования сплошной трудноломающейся стружки, которая скользя по поверхности нагревает инструмент и интенсивно изнашивает его.

налипания металла на инструмент и образования нароста, ухудшаю щего шероховатость поверхности, способствующего в образовании зади- ров.

  1.  Теплопроводность. Обрабатываемость уменьшается с понижением теплопроводности металла.
  2.  Микроструктура металла. Изменяя микроструктуру металла различ ными технологическими приемами можно повысить обрабатываемость. К таким приемам относят термическую обработку и наклеп.

4. Химический состав. Самые эффективные металлургические способы, предусматривающие введение различных добавок, изменяющих химиче ский состав и количество неметаллических включений. Добавки создают «внутреннюю смазку», которая в зоне резания снижает трение между стружкой и инструментом, и облегчает ее измельчение.

Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием называют автоматными. Различают следующие группы автоматных сталей:

1) Автоматные сернистые стали.

All, А12, А20, АЗО, А35, А40Г - это углеродистые стали с содержанием S = О.О8-О.З0% и P= 0,05-0,15% . Чтобы не проявлялась красноломкость в них увеличено количество марганца (0,7 - 1,55 %). Сера образует сульфиды марганца, которые играют роль смазки и повышают хрупкость феррита.

При хорошей обрабатываемости эти стали имеют низкое качество -низкие механические свойства и низкая коррозионная стойкость, поэтому их не применяют для ответственных деталей.

Из таких сталей изготавливают - крепежные детали, малонагруженные детали сплошной формы к которым предъявляются требования высокой точности и чистоты поверхности.

2) Автоматные свинцовосодержащие стали (0,15 - 0,35 % РЬ).

Они подразделяются на углеродистые с повышенным содержанием серы (АС14, АС40, АС35Г2, АС40Г2), легированные низкоуглеродистые (АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ) и легированные среднеуглеродистые (АС30ХН, АС38ХГМ, АС40ХГНМ).

По обрабатываемости они превосходят сернистые.

Свинец находится в сталививиде дисперсных частиц, которые помогают измельчать стружку. При нагреве свинец плавится, растекается по поверхности, снижая трение между инструментом и деталью.

Введение свинца повышает скорость резания на 30 - 40 % без снижения стойкости инструмента или при той же скорости резания увеличивает стойкость в 2 - 7 раз.

Свинец не ухудшает механические свойства. Эти стали применяются для изготовления многихдеталей двигателей на автозаводах.

3) Автоматные селеносодержащие стали. Они подразделяются на угле родистые (А35Е, А45Е) и хромистые (А40ХЕ).

Они содержат Se = 0,04-0,10% и S = 0,06-0,12% .

Обрабатываемость повышается за счет образования селенидов и суль-фоселенидов, которые обвалакивают твердые оксидные влюченияи, тем самым устраняют их истирающее действие.


5. Стали с повышенной технологической пластичностью.

Технологическая пластичность зависит от химического состава и микроструктуры стали.

Пластичность стали при холодной штамповке определяется в первую очередь концентрацией углерода. Чем меньше углерода, тем легче идет технологический процесс вытяжки.

Рекомендуется для глубокой вытяжки брать стали с содержанием углерода <0,1 % , для гибки и незначительной вытяжки 0,2-0,3 %.

Наиболее благоприятная структура стали для вытяжки феррит + небольшое содержание перлита. Лучше деформируется сталь с меньшим зерном.

Для деформируемых сталей контролируются параметры: д и уТ/ уВ . Чем больше д , тем ниже уТ, и следовательно, чем меньше отношение уТ/ уВ, тем выше способность к вытяжке.

Рекомендуется уТ/ уВ =0,55-0,66 .

Для вытяжки используют стали: 05, 08, 10 всех видов раскисления.

уВ -280-330 МПа. д= 33-45% .

Наиболее часто применяемые стали - 05кп, 08кп, 10кп.

В них почти нет Si, который упрочняет феррит. Но из-за газонасыщенности стали склонны к деформационному старению. Чтобы связать N и О в химические соединения добавляют V и А1 (08Фкп, 08Юкп).

6. Стали с высокой технологической свариваемостью.

О качестве сварного соединения говорит отсутствие дефектов: поры, непровары. трещины. В принципе свариваются все металлы. Характеристикой свариваемости данного металла служит количество допускаемых способов сварки и простота ее технологии.

Для сталей свариваемость тем выше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов. Влияние углерода является определяющим.

Углерод расширяет интервал кристаллизации и увеличивает склонность к образованию горячих трещин. Горячие трещины появляются тогда, когда металл долго находится в жидком состоянии.

Причина холодных трещин - внутренние напряжения, возникающие при структурных превращениях, особенно мартенситном (местная закалка). Углерод увеличивает объемный эффект мартенситного превращения - способствует появлению горячих трещин.

В связи с этим, высокая свариваемость у сталей с содержанием углерода <0,25% .

К ним относятся:

углеродистые стали - БСтО, БСт1 - БСт4, ВСт1 - ВСт4. 05, 08, 10, 15. 20. 25

низколегированные стали -09Г2, 09Г2С. 14Г2, 15ГФ

14Г2АФ, 15Г2СФ

Из них изготавливают: трубопроводы, мосты, вагоны, краны, резервуары и т.д.

Сварка сталей с большим содержанием углерода и легированных требует особых технологических приемов - снижения скорости охлаждения, защитной атмосферы, последующей термической обработки.


7. Железоуглеродистые сплавы с хорошими литейными свойствами.

Хорошими литейными свойствами обладает сплав, который имеет малый интервал кристаллизации. Такими сплавами являются сплавы испытывающие эвтектическое превращение. И з сплавов Fe-C лучшими литейными свойствами обладают чугуны с содержанием углерода > 2.14% >.

Кроме литейных свойств чугуны имеют достаточную прочность, износостойкость, относительно дешевые. Благодаря этому используются для производства качественных отливок сложной формы. В зависимости от того, в каком виде и форме находится углерод в чугуне различают - белый, серый. ковкий, и высокопрочный чугун.

Белый чугун имеет НВ = 450-550, хрупкий и для изготовления деталей машин не используется.

В промышленности широко применяются серые, ковкие и высокопрочные чугуны, в который углерод находится в виде графита. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства, но понижает д и уB .

Серый чугун. Имеет пластинчатую форму графита. По химическому составу делятся на: обычные(нелегированные) и легированные.

Обычные серые чугуны содержат: основыне элементы Fe - С (2,2-3,7°о) - Si (1-3%), примеси Мn (0,2-1,1%), Р (0,02-0,3%), S (0.02-0,15%). Из руды попадают и находятся в небольшом количестве Сг, Ni и Си.

Ферритные серые чугуны: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18

Предназначены для слабо и средне- нагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников.

Феррито-перлитные серые чугуны: СЧ 20, СЧ 21, СЧ 25

Применяют для деталей работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков.

Перлитные серые чугуны: СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45

Наиболее прочные из-за мелких разобщенных графитных включений.

Их используют для деталей работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы.

Высокопрочные чугуны. Графит шаровидной формы получают модифицированием магнием, или сплавом магния и никеля, который вводят в чугун в количестве 0,02-0,08 %.

Применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяет сталь: прокатные станы, кузнечно-прессовое оборудование, в турбостроении -корпус шаровой турбины, коленчатые валы, поршни и т.д.

Ковкие чугуны. Графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов.

 8. Медные сплавы, как материалы с повышенными технологическими свойствами.

Медь обладает следующими свойствами: высокая теплопроводность высокая электропроводность, коррозионная стойкость.

Сплавы меди сохраняют эти свойства меди и обладают хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами.

Для легирования меди используют в основном элементы растворимые в меди: Zn, Sn, AL Be, Si, Mn, Ni.

Повышая прочность медных сплавов, некоторые легирующие элементы не только не снижают пластичность, но и повышают ее (такие как - Zn, Sn, Al).

Медные сплавы классифицируют, по технологическим свойствам (деформируемые, литейные); по способности упрочняться с помощью термической обработки (упрочняемые, неупрочняемые т/о); по химическому составу (латуни, бронзы).

1) Латуни - это сплавы меди с цинком. Они бывают двойными (про стые) и многокомпонентными (легированные).

Латунь с >90% Си называют томпаками (Л96), при 80-85 % Си - полу-томпаками (Л80).

Zn - удешевляет латунь, но практическое значение имеют латуни, содержащие до 45 % Zn, с большим содержанием Zn сплав становится хрупким.

До 39 % сплав - однофазный, 39 -- 45 % структура состоит из двух фаз.

Однофазные латуни хорошо деформируются в холодном состоянии, поэтому из них изготавливают холоднокатаные полуфабрикаты: полосы, ленты, проволоки, листы из которых изготавливают детали методом глубокой вытяжки (трубки, снарядные гильзы, сильфоны. Также детали требующие низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца). Для легирования латуни применяют Al. Fe. Ni, Sn. Si. Эти элементы повышают коррозионную стойкость латуни, обрабатываемость.

Двухфазные латуни имеют низкую пластичность при низких температурах, но хорошую в горячем состоянии Из них выпускают горячекатаный полуфабрикат - листы, прутки, трубы, из которого изготавливают детали на металлорежущих станках - гайки, штуцеры, детали электрооборудования.

Двухфазные латуни имеют небольшой температурный интервал кристаллизации, благодаря чему хорошей жидкотекучестью, но при литье большую усадочную раковину. Этот недостаток не присущ легированным латуням. Поэтому легированные латуни применяют не только как деформируемые, но и как литейные.

2) Бронзами называют сплавы меди со всеми элементами кроме Zn. На звание бронзам дают по основным элементам: оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые. Zn может присутствовать в качестве легирующе го элемента.

Оловянные бронзы. В меди растворяется (по диаграмме состояния) 15,8 % Sn (a - фаза). Но эти сплавы склонны к неравновесной кристаллизации и в реальных условиях однофазное состояние у сплава до 5 - 8 % Sn. При большем содержании Sn в структуре сплавов присутствует эвтектоид (а + 8) (д -- фаза электронное соединение Cu31Sn8 Появление д- фазы в структуре бронз вызывает и резкое изменение свойств, снижается их вязкость и пластичность. Поэтому практическое применение имеют бронзы, содержащие до 10% Sn.

Алюминиевые бронзы; Си и А1 образуют б- твердый раствор.

Дополнительно алюминиевые бронзы легируют Mn, Fe, Ni, Pb.

Из алюминиевых бронз изготавливают мелкие, но ответственные детали типа шестерни, втулок, фланцев.

Бронзы легированные Fe и Ni хорошо упрочняются закалкой + старением.

Кремнистые бронзы.

Пружины, фасонные отливки, мембраны.

Свинцовые бронзы. Бр СЗО

Имеют более низкие механические и технологические свойства, но используются как высококачественный антифрикционный материал (вкладыши).

Беррилиевые бронзы. Бр Б2

Высококачественный пружинный материал.

После закалки от 800° С +- старение 300-350° С происходит выделение дисперсных частиц, возрастает прочность и упругость (уВ=1100-1200 МПа).


9. Износостойкие материалы. Материалы с высокой твердостью поверхности.

Детали которые подвергаются изнашиванию можно подразделить на две группы: детали образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи); детали изнашивающиеся в результате воздействия рабочей среды (жидкость, газ и т.п.)

Причина изнашивания сопряженных деталей - работа сил трения. Под действием этих сил происходит деформирование участков поверхности, их упрочнение, разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости.

Существует два основных пути повышения износостойкости материала: увеличение твердости трущейся поверхности, снижение прочности адгезионной связи.

Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание.

Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей смазочным материалом.

Материалы с высокой твердостью поверхности:

1)Материалы устойчивые к абразивному изнашиванию Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов про порциональна их твердости. В сплавах эта зависимость не соблюдается.

При наиболее тяжелых условиях работы используют карбидные сплавы в виде литых и наплавочных материалов.

В промышленности используют более 100 сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием (до 4 %) углерода и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti) В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов, увеличение содержания которых сопровождается увеличением износостойкости.

Для деталей работающих без ударов применяют сплавы с мартенситной структурой. К ним относят сплавы: У25Х38, У30Х23Г2С2Т. (цифра после буквы У означает содержание углерода в десятых долях %).

При значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаватора, пики отбойных молотков и др.) применяют сплавы с аустенитно-мартенситной -У37Х7Г7С или аустенитной матрицей - У11ГЗ, У30Г34.

Для деталей работающих при средних условиях изнашивания применяют спеченые твердые сплавы, которые состоят из карбидов We, TiC, TaC с металлическим Со, а также высокоуглеродистые стали Х12, Х12М, Р18, Р6М5 (инструментальные стали со структурой - мартенсит + карбиды).

Для более легких условий изнашивания применяются низко- и средне-углеродистые стали с различного видами поверхностного упрочнения и чугуны (гильзы цилиндров, поршневые кольца, коленчатые валы.

Эти материалы предназначены для таких изделий массового производства, как подшипники качения и зубчатые колеса. Усталостное выкрашивание на их рабочих поверхностях вызывают циклические контактные напряжения сжатия.

10. Материалы устойчивые к абразивному изнашиванию.

Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов пропорциональна их твердости. В сплавах эта зависимость не соблюдается.

При наиболее тяжелых условиях работы используют карбидные сплавы в виде литых и наплавочных материалов.

В промышленности используют более 100 сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием (до 4 %) углерода и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti) В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов, увеличение содержания которых сопровождается увеличением износостойкости.

Для деталей работающих без ударов применяют сплавы с мартенситной структурой. К ним относят сплавы:

У25Х38 У30Х23Г2С2Т

(цифра после буквы У означает содержание углерода в десятых долях %)

При значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаватора, пики отбойных молотков и др.) применяют сплавы с аустенитно-мартенситной -У37Х7Г7С или аустенитной матрицей - У1 1Г13, У30Г34.

Для деталей работающих при средних условиях изнашивания применяют спеченые твердые сплавы, которые состоят из карбидов We, TiC, TaC с металлическим Со, а также высокоуглеродистые стали XI2, Х12М, Р18. Р6М5 (инструментальные стали со структурой - мартенсит + карбиды)

Для более легких условий изнашивания применяются низко- и средне-углеродистые стали с различного видами поверхностного упрочнения и чугуны (гильзы цилиндров, поршневые кольца, коленчатые валы.


11. Антифрикционные материалы.

Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников скольжения.

Основные служебные свойства материала для подшипников скольжения - антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность - способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженных деталей.

Антифрикционность обеспечивает следующие свойства материала:

1.высокая теплопроводность,

2.хорошая смачиваемость смазочным материалом,

3.способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого материала,

4.хорошая прирабатываемость - способность материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта.

Металлические материалы. Металлические антифрикционные материалы по своей структуре подразделяются на два типа:

1.сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями,

2.сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.

К сплавам первого типа относятся бабиты и сплавы на основе меди -бронзы и латуни.

Бабиты - мягкие сплавы на оловянной или свинцовой основе.

На оловянной основе: Б83 (83 % Sn, 11% Sb и 6 % Си), Б88.

На свинцовой основе: Б16 (16 % Sn, 16 % Sb, 2 % Си), БС6, БН.

К сплавам второго типа относятся чугуны. Мягкая составляющая -включения графита.

Для работы при больших давлениях и малых скоростях используют серые чугуны.

СЧ15, СЧ20 и легированные антифрикционные чугуны:

серые - АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3,

высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2,

ковкие АЧК-1, АЧК-2.

Марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы.

Достоинства чугуна - невысокая стоимость.

Недостатки - плохая прирабатываемость, пониженная стойкость к ударной нагрузке.

Неметаллические материалы. Для изготовления подшипников скольжения применяют пластмассы -термореактивные и термопластичные смолы.

Из термореактивных пластмасс используют - текстолит. Из него изготавливают подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие материалы работают в тяжелых условиях, смазываются водой, которая хорошо охлаждает и размягчает поверхность.

Из термопластичных материалов (полимеры) - ПС 10, анид, капрон, фторопласт (Ф4, Ф40). Они имеют низкий коэффициент трения, высокую износостойкость и коррозионную стойкость.

12. Фрикционные материалы.

Они применяются в тормозных устойствах и механизмах передающих крутящий момент.

Фрикционные материалы работают в тяжелых условиях изнашивания, при высоких давлениях, скоростях скольжения (до 40 м/с), температуре (до

1000° С).

Требования к фрикционным материалам: высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость, достаточную прочность.

Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченые материалы. Их производят ввиде пластин и накладок которые крепят к стальным деталям.

Наиболее часто применяют асбофрикционные материалы:

ретинакс - ФК-24А и ФК-16Л коэффициент трения 0,37-0,4

25 % - фенолформальдегидная смола

40 % -асбест,

35 °о - барит, рубленая латунь и пластификатор.

Используют в тормозах самолетов, автомобилей и др.

Недостатки -- низкая теплопроводность, отсюда перегрев.

При тяжелых режимах применяют металлические спеченные материалы. Их производят на основе железа ФМК-8, ФМК-11 и на основе меди МК-5.

Кроме основы и металлических компонентов они содержат неметаллические добавки - асбест, графит, оксид кремния, барит.

В многодисковой тормозной системе самолетов используют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопроводности и малой плотности.


13. Материалы с высокими упругими свойствами.

К материалам с высокими упругими свойствами относятся пружинные стали и сплавы. Независимо от условий применения пружинные сплавы должны иметь определенные, характерные для всех конструкционных сплавов, свойства - высокую прочность в условиях статического, циклического или динамического нагружения, достаточную пластичность и вязкость, а так же высокое сопротивление разрушению.

Однако основным свойством, которым должны обладать пружинные стали и сплавы, является высокое сопротивление малым пластическим деформациям как в условиях кратковременного (предел упругости), так и длительного (релаксационная стойкость) нагружения, зависящее от состава и структуры этих материалов, а также от параметров воздействия на них внешних условий температуры, коррозионной активности внешней среды и др.

1) Рессорно-пружинные стали

Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении. Их еще называют пружинными сталями общего назначения. Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рессорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0.5 - 0,7 %), которые

подвергают закалке и отпуску при температуре 420-520є С.

Небольшие пружины простой формы изготавливают из стали, поставляемой в термически обработанном состоянии. Для крупных пружин, требующих больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном состоянии. Термической обработке подвергают готовые изделия, полученные горячей навивкой или штамповкой.

2) Пружинные сплавы

Пружинные сплавы подразделяются на следующие группы: коррозионно-стойкие, немагнитные, с низким коэффициентом модуля упругсти, высокоэлектропроводные.

Коррозионно-стойкие сплавы применяют для изготовления пружин работающих в коррозионно-активных средах. Для пружин, стойких в слабо-окисляющим средам применяют высокохромистые стали типа 30X13 и 40X13. Пружины из этой стали изготавливают методами холодной или горячей навивки или изгиба и термической обработки.

Хорошей коррозионной стойкостью и меньшей склонностью к хрупкому разрушению обладают дисперсионно-твердеющие стали аустенитно-мартенейтного класса с низким содержанием углерода: 09X15Н8Ю, 0Х17Н7ГТ (содержание углерода не более 0,05%).

Более высокое сопротивление коррозии при высоких прочностных свойствах имеют практически безуглеродистые мартенситно-стареюшие стали, упрочняемые закалкой и отпуском (старение): ОЗХ12Н10Д2ТБ, 04Х14К13Н4МЗТБВ. Эти стали устойчивы в морской воде и окислительных средах. Упругие элементы из них можно изготовить методами холодной штамповки из закаленных заготовок, а затем их подвергают упрочняющему старению (отпуску).

Немагнитные пружинные сплавы. Немагнитными свойствами в сочетании с хорошими упругими свойствами обладают аустенитные хромонике-левые стали, упрочняемые после закалки пластической деформацией с высоким обжатием. Когда нужна полная немагнитность в сильноупрочнен-ном состоянии, применяют стали 17Х18Н9 и 37Х 12Н8Г8МФБ также после сильной деформации.

Для упругих элементов малых сечений и простой формы, но в которых требуется очень высокая прочность при немагнитное™ применяют сплавы на Co-Ni-Cr основе.

Пружинные сплавы с низким температурным коэффициентом модуля упругости применяют для упругих элементов часовых механизмов, они обеспечивают повышенную точность работы указанных изделий. Это ферромагнитные сплавы на железоникелевой основе, упрочняемые в результате термической и термомеханической обработкой.

Сплавы 42HXTIO и 42НХТЮА имеют постоянный модуль упругости

при температуре до 100°С, сплав 44НХТЮ при температуре до 200єС.

Высокоэлектропроводные пружинные сплавы. К ним относятся берил-лиевые бронзы, фосфористая бронза и другие сплавы на основе меди.

Наибольшее применение приобрели бериллиевые бронзы с содержанием Be от 0,4-0,7 до 2-2,5 % и имеющие в своем составе дополнительные легирующие элементы никель, кобальт, титан, серебро и до 0,2 % магния.

Широкое применение бериллиевых бронз в промышленности объясняется тем, что наряду с высокими значениями предела упругости и релаксационной стойкости они обладают хорошей коррозионной стойкостью, не-магнитностью, повышенной электрической проводимостью и ценными технологическими свойствами - хорошо штампуются, паяются, свариваются и т. д. Бериллиевые бронзы имеют большую упругую деформацию, чем упругие элементы из стали. Однако высокая стоимость бериллия ограничивает применение таких сплавов. Широко используется сплав БрБНТ1,9, легированный титаном и никелем.

 14. Материалы с малой плотностью и высокой удельной прочностью.

К легким металлам относятся цветные металлы Al, Mg, сплавы на их основе и пластмассы.

1) Алюминий и сплавы на основе алюминия

Алюминий. - обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электропроводностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Алюминий выпускается в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.). обозначают АД0, АД1 (Д - деформируемый). Алюминий применяют для изготовления рам, дверей, трубопроводов. фольги, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду. Благодаря высокой теплопроводности о\\ используется для различных теплообменников в холодильниках. Благодаря высокой электропроводности используется для конденсаторов, проводов, кабелей, шин. Благодаря отражательной способности -используется для прожекторов, рефлекторов. Основными легирующими элементами для алюминиевых сплавов являются Си, Mg, Si. Mn, Zn. Алюминиевые сплавы классифицируются по технологии изготовления -деформируемые, литейные, спеченные: способности к термической обработке - упрочняемые и неупрочняемьте: и свойствам.

Деформируемые сплавы неупрочняемые термической обработкой. К ним относятся сплавы АМц, АМг. Имеют высокую пластичность, свариваемость, коррозионную стойкость. Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, когда требуется высокая коррозионная стойкость - трубопроводы для бензина и масла, сварные баки, заклепки, корпуса судов.

Деформируемые сплавы упрочняемые термической обработкой. К ним относятся сплавы нормальной прочности и высокопрочные - дуралюмины (Д). сплав Al-Cu-Mg. Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Благодаря изменению растворимости меди в алюминии эти сплавы подвергаются термообработке, состоящей из закалки и естественного старения. После закалки структура сплава состоят из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями.

Дуралюмины широко применяют в авиации.

Литейные алюминиевые сплавы. Они маркируются буквами - АЛ. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы А1-Si (силумины). Они обладаю! высокой жидкотекучестыо, малой усадкой, низкой склонностью к образованию горячих трещин, хорошо свариваются.

2) Магний и сплавы на основе магния

Магний- металл серебристо-белого цвета. Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резанием и способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяется. Он используется в пиротехнике, в химической промышленности, в металлургии различных металлов и сплавов - как рас-кислитель. восстановитель и легирующий элемент. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al. Zn, Mn. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), легко шлифуются и полируются. Они удовлетворительно свариваются контактной и дуговой сваркой. По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяются на литейные (МЛ) и деформируемые (МА); по механическим свойствам невысокой и средней прочности, высокопрочные и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

«Технологические основы производства порошковых и композиционных материалов»

1. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы, полученные методом порошковой металлургии. Их применение в промышленности.

Порошковая металлургия - область науки и техники, охватывающая производство металлургических порошков, а так же изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками.

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: получение металлического порошка или смеси порошков разнородных материалов, формования, спекания (нагрева) и дополнительной обработки (механической обработки, калибрования, термической и химико-термической обработки и др.) порошковых заготовок и изделий. Процессы формования и спекания нередко совмещают в одну операцию.

По областям применения эти материалы можно разделить на следующие группы:

1) инструментальные материалы (твердые сплавы, сверхтвердые материалы, быстрорежущая сталь), используемые в обработке металлов резанием и давлением, а так же в бурильной технике;

  1.  конструкционные материалы (общемашиностроительные, жаропроч ные, композиционные, коррозионностойкие), применяемые в качестве силовых и несущих элементов в машиностроении, авиации, ракетной технике, химической промышленности, бытовой технике, приборостроении;
  2.  триботехнические материалы (антифрикционные, фрикционные, уп- лотнительные), применяемые в узлах трения в машиностроении и на транс порте;
  3.  материалы со специальными физическими свойствами (электротех нические и магнитные, для атомной техники, фильтры, и пористые изделия и др.). используемые в электро - и радиотехнике, электронике и вычисли тельной технике, атомной промышленности, авиации, машиностроении и других отраслях.

Твёрдые сплавы по составу условно классифицируют на две основные группы:

  1.  твердые сплавы на основе карбида вольфрама (основные марки - ВК, ГК. ТТК. ВЖН). используемые в обработке резанием сталей, чугунов, цвет ных металлов сплавов, а так же в обработке давлением и в бурильной тех нике (см. табл.1);
  2.  безвольфрамовые твердые сплавы на основе металлоподобных туго плавких соединений (ТН. КИТ, ТМ, КХН, КХНФ, ВОК, сплинит и др.), применяемые при полу чистовой и чистовой обработке резанием сталей, чугунов, цветных металлов и сплавов, а также частично при обработке давлением.

2. Свойства металлических порошков: химические, физические, технологические.

К химическим свойствам порошков относят: содержание в нем основного металла, примесей, различных механических загрязнений и газов: влажность, воспламеняемость (пожароопасность), взрываемость и токсичность.

. В металлических порошках содержится значительное количество газов (кислорода, водорода, азота и др.) как адсорбированных на поверхности, так и попавших внутрь частиц в процессе изготовления или при последующей обработке. Чем мельче частицы порошка, тем больше газов они адсорбируют.

Важными химическими особенностями металлических порошков являются их воспламеняемость (часто в качестве синонима этого термина используют термин " пирофорность "), взрываемость и токсичность. В комплексном (литом) состоянии лишь немногие металлы (магний, титан, гафний и некоторые другие) пожароопасны, тогда как в порошкообразном состоянии пожароопасны очень многие металлы.

Систематическое вдыхание металлических порошков независимо от их вида может привести к профессиональным заболеваниям. В связи с этим предельно допустимые концентрации (ПДК) аэрозолей металлов и их соединений в окружающей атмосфере достаточно малы.

К физическим свойствам металлических порошков относят: форму частиц, размер частиц, и гранулометрический состав, удельную поверхность, плотность и микротвёрдость.

Первичная форма частиц может несколько (иногда существенно) видоизменяться при последующей обработке порошка (разломе, отжиге, грануляции и др.).

Металлический порошок представляет собой совокупность частиц размером от долей микрометра до миллиметра (0,001 - 1000 мкм). Практически не встречаются порошки с частицами одного размера. Самый широкий диапазон размеров частиц у порошков, получаемых восстановлением и электролизом.

Удельная поверхность порошка представляет собой сумму наружных поверхностей всех частиц, составляющих единицу его массы или объёма.

Плотность частицы порошка зависит от природы её материала, размера, совершенства внутренней макро- и микроструктуры, химической чистоты (наличие оксидов, нитридов и др.) и т.д.

Микротвёрдость частиц порошка позволяет косвенно оценивать их способность к деформированию. Её величина зависит от природы и химической чистоты металла, а также условий предварительной обработки порошка.

К технологическим свойствам металлических порошков относят: насыпную плотность и плотность утряски, текучесть, уплотняемость, прессуемость и формуемость.

Насыпная плотность - масса единицы объема порошка при свободной насыпке. Её величина зависит от угла естественного откоса порошка, Знание насыпной плотности порошка необходимо прежде всего для расчета высоты матрицы пресс-формы при её конструировании. Чем она меньше, тем больше затруднено формование заготовок и больше их усадка при спекании.

Величину обратную насыпной плотности, называют насыпным объемом.

Понятие плотность утряски связано с наблюдаемым сокращением (до 20 - 50 %) объема, занимаемого свободно насыпанным порошком, при воздействии на него механических колебаний.

Величину, обратную плотности утряски, называют объемом утряски.

Текучесть порошка - сложная комплексная характеристика, зависящая от плотности и размера частиц, гранулометрического состава порошка, формы и состояния поверхности частиц и других факторов, основным из которых является трение и сцепление частиц между собой, затрудняющие их взаимное перемещение.

Уплотняемость металлического порошка - его способность уменьшать занимаемый объем под воздействием давления или вибрации.

Прессуемость металлического порошка оценивают способностью образовывать под воздействием давления тело, имеющее заданные размеры, форму и плотность. Эта характеристика дает качественную опенку свойств порошка, связанную с уплотняемостью и формуемостью.

Формуемость металлического порошка - его способного сохранять приданную ему под воздействием давления форму в заданном интервале пористости.


3. Способы формования (изостатическое формование, мундштучное формование, шликерное формование, прокатка порошков, вибрационное формование). Расскажите об одном из способов формования.

Изостатическое формование.

Сущность изостатического формирования заключается в уплотнении металлического порошка в эластичной оболочке в условиях всестороннего сжатия. Средой сжатия бывают масло, жидкость, глицерин, газы. Чаще всего оболочки резиновые с толщиной 0,1 - 0,2 мм. Получают шары, трубы, цилиндры от нескольких грамм до несколько сотен килограмм. Давление от 100 - 1200 МПа.

Формование в эластичной оболочке.

1 - пуансон, 2 - Me порошок, 3 - эластичная оболочка, 4 - матрица, 5 - нижний пуансон.

Мундштучное формование.

В качестве

пластификатора применяется парафин, крахмал. Пористость заготовок после вдавливания близка к нулю. Получают изделия из плохо прессуемых материалов (тугосплавные Me, твердые сплавы, керметы на основе оксидов).

При относительно низких температурах (температура экструзии 600 °С) порошок обычно нагревают вместе с матрицей.

4. Процессы, происходящие при спекании металлических порошков.

Спекание - это нагрев и выдержка порошковой формовки при температуре ниже температуры плавления основного компонента с целью обеспечения заданных механических и физико-химических свойства. Две основные разновидности процесса спекания:

  1.  Твердофазное - без образования расплава в процессе нагрева;
  2.  Жидкофазное - при котором какие либо легкоплавкие компоненты смеси порошков или структурные составляющие материала в процессе нагрева расплавляются.

Выделяют три стадии процесса спекания:

  1.  припекание порошинок друг к другу;
  2.  спекание представлено в виде двух фаз: фаза вещества и фаза пустоты;
  3.  в замкнутом теле находятся изолированные поры.

Одним из процессов спекания является процесс рекристаллизации -рост одних зерен за счет соседних зерен этой же фазы.

На 1 стадии происходит образование новых зерен из определенных центров, на 2 ст.происходит рост самих зерен.

Спекание по температурным условиям можно разделить на несколько этапов:

  1.  Нагрев.формовки до t = 100 - 150 °С при этом происходит увеличе ние объема формовки, удаляются пары Н2О пластификаторов, происходит выгорание связок.
  2.  при t = (0,3 - 0,4) Тпл заканчивается релаксация, снятие упругих а .

происходит дальнейшее выгорание связок, не Me контакты заменяются на Me, площадь контакта увеличивается.

3. При t = (0,75 - 0,85) Тпл происходит сглаживание пор, рекристаллизация, упрочнение.

Процесс спекания можно проводить в вакууме, в защитной атмосфере.

В вакууме спекание происходит быстрее, проводится при более низкой температуре.

В защитной атмосфере осуществляемой среде очищенного и осушенного Н2, реже в атмосфере N2 .


5. Принципы классификации и схемы армирования волокнистых композиционных материалов.

Для композиционных материалов с не металлической матрицей существует несколько классификаций в основу которых положены следующие признаки:

  1.  материаловедческий (по природе компонентов и их свойств).
  2.  конструктивный (по типу арматуры и ее ориентации в матрице).
  3.  технологический (по способу переработки в изделие).

Группы: 1) композиты с полимерной матрицей (пластики), 2) композиты с Me матрицей (Me композиты), 3) композиты с керамической матрицей, матрицей из углерода.

Классификация по типу арматуры и способы укладки:

  1.  хаотично направленные композиты (с непрерывными волокнами, с короткими волокнами).
  2.  одномерно армированные композиты (с непрерывными волокнами, с короткими волокнами).
  3.  двумерноармированные (непрерывные нити, ткани).

4) пространственная многонаправленная, армирующие элементы рас положены в трех и более направлениях (параллелепипед).

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов.

Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более ни тей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях.

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани

Рис. 222. Схемы армирования композиционных материалов: / — однонаправленная; // — двухнаправ-ленная; /// — трехнаправленная IV —■ четырехнаправленная; 1 — 5 — укладка волокон (/ — прямоугольная, 2 — гексагональная, 3 — косоугольная, 4 — с искривленными волокнами, 5 — система из п нитей)

увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения

упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехмерных материалов сложное, чем направленных


6. Материалы матриц волокнистых композиционных материалов.

Материал матрицы характеризует химическую стойкость композита, его теплофизические, электрические свойства. Материал матрицы должен обеспечивать хорошую смачиваемость волокон, определенные значения вязкости исходной смолы и продолжительности ее перехода железообразное состояние при отвердении, качественное соединение слоев композита в процессе формования. Матрица волокнистых композиционных материалов м/б: полимерной или углеродосодержащей.

Композиционные материалы с полимерной матрицей: Представляют собой материалы, состоящие из волокон, которые связанны термопластичной матрицей. В качестве связующих применяют поликарбонат, полиамиды, полиэтилен, полистирол. Армирующими компонентами служат стеклянные волокна, асбест, углеграфитовые, арамидные.

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ): представляют собой углеродсодержащую или графитовую матрицу, армированную углеродным или графитовым волокном. Метод получения углеродной матрицы определяет ее структуру и свойства, а следовательно и характеристики УУКМ. Получают ее тремя способами: 1-пропитка смолой волокнистого каркаса с ее последующей карбонизацией. 2-осождение углерода из газовой фазы между волокнами каркаса, 3-сочетание пропитки смолой и карбонизации с осождением углерода из газовой фазы.

7. Армирующие компоненты композиционных материалов (моноволокна, жгуты, ткани).

В качестве армирующих элементов в композиционных материалах на неметаллической основе применяют волокна различной природы, представленных в разнообразных формах. Различают непрерывные волокнистые материалы (элементарные волокна, нити, ровинги, ленты, ткани) и короткие волокна (порошки, штапельные ткани, «усы», маты).

Непрерывные волокна-материал бесконечной длины, получаемый из расплава (стекловолокно), продавливаемого через маленькое отверстие. Непрерывные волокна при изготавлении собирают в единый компактный жгут без крутки, называемый стренга.

Шпательное волокно- волокно получаемое резкой непрерывного жгута, состоящего из множества одиночных нитей, на отрезки определенной длины, пригодные для последующего прядения. Штапельное волокно можно получать непосредственно при формовании.

Нить-материал, получаемый при скручивании двух и более волокон в один непрерывный пучок.

Ровинг (жгут)-материал, образованный пучками непрерывных нитей. Количество нитей в ровинге называется числом сложений.

Пряжа-собранные в месте кручением волокна или нити, природные или синтетические, образующие непрерывную нить, пригодные для переработки в текстильный маткриал.

Ткань-материал из переплетенной пряжи или нитей, обычно имеющие плоскую структуру. По способу переплетения нитей ткани классифицируют на полотняные, ситцевые, сатиновые, саржевые и трикотажные.

Маты-волокнистые нетканные материалы, состоящие из произвольно ориентированных штапельных волокон или спутанных нитей.

Усы-короткие нитевидные монокристаллы, выращенные в специальных условиях. Имеют высокую механическую прочность, обусловленную высоким совершенством и бездефектностью кристаллической структуры.

 

8. Особенности проектирования полимерных композитов с заданными свойствами.

1) На первом этапе проектирования задаются геометрия конструкции и технические требования к материалу и детали: величина, направление и характер действующих нагрузок, температура и ресурс эксплуатации, ка лендарный ресурс службы и т.п. Исходя из этих данных, выбирается тип композита (карбоволокнит, стеклотекстолит, гетероволокнит и т.п.) и метод изготовления из него конструкции заданной геометрии (формование, прес сование, намотка и т.п.), формулируются требования к материалу по техно логичности.

2) Второй этап проектирования предусматривает выбор компонентов монослоя материала, определение физико-механических и технологических характеристик материала монослоя композита, уточнение метода изготов ления заданной конструкции и назначение режимов формования. С учетом характера нагружения и вида напряженного состояния, воздейст вующего на монослой в конструкции, используя уравнения микромеханики композитов, задаются такие параметры, как степень армирования, порис тость, прочность сцепления волокна со смолой, упругопрочностные харак теристики волокон и матрицы.

3) Третий этап проектирования предусматривает уточнение схемы ар мирования с учетом реальной толщины монослоя: ориентацию и количест во монослоев, их расположение по толщине материала. В последнем случае учитывается требование симметрии ориентации слоев относительно сред ней плоскости во избежание короблений, вызываемых термическими на пряжениями, а также максимального удаления от средней плоскости разо- риентированных слоев для придания конструкции большей жесткости на кручение. После уточнения схемы армирования и геометрических размеров (сечения) конструкции проводится расчет напряжений, действующих в материале конструкции и монослоях с учетом начальных напряжений, вы званных усадкой и разностью коэффициентов термического расширения в компонентах и слоях композита при отверждении. После оптимизации схемы армирования повторно проводят расчет напряжений, действующих в материале конструкции и в монослое, после чего, как и в предыдущем слу чае, определяют коэффициенты запаса прочности и жесткости в материалах монослоев.

4.Следующим шагом является испытание моделей. Моделирование базируется на теории подобия. Выбор масштаба моделирования задается некоторым минимальным числом армирующих слоев модели, при котором свойства ее материала и свойства материала натурной конструкции одинаковы, так как для изготовления модели используются те же волокна и то же связующее, что и для натурной конструкции. Результаты исследований показывают, что при стабильной технологии изготовления конструктивное и технологическое подобие возможно в достаточно широких пределах изменения масштабов моделирования, применяемых для большинства практических случаев. Интерпретация полученных результатов испытаний производится с учетом опытных коэффициентов, учитывающих разброс опытных нагрузок, влияние начальных несовершенств материала. Испытания моделей создают возможность оптимизации свойств конструкции за счет перераспределения волокон в плоскостях армирования пластиков или перемещения подкрепляющих элементов конструкции. Достоверность полученных данных по работоспособности изделия должна подтверждаться натурными испытаниями.

Задача перехода от модели к натурной конструкции заключается в проверке статистической гипотезы о пропорциональности параметров нагрузки и свойств, проявляемых материалом, для модели и натуры. Положительные результаты проверки позволяют произвести пересчет геометрических характеристик и эксплуатационных нагрузок в соответствии с критерием подобия.


9. Использование методов неразрушаюшего контроля при изготовлении композиционных материалов.

Полимерные композиционные материалы являются сложным объектом контроля вследствие запрограммированной анизотропии свойств. Практически все они являются диалектиками, плохими проводниками электрического тока, не магнитны, радиопрозрачны.

Для полимерных композиционных материалов не применимы токових-ревые и магнитные методы контроля, не эффективны высокачастотные ультразвуковые методы.

Для контроля качества не металлических композиционных материалом применяют следующие методы:

  1.  ультрачастотный ультразвуковой импульсный
  2.  инфракрасный оптический 3)радиоволновой
  3.  теплометрический специальный
  4.  электрический специальный
  5.  Томографический контроль.

Томографический контроль - это метод обладающий значительным запасом метрологических возможностей, для повышения объема информации о внутренней структуре изделий. Компьютерная томография позволяет реконструировать пространственное распределение плотности всего изделия. Применяется в ответственных технологиях аэрокосмических и судостроительных материалов и конструкций.

 10. Методы получения полимерных композиционных материалов (контактное формование, Опишите один из методов получения.

Контактное формование используется для изготовления крупных изделий. Производится двумя методами: формование напылением, формование ручной укладкой.

Технология ручной укладки:

  1.  нанесение разделительных покрытий на форму
  2.  раскрой тканных или не тканных армирующих материалов
  3.  приготовление связующего
  4.  укладка армирующего компонента в форму
  5.  нанесение связующего и пропитка им арматуры
  6.  отверждение при комнатной температуре или небольшом нагреве.
  7.  извлечение изделия из формы и необходимая механическая обработка.
  8.  контроль изделия.

Преимущества контактного формования: 1) универсальность, 2) низкая стоимость оснастки, 3) возможность создавать сложные конструкции, 4) пригодность для опытного и единичного производства.

Недостатки: 1) большие затраты ручного труда, 2) низкая производительность. 3) высокая квалификация формовщика, 4) трудность обеспечения однородности и стабильности физических и механических свойств материала

Пултрузия. Применяется в автомобильной промышленности, процесс является непрерывным. Обеспечивает надежный контроль ориентации волокон и натяжения. Материал вытягивается через фильеру под действием внешнего усилия. Изготавливают специальные профили фасонные, трубы, прутки. Метод пултрузии применяется для одномерных профилей. Армирующими элементами являются стекловолокна, углеродные волокна...


«Теория и технология термической и химико-термической обработки»

1. Азотирование, структура азотированного слоя.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотированного слоя заметно выше, чем твердость цементованного, и сохраняется при нагреве до высоких температур (450 - 500 °С). тогда как твердость цементованного слоя, имеющего мартенситную структуру, сохраняется только до 200 - 225 °С.

Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке NH3 (25-60%) На обрабатываемой поверхности происходит диссоциация NH3 с образованием ионов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла.Структура азотированного слоя задается предварительной т.о., состоящей из закалки и в. отпуска при600-675ºС. Структура стали после отпуска – сорбит

2. Атмосферы Коттрелла, Снука и Сузуки, роль последних в упрочнении при отжиге.

Атмосфера Коттрелла - атмосфера или область повышенной концентрации примесных атомов внедрения вокруг линии дислокации; образуется в результате взаимодействия упругих полей напряжения дислокации и примесного атома. Наиболее, сильно к дислокации притягиваются атомы внедрения, например С. N. С повышением температуры тепловое движение атомов размывает атмосферу Коттрелла (примесные атомы отрываются от дислокации). Атмосферы Коттрелла тормозят скольжение дислокаций. В отличие от самой дислокации, скользящей вследствие эстафетной передачи движения от одних атомов к другим на доли межатомного расстояния, атмосфера из примесных атомов может перемещаться на расстояния больше межатомного только диффузией, т. е. сравнительно медленно.

Атмосфера Снука - область упорядоченного расположения атомов внедрения вокруг линии дислокации. Атмосфера Снука тормозит движение дислокаций, вызывающее нарушение этой упорядоченности.

Атмосфера Сузуки - область измененной концентрации (по сравнению со средней в твердом растворе) примесных атомов внедрения или замещения в дефекте упаковки. Например, в ГЦК решетке дефект упаковки является тонкой прослойкой с чередованием слоев, характерным для ГПУ-решетки. При достаточно высокой температуре атомы перераспределяются диффузионным путем между дефектом упаковки и ГЦК решеткой аналогично перераспределению элементов между двумя фазами. Атмосфера Сузуки тормозит скольжение дислокаций.

Закрепление подвижных дислокаций в дислокационных стенках при полигонизации за счет примесных атомов (атмосфер Сузуки) является причиной упрочнения при отжиге.

3. Вторичная рекристаллизация.

Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рассматривать как зародышевые центры, и поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, вероятно, вызывается благоприятной для роста кристаллографической ориентацией отдельных зерен, меньшей чем у других зерен концентрацией дефектов (величиной объемной энергии) и более высокой подвижностью границ в результате неравномерного выделения примесей. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов.

Вторичная рекристаллизация - процесс предпочтительного роста некоторых зерен с равной объемной энергией за счет зерен той же фазы, практически не увеличивающихся в размерах, осуществляется миграцией границ, стимулируемой выигрышем в зернограннчной или поверхностном энергии

Выигрыш в зернограничной энергии - движущая сила процесса в том случае, когда центры рекристаллизации обладают заметным преимуществом в размерах по сравнению с окружающими зернами.

Выигрыш в поверхностной энергии - движущая сила процесса в тонких образцах, когда поверхностная энергия центров вторичной рекристаллизации (поверхностная энергия кристаллографических плоскостей, параллельных поверхности образца) заметно меньше поверхностной энергии зерен другой ориентировки.

В общем случае наименьшей поверхностной энергией обладают атомные плоскости с максимальными межплоскостными расстояниями: [110} для о. ц. к.; {111} для г. ц. к.; (0001} — для г. к.

Адсорбция, связанная со средой отжига или другими причинами, может привести к тому, что минимумом поверхностной энергии будут обладать не указанные выше, но другие плоскости.

4. Газовая цементация и нитроцементация, термообработка после цементации.

Этот процесс осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. В случае газовой цементации можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, т.к. отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных .малотеплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов и значительно упрощается последующая т.о. деталей, так как закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи. Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти полностью из метана ( СH4 ) и пропанбутановых смесей, подвергнутых специальной обработке, а также жидких углеводородов. Процесс ведут при температуре 910 - 930°С 6 - 12 ч (толщина слоя 1000 - 1700 мкм).

Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных деталей.

Окончательные свойства цементованных деталей достигаются в результате термической обработки, выполняемой после цементации. В большинстве случаев, особенно при обработке наследственно мелкозернистых сталей, применяют закалку от 820 - 850 °С.

Это обеспечивает измельчение зерна и полную закалку цементованного слоя и частичную перекристаллизацию и измельчение зерна сердцевины. Для уменьшения деформации цементованных изделий выполняют также ступенчатую закалку в горячем масле (160 - 180 °С). После цементации термическая обработка иногда состоит из двойной закалки и отпуска В результате термообработки поверхностный слой приобретает структуру, мелкоигольчатого мартенсита и изолированных участков остаточного аустенита (до 30 - 50 %). Заключительной операцией термической обработки цементованных деталей во всех случаях является низкий отпуск при 160 -180 °С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит, снимающий напряжения. Структура сердцевины изделия из углеродистой стали состоит из сорбита, а легированных сталей - из низко-углеродистого мартенсита или нижнего бейнита. Нитроцементацией называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температуре 840 - 860 °С в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Продолжительность процесса 4 - 10 ч. Основное назначение нитроцементации - повышение твердости, износостойкости и предела выносливости стальных деталей. На обрабатываемой поверхности происходит диссоциация NH3 с образованием ионов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла.

5. Гомогенное и гетерогенное зарождение фаз

Гомогенное зарождение - новая фаза зарождается в материнской старой фазе только за счет энергетической и концентрационной флуктуации.

Если фаза чистая, то внутри нее происходит такое зарождение за счет случайного перемещения атомов.

Гетерогенное зарождение - новая фаза зарождается на имеющихся поверхностях раздела материнской фазы с другими фазами (включения, стенки).

В твердом состоянии условие для предпочтительного образования новой фазы на границах раздела очень благоприятно, поскольку в матрице существует множество объемов с повышенной свободной энергией, а величина образования зародыша критического размера или вероятность повышается в этих областях, где повышенный уровень свободной энергии:

  1.  границы зерен (высокоугловые границы) и блоков (малоугловые гра ницы).
  2.  Включения (карбиды, оксиды, нитриды).

3)Дефекты кристаллического строения (дислокации, дефекты упаков ки).

6. Диагональная, ребровая и кубическая текстуры прокатки ОЦК -металлов.

Анализ текстуры катаного и волоченого железа показывает, что под углом 45е к направлению вытяжки (т. с. в зоне действия наибольших касательных напряжений) располагается плоскость (100). По этой плоскости происходит интенсивное упрочнение в процессе деформации, и когда эта плоскость вновь совпадает с поверхностью максимальных касательных напряжений при растяжении, наблюдается значительное сопротивление пластической деформации. При кручении поверхность максимальных касательных напряжений α-железа не совпадает с поверхностью максимальных касательных напряжений при его деформации при текстурообразова-нии, поэтому в плоскости (110) сопротивление пластической деформации меньше, чем при растяжении.

Многочисленные работы по изучению текстур холоднодсформированного железа и стали позволили определить их характерные особенности. Текстура главным образом описывается направлениями [110] зерен, лежащими вдоль направления прокатки с отклонением от него на несколько градусов, и плоскостями (001). находящимися в плоскости прокатанного листа с отклонениями от этого положения около направления прокатки, как около оси. Отклонение предполагает поворот ориентировок от положения (001) [110] на различные углы вплоть до 45 или 65° и зависит от степени обжатия. Отклонение около направления, поперечного направлению прокатки, изменяется в зависимости от различных условий, уменьшаясь с увеличением степени обжатия. В поверхностных слоях отклонение уменьшается с увеличением диаметра прокатных валков.

Некоторые из ориентировок были описаны Курдюмовым и Заксом с помощью идеальных ориентировок (1 12) [1 10] и (111) [112]. Стали с повышенным содержанием углерода обычно имеют менее резко выраженные текстуры.

Когда повороты отдельных зерен происходят в ходе деформации по схеме прокатки, некоторые кристаллы сохраняют относительно отчетливую единственную ориентировку, другие неоднородно поворачиваются в положение с двумя или более ориентировками.

Текстуры поперечной прокатки отличаются от текстур обычной прокачки. Если степени обжатия в двух взаимно перпендикулярных направлениях равны, то текстура поперечной прокатки о.ц.к. металлов приблизительно представляет наложение двух полюсных фигур для прокатки в этих двух направлениях.

7. Диффузионное превращение аустенита при охлаждении.

Он проходит в две стадии:1) Перлитное превращение до 450-500ºС 2)промежуточное превращение (бейнитное) до 220ºС. Перлитное превращение идет в две ступени 1)образование зарод. цементита и их рост;2)полиморфное превращение.Считается, что ведущим процессом явл.образование Ц., за счет восходящей диффуз.углерода из однородного тв.рас-ра, содерж.0,8%С;зародыши Ц. сод. 6,67%С. В тех обл. А., гдесод. Углерода пониж., немедленно происх.перестройка реш.ГЦК в ОЦК, т.е.обр. Ф. и ост-ти углерода «выдавл» к кристаллам Ц. АS→Фр+ЦК.Рост зерна Ц. образует рядом с собой безуглородистые обл. и обр. Ф. Понижение тем-ры привод. К ускорению процессо. Крист.станов. тоньше и расстояние между ними тоньше.

В интервале температур от А1 . до 550 - 500 °С при охлаждении происходит превращение аустенита в эвтектоидную смесь кристаллов α -фазы (феррита) и цементита или специальных карбидов; формируется перлит. При перлитном превращении диффузионное перераспределение углерода и легирующих элементов протекает наряду с переходом атомов растворителя (железа) из кристаллической решетки γ в решетку а .

Эвтектоидное, перлитное превращение может развиваться с образованием различных углеродсодержащих фаз. При весьма малом переохлаждении возможен распад аустенита на стабильные фазы - феррит и графит. Однако образование графита затруднено тем, что для этого необходимы весьма большие флуктуации концентрации углерода и отвод относительно малоподвижных атомов железа. Поэтому в сталях доэвтектоидного и эвтек-тоидного составов выделение графита становится практически невозможным и распад аустенита происходит с образованием смеси феррита и карбидов (перлита). Такое превращение происходит с достижением относительного минимума свободной энергии (по сравнению с образованием смеси феррита и графита), но кинетически оно более выгодно и осуществляется с большей скоростью.

Морфология перлита.

В углеродистых сталях при переохлаждении аустенита ниже А1 возникают колонии перлита. Пластины цементита растут в продольном и боковом направлениях. Понижение содержания углерода в близлежащих объемах аустенита и увеличение этих объемов по мере роста пластин приводят к возникновению зародышей феррита. Пластины феррита также растут в. продольном и боковом направлениях; повышение содержания углерода в смежных участках аустенита вызывает образование цементитных пластин, параллельных первой, - образуется перлитная колония. При изменении ориентации цементитной или ферритной пластины вследствие влияния на процесс роста, например, дефектов структуры начинается образование новой перлитной колонии. С увеличением переохлаждения число перлитных колоний в зерне аустенита увеличивается, а размеры колонии уменьшаются.

8. Закономерности фазовых превращений в твердом состоянии.

Образование твердых растворов в ряде случаев приводит к протеканию превращений в твердом состоянии. При этом могут образовываться химические соединения, механические смеси и твердые растворы другого строения. По существу наблюдаются те же превращения, что и при кристаллизации жидких расплавов. Однако механизм этих превращений различен, так как первые происходят в жидком расплаве, а вторые в твердом растворе.

Различие в механизме превращений заключается, во-первых, в характере протекания диффузии, нужной для создания в отдельных объемах необходимых концентраций. В жидком растворе диффузия осуществляется путем достаточно свободного перемещения атомов, не имеющих фиксированного состояния в объеме жидкого расплава. Во-вторых, образование новых фаз происходит не благодаря присоединению атомов жидкого расплава к кристаллической решетке твердого тела, а путем перестройки кристаллической решетки твердого раствора с образованием атомной структуры химического соединения, чистого металла или другого твердого раствора. Этот процесс называется перекристаллизацией сплава.

На рисунке показана диаграмма состояния железо - хром. В результате

затвердевания ниже линии солидуса образуется непрерывный ряд твердых растворов хрома и изоморфного с ним а -железа (решетка объемно-центрированного куба). Получается так называемый а-твердый раствор, претерпевающий при охлаждении превращения.

Превращение а-твердого раствора в твердый раствор другого типа (γ-твердый раствор на основе у -железа с решеткой гранецентрированного куба) наблюдается в интервале концентраций 0 - 13 % хрома. Сплав 1, как и другие сплавы системы железо - хром, ниже линии солидуса состоит из α -твердого раствора. При охлаждении до температуры точки 1 в α-твердом растворе начинают образовываться кристаллы у –тв-о раствора.

Перекристаллизация заканчивается при температуре точки 2 образованием однородного γ-твердого раствора. Обычно превращения на этом заканчиваются, если основной металл твердого раствора имеет одно полиморфное превращение. В данном случае железо имеет два полиморфных превращения; при более низких температурах начинается вторичная перекристаллизация с образованием объемно-центрированной решетки а -железа. Поэтому при охлаждении γ -твердого раствора до температуры точки 3 начинается вторичное превращение (в а -твердый раствор), которое заканчивается при температуре точки 4. Превращение твердых растворов друг в друга наблюдается в случае полиморфизма основного металла и может рассматриваться как полиморфизм сплавов.

Охлаждение твердых растворов в ряде случаев приводит к образованию химических соединений. В среднем районе концентраций (точка 5) образуется химическое (металлическое) соединение, состав которого соответствует приблизительно формуле FeCr. Это соединение называется σ-фазой. При охлаждении сплава II превращение происходит без предварительной диффузии железа и хрома путем перестройки кристаллической решетки α-твердого раствора в решетку σ-фазы. При охлаждении сплава III превращение происходит с изменением состава и диффузией хрома.

К превращениям в твердом состоянии правило фаз и правило отрезков прилагается так же, как и к превращениям при кристаллизации жидкого-расплава.

9. Изменение структуры и свойств сплавов при обработке давлением, текстуры деформации в ОЦК, ГЦК и ГП - металлах.

при обработке давлением происходит во первых изменение формы и размера зерен, а во-вторых изменяется внутреннее строение зерен, повышается плотность дислокаций и вакансий. Происходит образование текстуры деформации, когда определенные кристаллографтческие плоскости, в первую очередь более упакованные и направленные распологаются параллельно плоскости прокатки.Текстуры деформации:

ОЦК (сплав железа вольфр. ниобия) прокатка-(100) <110>-диагональная; -(110) <100>-ребровая; -(100) <100>-кубическая Волочение-<110>

ГЦК (медь, никель, аллюм)-прокатка -(110) <112>-текстура типа латуни; -(112) <111>-текстура меди; волочение-<111><110>

ГП (спл меди цинка титана) Прокатка -(0001) <1120>; волочение <1010>

При прокатке стали различные структурные составляющие, например участки занятые ферритом и перлитом, вытягиваются в направлении прокатки, и структура резко меняется. Получаются полосы (строки) перлита и феррита вытянутые в направлении деформации. Такая структура называется полосчатой или строчной.

Прочность и вязкость изделий из лигой стали, во всех направлениях более или менее одинакова, а после прокатки механические свойства стали вдоль прокатки становятся значительно выше, чем поперек. Причем по пределу текучести и прочности м/у образцами, вырезанными из заготовок или готовых изделий вдоль и поперек прокатки, большой разницы не наблюдается, но удлинение, сужение и ударная вязкость на поперечных образцах всегда получаются значительно ниже, чем на продольных.

Для получения высокопрочных стальных деталей их изготовляют так. что бы волокна стали описывали конфигурацию изделия и что бы в ответственных местах деталь испытывала напряжение вдоль, а не поперек волокон. Горячую и холодную механическую обработку деталей следует проводить так, чтобы наиболее плотный и прочный поверхностный слой слитка был сохранен, а средняя рыхлая ликвационная часть слитка располагалась бы в наименее ответственных, не напряженных местах

10. Кинетика мартенситного превращения, атермическое, взрывное и изотермическое превращения.

Мартенситное превращение в общем случае не удается подавить быстрым охлаждением, как это может быть при диффузионных превращениях. При переохлаждении до тем-ры, соответствующей точке Мн1, аустенит начинает превращаться в мартенсит. Следовательно, тем-ра, отвечающая точке Мн, соответствует началу мартенситного превращения. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже температуры Мн. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение практически также остановится. Эта особенность мартенситного превращения резко отличает его от диффузионного перлитного, которое полностью протекает в изотермических условиях при тем-ре ниже точки А1. Чем ниже тем-ра, тем больше образуется мартенсита. Количество мартенсита при этом возрастает в результате образования все новых и новых кристаллов, а не вследствие роста уже возникших кристаллов, имеющих некогерентную границу. По достижении определенной для каждой стали температуры превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эту тем-ру окончания мартенситного превращения обозначают Мк. Положение точек Мн и Мк не зависит от скорости охлаждения и обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже тем-ра точек Мн и Мк .

Атермическое и изотермическое мартенситное превращения.

Атермическое мартенситное превращение - характеризуется постепенным плавным увеличением количества мартенсита при непрерывном понижении температуры в интервале от температуры начала до температуры конца мартенситного превращения.

Изотермическое мартенситное превращение - мартенсит, превращается при изотермической выдержке в интервале температур; наблюдается в ряде сплавов и характеризуется инкубационным периодом (подобно перлитному превращение). Его кинетику можно описать С-образной кривой. Быстрым охлаждением превращение можно предотвратить (подавить), а последующим обогревом вызвать (инициировать). Структура изотермического мартенсита, образованного при низких температурах, отличается от структуры атермического мартенсита тем, что его кристаллы имеют значительно меньший размер и выстроены в виде рядов так, что каждый кристалл смещен относительно другого на небольшое расстояние. Кристаллы изотермического мартенсита относятся к реечному (дислокационному) типу. По многим признакам структура изотермического мартенсита похожа на структуру кристаллов, образованных под действием деформации.

11. Кристаллогеометрические соотношения при мартенситном превращении: Бейна, Курдюмова-Закса, Нишиямы, Гренингера-Трояна.

Ориентационные соотношения между решетками аустенита и мартенсита.

Большая скорость мартенситного превращения аустенита при низких температурах, аналогия в образовании кристаллов мартенсита с образованием двойников деформации, экспериментальные данные о кристаллической структуре мартенсита привели к представлению о превращении как-закономерной, быстро протекающей («скачкообразной») перестройке решетки γ и α с сохранением углерода в твердом растворе (бездиффузионное превращение).

Механизм перестройки решетки γ-железа в решетку α-железа был предложен Э. Бейном в 1924 г. Он получил впоследствии название деформации Бейна и заключается в сжатии / -гранецентрированной решетки по оси [001]γ и растяжении по осям <110>γ . Экспериментальное определение ориентировки мартенсита по отношению к осям монокристалла аустенита (ориентационные соотношения Курдюмова-Закса) позволило предложить другую схему перестройки путем двух сдвигов, полностью удовлетворяющую найденной ориентировке.

Наличие пятен (022) мартенсита рядом с пятнами (222) аустенита позволило заключить: решетка мартенсита ориентирована по отношению к решетке аустенита так, что плоскость (011)α параллельна плоскости (111)γ

Анализ геометрии превращения решеток γ - и α-железа показал, что сдвиг по плоскости (111)γ в направлении [211]γ на 1/6 периода трансляции решетки в этом направлении с изменением угла между плотноупако-ванными рядами атомов железа от 120 до 109° переводит г. ц. к. решетку в о. ц. к. Плоскость (111)γ аустенита становится тогда плоскостью (011)α , при этом сохраняется параллельность обеих плоскостей.

Полное определение ориентировки решетки мартенсита привело к установлению соотношения Курдюмова-Закса: (011)α//(111)γ; [111]α//(101)γ

Для сплавов железа с 27 и 34 % Ni было установлено ориентациейное соотношение Нишиямы: (011)α//(111)γ; [111]α//(211)γ

Соотношение Курдюмова-Закса может быть достигнуто 24 положениями решетки мартенсита в одном кристалле аустенита; соотношению Нишиямы отвечают 12 эквивалентных вариантов ориентировки мартенситных кристаллов.относительно исходного аустенитного зерна.

Ориентационное соотношение Курдюмова-Закса имеет простой физический смысл: параллельность наиболее плотно упакованных плоскостей и направлений в двух решетках, что особенно важно в условиях низкотемпературного сдвигового процесса.

12. Макро - и субструктура мартенсита, игольчатый и пакетный мартенсит, тонкая структура мидриба; инвариантность габитусной плоскости.

Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а следовательно, и от температуры своего образования могут иметь различные морфологию и субструктуру. Различают два типа мартенсита - пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки. В этом случае кристаллы мартенсита состоят в средней своей части из большого числа микродвойников, образующих среднюю зону повышенной травимости, называемую нередко мидрибом. Его кристаллы представляют собой широкие пластины. В плоскости шлифа они имеют вид игл. Наиболее часто (конструкционные углеродистые и легированные стали) кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек (реечный мартенсит), вытянутых в одном направлении. Чаще образуется и наблюдается пакет из реек. Такой высокотемпературный мартенсит называют массивным, в отличие от игольчатого. Тонкая структура реечного мартенсита сложна и представляет собой запутанные дислокации высокой плотности при отсутствии двойниковых кристаллов.

Пластинчатый мартенсит, который также называют игольчатым, низкотемпературным, образуется в высокоуглеродистых сталях и сплавах железа с большим содержанием никеля. Кристаллы пластинчатого мартенсита имеют форму тонких линзообразных пластин, которые в разрезе на шлифе выглядят иглами. Такая форма мартенсита соответствует минимуму энергии упругих искажений при его образовании в аустенитной матрице.

Реечный мартенсит, называемый также массивным, высокотемпературным, недвойникованным, образуется в закаленных малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях, а также в большинстве конструкционных легированных сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении (отсюда название этой формы мартенсита). Рейки параллельны и образуют плотный пакет, внутри которого они разделены мало- или высокоугловыми границами. Скорость образования пластин мартенсита объясняет когерентностью и упругим сопряжением двух решеток - образующегося мартенсита и исходной фазы, аустенита. Происходит «скользящее» движение, обусловленное бездиффузионным, кооперативным перемещением атомов на расстояния, меньшие межатомных. Так же характерной чертой кинетики мартенситного превращения является его автокаталитичность, напоминающая цепные реакции. На скорость роста кристаллов мартенсита оказывает большое влияние плотность дислокаций и механизм их движения - скольжение вместе с границей или переползание. Повышенная плотность дефектов (дислокаций, двойниковых прослоек) оказывает дополнительное влияние и на фазовый наклеп, наблюдающийся при превращении аустенита в мартенсит (объем мартенсита больше объема аустенита). Кроме того, повышенная плотность дислокаций, особенно их появление на границе фаз, может привести даже к частичному нарушению когерентности.

Габитусная плоскость - это плоскость раздела мартенситной и аустенитной фаз. Эта плоскость является плоскостью мартенситной пластины. В следствии деформации эта плоскость сохраняет ориентировку и размеры, которые она имела до перестройки (инвариантная плоскость).

13. Механизм и способы охлаждения металла после нагрева.

Основные процессы термической обработки стали связаны с применением различных скоростей охлаждения, колеблющихся в широком диапазоне величин от долей градуса до сотен градусов в секунду. Для обеспечения столь разнообразных условий процессы охлаждения осуществляются вместе с печами, на воздухе, в маслах, расплавах и растворах.

При взаимодействии с охлаждаемым телом охлаждающая среда изменяет свое состояние вследствие повышения температуры и, в ряде случаев, протекания различных физико-химических процессов, связанных с расплавлением или испарением. В соответствии с этим охлаждающие среды могут быть разделены на две группы.

Для первой группы в процессе охлаждения изменяются только количественные характеристики: температура и тепловые свойства среды.

Для второй группы в процессе охлаждения происходит изменение агрегатного состояния среды, связанное с кипением. Образование паровой пленки в момент погружения горячего тела в охлаждающую среду приводит к замедленному охлаждению в связи с низкой скоростью теплоотвода. Это называется стадией пленочного кипения. Разрушение паровой пленки вызывает соприкосновение отдельных объемов нагретой охлаждающей жидкости с нагретым телом; при этом жидкость испаряется. Испарение непрерывно подающихся к охлаждаемой поверхности объемов жидкости (пузырьков) связано с поглощением скрытой теплоты испарения и приводи! к интенсивному охлаждению (так называемая стадия пузырчатого кипения). При понижении температуры охлаждаемого тела начинается третья стадия -конвективного теплообмена, которая также характеризуется замедленным снижением температуры. Подобный характер охлаждения наблюдается при использовании сред, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемого тела (вода и водные растворы солей, щелочей и т. п.).

Скорость охлаждения существенно изменяется по мере понижения температуры тела. Скорость и характер охлаждения стальных тел в воде и в водных растворах определяются многочисленными факторами, главными из которых являются: температура охладителя, скорость перемещения тела и среды друг относительно друга и содержание различных примесей.

Благодаря замедлению охлаждения в верхнем интервале температур величина термических напряжений оказывается меньшей. Сохранение же высокой интенсивности охлаждения в районе мартенситного превращения способствует образованию больших фазовых напряжений, снижению прочности и появлению закалочшлх трещин. В связи с этим повышение температуры воды выше 30 - 40° С так же. как и понижение ниже 10°С, является крайне нежелательным.

Для повышения охлаждающей способности воды рекомендуется применять циркуляцию с целью разрушения паровой пленки и сокращения второй замедленной стадии охлаждения.

Большое влияние на охлаждающую способность водных растворов оказывает введение специальных примесей. Некоторые из них (соли, щелочи, кислоты-) значительно ускоряют, а другие (глина, масло, мыло, желатин) замедляют'процесс охлаждения.

Большое практическое значение имеет охлаждение в маслах. Охлаждение в масле уменьшает скорость охлаждения в районе 650 - 550° примерно в 5 раз, т. е. значительно ослабляет закаливающую способность. Вместе с тем в районе мартенситного превращения скорость охлаждения по сравнению с водой уменьшается в 25 - 30 раз, что благоприятно сказывается на уменьшении закалочных деформаций и возможности образования трещин. Изменение температуры и скорости циркуляции значительно слабее сказывается на охлаждающей способности масел по сравнению с водой.

В последнее время для закалки, главным образом, стальных изделий больших диаметров применяется водовоздушная смесь, получаемая путем распыления воды с помощью воздуха через специальные форсунки. Скорость охлаждения зависит от соотношения между количеством воды и воздуха: наименьшая - при охлаждении в струе воздуха и наибольшая - в струе воды.


14. Механизм роста зерен при критической деформации, диаграмма рекристаллизации.

Диаграмма рекристаллизации железа. При очень малых степенях деформа ции нагрев не вызывает рекристаллизацию. При 3 -15 %-ной деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во много раз превысить величину исходного зерна.Такую степень деформации называют называют критической. ПослеПосле

ообжатий с критической Степень деформации, % степеньюдеформации

также не происходит рекристаллизации по механизму образования новых зерен и их роста. Нагрев металла, подвергнутого обработке с критическими степенями деформации, вызывает быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения соседних. Такой механизм рекристаллизации, сходный со вторичной рекристаллизацией, объясняется неоднородностью деформации разных зерен при небольших степенях деформации. Поэтому при нагреве становится возможным рост менее деформированных зерен, т. е. имеющих более низкое значение энергии Гиббса, за счет более деформированных, т. е. имеющих большую энергию Гиббса. Критическая, степень деформации тем меньше, чем выше температура отжига. Следовательно, критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизации. Зависимость величины рекристаллизованного зерна от температуры и степени деформации часто изображают в виде диаграмм рекристаллизации. Эти диаграммы дают возможность в первом приближении выбрать режим рекристаллизационного отжига. Но следует учитывать, что результаты отжига зависят и от других факторов. Диаграммы рекристаллизации не учитывают влияния примесей, скорости нагрева и величины зерна до деформации. Чем быстрее нагрев, тем мельче зерно. При уменьшении величины исходного зерна повышается критическая степень деформации и рекристаллизованное зерно (при данной степени деформации) оказывается мельче.

15. Механизм упрочнения металлов при дорекристаллизацнонном отжиге.

Скорость полигонизации, происходящей при дорекристаллизационном отжиге зависит от природы металла, степени предшествующей деформации, предыдущей термообработки, содержания примесей и других факторов.

Важнейшая характеристика металла - энергия дефектов упаковки -сильно влияет на склонность к полигонизации. Чем меньше энергия дефектов упаковки, тем больше ширина растянутых дислокаций и труднее проходят процессы переползания и поперечного скольжения, необходимые для полгонизации. Поэтому в алюминии, имеющем высокую энергию дефектов упаковки и, следовательно, слабо расщепленные дислокации, полигониза-ция идет сравнительно легко. В меди она протекает труднее, а в а -латуни с низкой энергией дефектов упаковки поли тонизация обычно не наблюдается.

При больших степенях деформации рекристаллизация предотвращает развитие полигонизации. Поэтому полигонизацию обычно наблюдают при отжиге только после небольших деформаций.

Атомы примесей тормозят полигонизацию из-за образования атмосфер Котрелла затрудняющих перераспределение дислокаций скольжением и переползанием, и из-за образования атмосфер Сузуки, снижающих энергию дефектов упаковки и также затрудняющих перераспределение дислокаций. При одинаковой температуре отжига более чистый металл полигонизирует-ся за более короткое время.

16. Механизмы зарождения центров рекристаллизации.

Первичная рекристаллизация может осуществляться по одному из двух механизмов:

  1.  миграцией локальных участков исходных большеугловых границ;
  2.  образованием центров с новыми больше-угловыми границами и их ростом (до взаимного соприкосновения).

Первый механизм преобладает при относительно малых степенях деформации. В этом случае в силу неоднородности деформации плотность дислокаций повышается прежде всего у границ зерен. Однако в зернах с разной исходной ориентировкой плотность приграничных дислокаций, как правило, неодинакова. Так, при прокатке металлов с о. ц. к. решеткой в зернах, ориентированных параллельно плоскости прокатки плоскостям {100}, плотность дислокаций меньше (слабее наклепаны), чем в зернах, ориентированных {110} и {111}. В процессе нагрева после такой прокатки на локальных участках исходных границ (где эта разница максимальна, т. е. максимальна движущая сила) создаются необходимые условия для их миграции в зерно с большей плотностью приграничных дислокаций. Если при деформации уже сформировалась ячеистая структура, то исходная больше-угловая граница будет мигрировать в зерно с меньшим размером ячеек. В результате на мигрирующей границе возникают «выступы», которые можно рассматривать как центры первичной рекристаллизации.

Этот механизм следует называть рекристаллизация миграцией исходных границ, стимулированная градиентом наклепа.

Мигрирующие локальные участки исходных границ изменяют ориентировку захваченных объемов соседних зерен на ориентировку растущего зерна. Одновременно граница захватывает дефекты (дислокации), в пройденном ею объеме как бы «выметает» их.

Второй механизм преобладает в материале, в котором предшествующей деформацией создана ячеистая структура. При нагреве некоторые ячейки (размеры их - десятые доли микрометра) превращаются в центры рекристаллизации. Превращение происходит в процессе предрекристаллизационной полигонизации. Вначале часть дислокаций в трехмерных стенках ячеек аннигилирует в процессе взаимодействия и перемещения (переползанием и скольжением, в том числе поперечным), а оставшиеся дислокации образуют двухмерные субграницы. Дислокационные ячейки превращаются в субзерна. Далее субзерна - будущие центры рекристаллизации - укрупняются, а их субграницы в процессе укрупнения увеличивают угол разориентировки и постепенно превращаются в больше-угловые.

Укрупнение субзерен проходит по одному из двух возможных механизмов - либо миграцией субграниц, либо коалесценцией субзерен (ячеек).

17. Наследование текстуры деформации при рекристаллизации.

При большой степени деф. возникает преимущественная ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах. Закономерная ориентация крист. относительно внешних деф. сил получила название текстуры. Чем > степень деф., тем > часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентацию (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деф. (прокатка, волочение и т. д.). Образование текстуры способствует появлению анизотропии мех. и физ. св-тв. После выс. степеней предш. Деф. воз-ет текстура, к. нередко явл. причиной обр-ния при последующем нагреве текстуры рекрист. В этом случае новые рекрист. зерна имеют преимущественную кристаллограф. ориентацию. Характер текстуры рекристаллизации опр-ся условиями проведения отжига, видом предшествующей обработки давл-ем (прокатка, волочение и т. д.), а также количеством и природой примесей. При н. тем-ах отжига металлов с ГЦК реш. (К12) текстура рекр. такая же, как и текстура деф., а при высоких она отличается от текстуру деформации или отсутствует. Текстуру рекр. можно наблюдать в меди, алюминии, железе и других металлах. При образовании текстуры рекр. отожженный поликристаллический металл хар-тся анизотропией сво-тв.

18. Особенности мартенситного превращения.

Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в а -железе при 20 °С не превышает 0.002 %. то его содержание в мартенсите может быть таким же как в исходном аустените. т. е. может достигнуть 2.14 %.

Атомы углерода занимают октаэдрические поры вдоль осп в решетке α -железа (мартенсита) и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, в которой один период «с» больше другого - «а». При увеличении содержания углерода высота тетрагональной призмы «с» увеличивается, а размеры ее основания уменьшаются. Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Превращение носит бездиффузионный характер. Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако величина абсолютного смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. Это приводит к макроскопическому сдвигу, внешним проявлением которого является микрорельеф на поверхности металлического шлифа. В процессе превращения кристаллы мартенсита сопряжены с аустенитом по определенным кристаллографическим плоскостям и межфазная граница не образуется. Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика (-103 м/с). В процессе роста мартенситного кристалла вследствие разности удельных объемов аустенита и мартенсита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что в конечном счете приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы е неупорядоченным расположением атомов.

19. Особенности технологии термообработки при электронагреве.

Электронагрев - способ ТО, при которой источник тепла внутри материала заготовки, за счет прямого прохождения тока или индукционных гоков. Особенности:

1) Критические точки 1 и 3 повышаются на 100- 150° С по сравнению с равновесными. 2) Образующийся при нагреве аустенит является не однородным. 3) Зерно аустенита не успевает увеличиться и сохраняется мелким (10 - 12 баллов). 4) Исходное зерно должно быть мелким. Сталь мелкозернистой, если этого нет, то проводят предварительную нормализацию. 5) Ввиду неоднородности по составу и малого размера зерна аустенита понижается его устойчивость, поэтому охлаждение почти всегда должно быть быстрым.

Преимущества технологии: Повышается надежность и долговечность деталей машин,  , уменьшается вероятность усталостного разрушения детали. Высокая скорость охлаждения дает большую твердость, чем обычная технология, повышается износостойкость. Мелкое зерно повышает прочность и KCU.

Три способа: электроконтактный, нагрев токами промышленной частоты, нагрев ТВЧ.

Поверхностная закалка является одним из способов увеличения твердости поверхностных слоев изделия. Одновременно повышаются сопротивление истиранию, предел выносливости и т. п. Общим для всех способов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева изделий. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева, прокаливаемость играет второстепенную роль или вообще не имеет значения.

20. Полные, частичные и растянутые дислокации, дефекты упаковки.

1) Полные и частичные дислокации

Дислокации в простой кубической решетке, имеющие векторы Бюргерса а<100>, а<110> либо а<111>, называются единичными или дислокациями единичной мощности.

В кристалле должны преобладать единичные дислокации с минимальной энергией, т. е. с наименьшим вектором Бюргерса. В простой кубической решетке это будут дислокации с вектором Бюргерса а<100>.

Единичные дислокации обеспечивают при пробеге через кристалл тождественную трансляцию решетки. Такие дислокации называют полными.

Типичные кристаллические решетки металлов существенно отличаются от простой кубической. В г. ц. к., о. ц. к. и г. п. решетках' существуют дислокации с такими векторами Бюргерса, что перемещение их не приводит к тождественной трансляции в зоне сдвига, хотя и обеспечивает новое механически стабильное положение атомов. Обычно вектор Бюргерса этих дислокаций и соответственно энергия меньше, чем у единичной дислокации минимальной мощности в данной решетке. Дислокации с вектором Бюргерса, не являющимся вектором тождественной трансляции, называют неполными или частичными. Они играют исключительно важную роль в разнообразных процессах в металлах. Каждый тип кристаллической структуры характеризуется своими единичными и частичными дислокациями.

2) Дефекты упаковки

В чередовании плотноупакованных слоев возможны отступления от того порядка, который свойствен г. п. и г. ц. к. решеткам. Прослойку с нарушенным чередованием плотноупакованных слоев называют дефектом упаковки.

Дефект упаковки можно создать разными путями: сдвигом в плоскости плотнейшей упаковки, удалением или, наоборот, внедрением одной плот-ноупакованной плоскости (или части ее) и другими способами.

Нсли в г. ц. к. решетке изъять одну из плоскостей (или часть ее) и сблизить по нормали две половинки кристалла, чтобы исключить образовавшуюся

пустоту, то получим чередование слоев АВСАСАВС. . . . Здесь также получается прослойка С АС А г. п. решетки в г. ц. к. решетке. Такой

дефект называют дефектом упаковки вычитания.

Внедряя между нормально чередующимися слоями г. ц. к. решетки

полную или неполную атомную плоскость (плоскость С между А и В), получаем, чередование слоев АВСА.СВСАВ. . . с дефектом упаковки внедрения.

В г. п. решетке недостаточно только изъять одну из плотно-

 упакованных плоскостей и

сблизить по нормали две половинки кристалла, так как при этом в соседнее положение попадают одинаковые плоскости (АА или ВВ) и упаковка не получается плотнейшей. Необходимо еще тангенциальное смещение одной части кристалла по отношению к другой.

Дефект упаковки имеет атомные размеры в одном измерении и значительно большие размеры в двух других измерениях, т. е. является представителем поверхностных (двумерных) дефектов.

Появление дефекта упаковки не изменяет ни числа ближайших соседей, ни расстояния до них. Но как показывает зонная теория, из-за изменения в расположении следующих слоев (не ближайших) возрастает энергия электронного газа. Следовательно, с появлением дефекта упаковки связан избыток энергии, который называют энергией дефекта упаковки.

3) Растянутая дислокация

Две частичные дислокации Шокли, связанные между собой полосой дефекта упаковки, называют растянутой дислокацией.

Поскольку единичная дислокация, стремясь уменьшить энергию, самопроизвольно расщепляется на две частичные дислокации, соединенные дефектом упаковки, то растянутую дислокацию называют также расщепленной. Реакция диссоциации единичной дислокации в г. п. решетке выглядит так:

21. Предварительная термообработка инструментальных сталей.

Отжиг с непрерывным охлаждением и изотермический отжиг являются основными видами отжига заготовки инструмента после ковки, штамповки, прокатки или сварки. Низкий отжиг применяют для заготовок из быстрорежущих сталей в тех случаях, когда предшествующий нагрев при горячей механической обработке или сварке происходит при относительно низких температурах и коротких выдержках (например, при нагреве заготовок ТВЧ или сварке трением).

Ускоренный изотермический отжиг применяют перед повторной закалкой инструмента, не получившего в результате предшествующей термической обработки необходимых свойств.

Сфероидизируюший изотермический и циклический ступенчатый отжиг применяют для получения в зазвтектоидных сталях среднезернистого перлита, обеспечивающего хорошую чистоту поверхности после обработки резанием.

Циклический бесступенчатый отжит применяют для небольших заготовок или неправильно термически обработанного инструмента из быстрорежущей стали с целью ускорения процесса.

Высокий отпуск. Такой отпуск производят перед окончательной термической обработкой для того, чтобы снизить твердость, снять внутренние напряжения, появившиеся в процессе предшествующей холодной или горячей механической обработки и благодаря этому предотвратить значительную закалочную деформацию инструмента.

В инструментальном производстве применяют два вида данной обработки. Первым из них является так называемый рекристаллизационный отжиг, заключающийся в медленном нагреве до 600 - 700° С, выдержке в течение 1 - 2 ч и охлаждений с печью, реже - на воздухе; этот отжиг применяют после холодной механической обработки инструмента, имеющего сложную форму .или большое отношение длины к диаметру или толщине, с целью снятия наклепа, возникшего при обработке. Вторым видом является отпуск, осуществляемый путём нагрева заготовок в соляной ванне при 760 -780° С в течение 15-30 мин и охлаждения на воздухе. Этот отпуск применяют для заготовок сверл диаметром 16-50 мм из быстрорежущей стали, изготовленных методом секторного проката.

Он обеспечивает возможность последующей правки завитых заготовок без их поломки, но твердость снижает недостаточно: до НВ 293 - 311, что затрудняет последующую холодную механическую обработку.

Нормализация. Эту термическую операцию применяют к заготовкам из стали У12А для метчиков и круглых плашек с целью улучшения их обрабатываемости резанием и к заготовкам напильников из стали У13А для улучшения вида насечки и чистоты поверхности за счет происходящего при этом частичного устранения гонкой цементитной сетки по границам зерен и некоторого повышения твердости заготовок.

Если же после нормализации твердость заготовок оказывается чрезмерно высокой, то для ее снижения до требуемого в данном случае уровня НВ 188 - 165 дополнительно проводят высокий отпуск при 600 - 650° С.

Улучшение. Улучшение, как и нормализацию, применяют к заготовкам метчиков и плашек из стали У12А, чтобы достичь хорошей обрабатываемости их резанием. Замена нормализации улучшением обеспечивает более полное и надежное устранение цементитной сетки и более равномерную твердость заготовок в партии. Иногда после закалки заготовок вместо высокого отпуска применяют сфероидизирующий отжиг, что способствует лучшей коагуляции карбидов.

Карбидный отпуск. Такой отпуск заключается в нагреве холоднокатаной быстрорежущей стали до 720 - 760° С и охлаждении в масле или воде перед холодной пластической деформацией. Он обеспечивает частичное растворение мелкодисперсных карбидов, фиксируемое последующим быстрым охлаждением, что приводит к снижению предела текучести на 15 - 20 % и повышению пластичности. Карбидный отпуск применяют в целях улучшения обрабатываемости, устранения растрескивания этой стали, например, при холодной вырубке из нее заготовок тонких дисковых фрез или мелких (диаметром 4 мм) метчиков.

22. Процессы при отпуске инструментальных сталей, контроль качества, дополнительная термообработка после шлифования и заточки.

Отпуск инструментальных сталей, упрочняемых в результате мартен-ситного превращения (нетеплостойкие стали). Температуры отпуска нетеплостойких сталей пониженные (120 - 220° С), что объясняется необходимостью сохранения высокой твердости инструментов. Лишь при необходимости работы инструмента при динамических нагрузках их повышают до 300 -350° С.

Механические свойства сталей изменяются неодинаково в зависимости от превращений, протекающих при отпуске, а следовательно, от его температуры. Твердость сталей при отпуске до 200° С снижается на HRC 1 - 3 в результате частичного распада мартенсита и сохраняется на уровне HRC 60. Ее снижение происходит почти одинаково интенсивно во всех сталях. Легирующие элементы относительно мало влияют на эту стадию. Только кремний при содержании 0,8 - 1 % задерживает распад мартенсита. Интенсивное снижение твердости наступает при отпуске выше 250 - 270° С из-за усиления коагуляции карбидов и значительного уменьшения содержания углерода в мартенсите.

В процессе отпуска прочность и ударная вязкость стали возрастают вследствие уменьшения концентрации углерода в мартенсите и снятия напряжений, снижающих склонность стали к хрупкому разрушению.

Отпуск инструментальных сталей, упрочняемых в результате мартен-ситного превращения и дисперсионного твердения (теплостойкие стали).

Цель отпуска инструментов из этих сталей заключается в обеспечении одновременно высокой твердости и теплостойкости.

В сталях этого класса в зависимости от температуры отпуска проходят различные процессы.

  1.  Обеднение мартенсита углеродом и в некоторой степени легирующими элементами (незначительное), выделение и коагуляция цементитного карбида (150 - 300° С), в состав которого могут входить хром, вольфрам,молибден. В результате этого отпуска понижается твердость, но возрастают прочность и ударная вязкость, что является следствием снижения склонности к хрупкому разрушению в результате уменьшения концентрации углерода в мартенсите и снятия возникших при закалке напряжений.
  2.  Распад мартенсита и образование специальных карбидов (400 - 600°С). Это положение находит подтверждение при рентгенографических и электронно-микроскопических исследованиях фаз, выделяющихся при отпуске.

3. Распад остаточного аустенита. Остаточный аустенит теплостойких сталей (штамповых и быстрорежущих) из-за высокой легированности весьма устойчив и превращается лишь в результате отпуска выше 500° С. Во время выдержки при 500 - 600° С из аустенита выделяется часть углерода и легирующих элементов в виде карбидов. Обедненный аустенит превращается в мартенсит при охлаждении. Для более полного превращения оста точного аустенита отпуск быстрорежущих сталей необходимо повторять 2 - 4 раза в зависимости от состава стали.

Методы контроля. После отпуска контролируют твердость рабочей и мостовой части инструмента с помощью прибора Роквелла и напильника, тарированного на твердость HRC 61 для инструмента из углеродистой и низколегированной стали и HRC 62 - 64 для инструмента из быстрорежущей стали. В условиях массового и крупносерийного производства контроль качества отпуска производят выборочно..

Дополнительную термическую обработку Дополнительную термическую обработку проводят также для улучшения товарного вида и повышения коррозионной стойкости готового инструмента.

Применяют следующие виды дополнительной термической обработки режущего инструмента из быстрорежущей стали: а) отпуск при температуре 200° С в течение 1 ч, с целью частичного снятия внутренних напряжений, осуществляемый обычно в масле; б) отпуск в жидкой среде при температуре 500° С в течение 1 ч.

23. Разновидности отжига второго рода.

Различают следующие виды отжига: полный, изотермический и неполный.

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30 - 50°С выше температуры, соответствующей точке АС3, выдержке при этой

температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. Полному отжигу подвергают сортовой прокат из стали с 0,3 - 0,4 % С. поковки и фасонные отливки.

При нагреве до температуры выше точки Ас3 на 30 - 50°С образуется

аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелко зернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность, и возможность достижения высоких свойств после окончательной, термической обработки. Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Ас3-- вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает

свойства стали.

Изотермический отжиг состоит обычно в нагреве легированной стали, как и для полного отжига, и в сравнительно быстром охлаждении до температуры, лежащей ниже точки А1 (обычно 660 - 680 °С). При этой температуре назначают изотермическую выдержку 3 - 6 ч, необходимую для полного распада аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе. Одно преимущество изотермического отжига - в сокращении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые для заданного снижения твердости приходится охлаждать очень медленно.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (немного выше точки А1). Неполный отжиг доэвтектоидных сталей применяют для улучшения обрабатываемости их резанием. При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали - вследствие перехода перлита в аустенит. Избыточный феррит лишь частично превращается в аустенит. Такой отжиг конструкционных легированных сталей проводится при 750 - 770°С с последующим охлаждением со скоростью 30 - 60 °С/ч (чем выше легированность стали, тем медленнее охлаждение) до 600 °С, далее на воздухе. Неполный отжиг широко применяют для заэвтектоидных углеродистых и легированных сталей. В этих сталях проводят нагрев до температуры лишь немного выше точки А1 (обычно на 10-30 °С), что вызывает практически полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую (сфероидальную) форму перлита вместо пластинчатой. Такой отжиг называют сфероидизацией.

24. Режимы и способы азотирования.

Технология процесса азотирования. Технологический процесс предусматривает несколько операций.

  1.  Предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Отпуск проводят при высокой температуре 600 - 675°С, превышающей максимальную температуру по следующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска - сорбит.
  2.  Механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали.
  3.  Защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (0,01 - 0,015 мм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки.

Азотирование.

5) Окончательное шлифование или доводка изделия. Азотирование тонкостенных изделий сложной конфигурации из стали

38Х2МЮА рекомендуется выполнять при 500 - 520 °С. Длительность процесса зависит от требуемой толщины азотированного слоя. Чем выше температура азотирования, тем ниже твердость азотированного слоя и больше толщина слоя. Снижение твердости азотированного слоя связано с коагуляцией нитридов легирующих элементов. Обычно при азотировании желательно иметь слой толщиной 0,3 - 0,6 мм. Процесс азотирования при 500 -520 °С в этом случае является продолжительным и составляет 24 - 60 ч.

Для ускорения процесса азотирования применяют двухступенчатый процесс: сначала азотирование проводят при 500 - 520°С, а затем при 540 -560°С. При двухступенчатом процессе сокращается продолжительность процесса, при этом сохраняется высокая твердость слоя.

В процессе насыщения азотом изменяются, но очень мало, размеры изделия вследствие увеличения объема поверхностного слоя. Деформация возрастает при повышении температуры азотирования и толщины слоя.

Стали, не содержащие алюминий (Сr - Мо - V -стали), азотируют при 570 °С в течение 6 -10ч, что обеспечивает достаточную толщину слоя 0,3 -0,4 мм, высокую твердость (-800 HV) и износостойкость. Охлаждение после азотирования проводят вместе с печью в потоке аммиака (до 200 °С) во избежание окисления поверхности.

Получило применение азотирование при 570°С в течение 5 - 10 ч в атмосфере, содержащей 50 % эндогаза и 50 % аммиака или 50 % метана и 50 % аммиака. В результате такой обработки на поверхности стали образуется тонкий карбонитридный слой, обладающий меньшей хрупкостью и более высокой износостойкостью, чем чисто азотистая ε -фаза. Твердость карбонитридного слоя на легированных сталях 600 - 1100 HV. Такая обработка сильно повышает предел выносливости изделий.

Ионное азотирование. В последние годы получило применение азотирование в тлеющем разряде (ионное азотирование), которое проводят в разреженной азотсодержащей атмосфере ( NH3, или N ) при подключении

обрабатываемых деталей к отрицательному электроду - катоду. Анодом является контейнер установки. Между катодом (деталью) и анодом возбуждается тлеющий разряд, и ионы газа, бомбардируя поверхность катода, нагревают ее до температуры насыщения. Процесс ионного азотирования реализуется в две стадии: первая - очистка поверхности катодным распылением; вторая - собственно насыщение.

Катодное распыление проводят в течение 5 - 60 мин при напряжении 1 100 - 1400 В и низком давлении. В процессе катодного распыления температура поверхности детали не превышает 250 °С. Азотирование ведут при температуре 470-580 °С, рабочем напряжении 400 - 1 100 В, продолжительности процесса 1 - 24 ч.

Ионное азотирование сокращает общую длительность процесса, позволяет получить диффузионный слой регулируемого состава и строения, незначительные деформации и обладает большой экономичностью.

25. Скольжение и переползание дислокаций, образование субзерен при полигонизации.

Полигонизация - это процесс перестройки структуры деформированного металла, который приводит к появлению блоков внутри зерна или субзерен.

В процессе вылеживания кристалл разбился на отдельные частицы, которые относительно друг друга способны проскальзывать. Дислокации располагаются хаотически по хаотически по

Рис. 87. Схема процесса полигоннзации:

а — хаотическое размещение дислокаций после деформации; б — стенки из дислокаций после полигонизации

плоскостям скольжения. Дислокационные стенки - экстраплоскости выстраиваются определенным образом. Это собранные в группы дислокации в определенной последовательности.

Эти стенки очищают кристалл от дислокаций, атомные плоскости начинают выпрямляться, что приводит к возникновению новых стенок, имеющих вид малоугловых границ. Блоки отделяют части одного и того же зерна, имеющих невысокую плотность дислокаций.

В дальнейшем при анализе поликристаллов было обнаружено, что процесс полигонизации идет во всех зернах, при этом образуется «мозаика» из блоков. Внутри блока высокоугловая граница, которая мало изменяется И угол составляет до 30°. Граница между блоками отделяет плоскости, а угол между плоскостями 1 - 2° (.малоугловая граница).

Полигонизация сопровождается скольжением и переползанием дислокаций. Переползание - это переход дислокаций из одной плоскости скольжения в другую засчет перехода межузельного атома под дислокацию.

Полигонизация - это образование субзерен, разделенных малоугловыми границами, путем перераспределения дислокаций (скольжение и переползание). Переползание - процесс зависит от скорости диффузии.

26. Собирательная рекристаллизация.

Собирательная рекристаллизация - вторая стадия рекристаллизацион-ного процесса - заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. Рост зерен объясняется тем, что при наличии большого количества мелких зерен их общая поверхность очень велика, и поэтому металл обладает большим запасом поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.

Особенность собирательной рекристаллизации заключается в том. что рост происходит не в результате слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, «поедая» их вследствие перехода атомов через границы раздела зерно на одном участке может расти за счет соседнего зерна, а на другом участке может поглощаться другим, соседним с ним зерном. Процессы собирательной рекристаллизации могут совершаться и до полного завершения первичной рекристаллизации.

Собирательная рекристаллизация - процесс роста одних зерен данной фазы за счет других при практически равной объемной энергии, совершающийся миграцией границ под влиянием неуравновешенности сил зер-нограничного натяжения в тройных стыках и кривизны границ в направлении уменьшения неуравновешенности и кривизны.

Под действием неуравновешенности стыки мигрируют в направлении приближения углов в стыках к 120е, а границы мигрируют к своим центрам кривизны.

В результате собирательной рекристаллизации происходит статистически однородное укрупнение зерен. Кривая распределения зерен но размерам смещается в сторону более крупных зерен, не меняя своего характера.

27. Способы уменьшения окисления и обезуглероживания при нагреве металла.

 Для того чтобы избежать окисления и обезуглераживания стальных деталей при нагреве, рабочее пространство современных терм.печей заполняют специальными защитными газовыми средами или нагревательную камеру вакуумируют.Чаще всего используют контролируемые атмосферы; могут быть составлены из инертных газов (аргон, гелий, азот).Эндогазы(эндотермические атм.)получ.при сжигании метана или жидк. Углеводородов в пресутствие катализатора (Pt,Ni). Точка россы этих газов от –20 до +20, точка росы – температура при которой происходит конденсация паров воды в атмосфере данного состава. Контролируемая отмосфера характеризуется углеродным потенциалом – концентрация углерода стали которая находится в равновесии с данным составом с атмосферой. Углеродный потенциал повышают добавлением СН4. эндогаз используют для обработки низко и среднеуглеродистых сталей, газовой и нитроцементации при этом добовляют азотосодержащие метан и аммиак. Экзогазы использ. При т.о. углеродистых сталей, поскольку эти атмосферы имеют меньшую стоим., чем эндогазы.

Аммиачные атмосферы получают путем разложения аммиака в присутствии катализатора (никелевые губки). Используют для безокислительного нагрева хромистой стали.

28. Текстуры прокатки ГЦК - металлов типа латуни {110} (112) и типа меди {112}<111>.

Надо отметить, что существуют металлы, текстуры которых хорошо описываются текстурой типа (110) [112], например сплав Си - 30 % Zn. Другими металлами и сплавами с текстурами прокатки типа латуни являются серебро (если оно прокатано при или ниже комнатной температуре) и различные твердые растворы замещения. Прокатка при низких температурах определяет изменение типа текстуры при меньших концентрациях растворенного вещества, например, текстура в сплаве Си - 5 % Zn становится текстурой типа латуни, если этот сплав прокатать при - 183 °С. Текстура типа латуни, хотя и характеризует серебро, прокатанное при комнатной температуре, заменяется текстурой типа меди при прокатке серебра при 200 °С (для компонента текстуры, соответствующей нерекристаллизованной доли материала в листе). Ху с сотрудниками обнаружил корреляцию между различными типами текстур серебра и плотностью дефектов упаковки после прокатки при разных температурах. В серебре, прокатанном при комнатной температуре, получена текстура типа латуни, которую связывают с высокими значениями плотности дефектов упаковки или вообще с высокой плотностью дислокаций (или с обоими параметрами тонкой структуры сразу). Эта текстура постепенно изменяется на текстуру типа меди при повышении температуры прокатки и уменьшении плотности дефектов упаковки или плотности дислокаций.

Аналогичное изменение типа текстуры наблюдается в холоднокатаной меди. Обычная текстура типа меди, полученная при комнатной температуре, заменяется постепенно текстурой типа латуни, когда температуры прокатки уменьшаются в интервале от -80 до -200 °С при соответствующем повышении плотности дефектов упаковки в прокатанном металле. Энергия дефектов упаковки, как известно из электронно-микроскопических исследований ряда г.ц.к. металлов, возрастает с увеличением температуры, что обусловливает более легкое поперечное скольжение при высоких температурах.

29. Температура начала рекристаллизации и влияние состава сплава на ее величину.

Температура начала рекристаллизации.

Температура появления рекристадлнзованных зерен, т. е. температура начала рекристаллизации, не является физической константой такой как точка плавления или модуль упругости. В отличие от температуры фазового равновесия температура начала рекристаллизации зависит от времени отжига.

Важный фактор, сильно влияющий на температуру начала рекристаллизации - степень деформации при обработке давлением. С увеличением степени деформации температура начала рекристаллизации снижается. Объясняется это тем, что с увеличением степени деформации растут плотность дислокации и энергия, накопленная при деформации, т. е. возрастает термодинамический стимул - рекристаллизации. Кроме того, с увеличением степени деформаций растет концентрация вакансий, что также способствует зарождению центров рекристаллизации при более низких температурах. По правилу А.А. Бочвара рекристаллизация начинается при температуре, составляющей одинаковую для всех металлов долю от температуры плавления: Тп.р. =(0,3-0,4 )ТПЛ . а для особо чистых металлов:

Тп.р. =(0,25-0,3)ТПЛ

.

Влияние состава сплав а на температуру начала рекристаллизации.

Температура начала рекристаллизации сплава зависит от природы легирующего элемента и его концентрации.

Даже в однофазной области твердых растворов в двойных системах зависимость температуры начала рекристаллизации от состава имеет немонотонный характер. Только в области малых концентраций наблюдается простая закономерность - малые добавки и примеси почти всегда повышают температуру начала рекристаллизации, причем с увеличением их концентрации температура начала рекристаллизации возрастает с затуханием. Атомы добавки или примеси упруго притягиваются к дислокациям, образуя атмосферы Коттрелла. Эти примесные атмосферы мешают перераспределению дислокаций, необходимому для формирования центров рекристаллизации. Примеси тормозят не только зарождение, но и рост центров рекристаллизации, так как они притягиваются к границе зародыша. При нагреве металла до более высоких температур примесные атмосферы размываются усиливающимся тепловым движением, в результате чего становится (возможным формирование центров рекристаллизации и облегчается их -рост. С увеличением концентрации чужеродных атомов участки вблизи дислокаций насыщаются ими. и поэтому возрастание температуры начала рекристаллизации затухает.

30. Термообработка чугунов.

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 %С и затвердевающие с образованием эвтектики. В зависимости от того в какой форме присутствуетуглерод в сплавах, различают белый, серый, высокопрочные чугуны, чугуны с вермикулярным графитом и ковкий чугуны. Отливки из серого чугуна подвергают то. Используют н. отжиг (≈560ºС) для снятия вн.напряж.стабилизации размеров, нормализ. И закалку с отпускомдля повышения мех. сво-в и износостойк. Для улучшения мех.сво-в примен. ТО отливок высокопрочного чугуна: зак. + отпуск при500-600ºС; отжиг способствует сфероидизации перлита, для увеличения пластичн.Для ковкого Ч.проводят продолжительный (20-25 ч) при 950-1000ºС дорогостоющий отжиг.

«Технология и металловедение покрытий»

1. Технология электроосаждения покрытий.

Любой гальванический процесс представляет собой целый комплекс операций. Основные операции технологического цикла: подготовка поверхности основного металла; нанесение гальванического покрытия; обработка гальванических покрытий.

Подготовка поверхности основного металла к покрытию является наиболее трудоемкой операцией, от которой зависит качество полученных покрытий. При наличии на поверхности деталей даже тонкой жировой или окисной пленки покрытие будет плохо соединяться с поверхностью основного металла, т. е. могут образовываться пузыри и вздутия. Некачественная подготовка поверхности особенно заметна при нанесении защитно-декоративных покрытий. Даже небольшие загрязнения могут служить причиной дефекта. Особенно вредны органические загрязнения, способные включаться в поверхность деталей. Эти загрязнения являются причиной различных дефектов покрытий (пузыри, отслоения и др.). Прочность сцепления покрытий значительно зависит от шероховатости поверхности. Чем ниже шероховатость поверхности основного металла, тем качественнее покрытия (меньше пористость и выше защитные свойства).

В зависимости от назначения покрытий подготовку поверхности основного металла проводят по-разному. Например, перед нанесением защитных гальванических покрытий (цинковых, кадмиевых) подготовка поверхности сводится в основном к обезжириванию и травлению. Перед нанесением защитно-декоративных покрытий (никелевых, хромовых) недостаточно только удаления жиров и окислов, а необходима тщательная механическая обработка для получения гладкой поверхности, так как в процессе нанесения защитно-декоративных покрытий дефекты поверхности не только не исчезают, но часто становятся более рельефными, поскольку плотность тока и толщина на выступах больше, чем в углублениях.

Нанесение гальванического покрытия - осаждение слоя металла на поверхность деталей, а также нанесение оксидной или фосфатной пленки.

При нанесении гальванических покрытий детали завешивают на катодную штангу гальванической ванны, а на анодную - пластины из того металла, которым покрывают детали.

Качество покрытия и его структура зависят от многих факторов. Одним из основных факторов, влияющих на структуру металлического покрытия, является состав электролита. Для получения гладких, плотных и мелкокристаллических осадков в электролиты, содержащие простые соли, вводят различные органические соединения. Электролиты для получения блестящих покрытий содержат особые добавки, которые называют блескообразо-вателями. На структуру металлического покрытия в большой степени влияет режим электроосаждения.

Повышение температуры электролита увеличивает электропроводность, уменьшает солевую пассивацию анодов, позволяет работать с большей плотностью тока. Однако повышение температуры электролита ведет к образованию крупнокристаллических осадков. Для ускорения процесса нанесения гальванических покрытий электролит перемешивают, что позволяет работать с большей плотностью тока.

Периодическое изменение направления тока (реверсирование) улучшает структуру осадка. Покрытие, получаемое таким методом, имеет мелкокристаллическую гладкую структуру вследствие периодического анодного растворения микровыступов катодного покрытия.

К операциям обработки гальванических покрытий относят: осветление, пассивирование, промасливание, нанесение лакокрасочных покрытий, обез-водороживание, обработку серебряных покрытий от потускнения.

При обработке цинковых и кадмиевых покрытий для повышения коррозионной стойкости и улучшения внешнего вида применяют осветление и пассивирование этих покрытий. Пассивирование заключается в погружении деталей в пассивирующий раствор с образованием пассивной пленки толщиной 0,5 - 1 мкм.

Повышение защитных свойств окисных покрытий на сталях, меди и ее сплавах осуществляют дополнительной пропиткой их маслами.

Для окисных, цинковых, кадмиевых покрытий на стали, с целью повышения коррозионной стойкости, в некоторых случаях целесообразно нанесение на эти покрытия лакокрасочных материалов.

Обезводороживание применяется для пружин и деталей, которые после нанесения покрытия подвергаются механическим деформациям. Обезводороживание заключается в термической обработке при температуре (190±10) °С в течение 2 ч.

Кроме основных операций в технологический процесс нанесения гальванических покрытий входят и вспомогательные операции, например промывка и сушка.

Промывку осуществляют между отдельными подготовительными операциями (обезжиривание, травление, активирование) для предотвращения переноса компонентов раствора из одной ванны в другую на деталях и подвесках. Детали промывают после нанесения покрытия для удаления с них и подвесок остатков электролита, а также после операций осветления и пассивирования.

После нанесения покрытий и окончательной промывки теплой водой детали сушат. Быстрая и качественная сушка препятствует возникновению на поверхности покрытия пятен и полос. Особенно это важно при сушке пассивированных цинковых и кадмиевых покрытий. При сушке из щелей и углублений удаляется влага, которая может быть причиной последующей коррозии.

2. Нанесение лакокрасочных покрытий.

С развитием техники количество методов нанесения лакокрасочных материалов увеличилось, однако наибольшим распространением все еще пользуется окраска кистью, распылением и окунанием. Выбор метода нанесения может быть обусловлен свойствами лакокрасочных материалов, хотя многие из них можно наносить различными методами, не изменяя их состав или меняя лишь добавляемый разбавитель.

Нанесение лакокрасочных материалов кистью.

Нанесение лакокрасочных материалов кистью является старейшим методом, применявшимся в течение многих тысячелетий и, несмотря на это, практически не претерпевшим изменений. В настоящее время этот метод использутся в основном при декоративной окраске зданий и для ремонтных работ. Лучшим материалом для изготовления кистей является свиная щетина, обладающая от природы естественной конусообразной формой и «флажком», что позволяет квалифицированному маляру получать покрытие высокого качества.

Нанесение валиком.

Нанесение лакокрасочных материалов вручную валиком известно давно и запатентовано в Англии еще в 1882 г. С тех пор появилось много новых патентов, особенно в США, где валики применяются преимущественно при нанесении строительных и ремонтных покрытий.

Конструкции большинства современных валиков взяты из американских патентов. Рабочую поверхность этих валиков покрывают различными материалами, например коротковорсной шерстяной «ковровой» тканью, длинноворсной «овечьей шерстью» или губкой из пенопласта.

Нанесение лакокрасочного материала валиком требует большей затраты времени, чем окраска распылением, но все же меньшей, чем нанесение кистью, особенно при окраске шероховатых поверхностей. С помощью этого способа удается получать покрытия хорошего качества даже при низкой квалификации рабочих.

Плоские изделия, имеющие форму листа или полосы, можно окрашивать с помощью механических валков.

Нанесение лакокрасочных материалов распылением.

При распылении краски происходит ее дробление с образованием факела конической формы, который направляют на окрашиваемую поверхность. Дробление краски может происходить под влиянием различных сил, чаще всего давления сжатого газа. Цвет окраска производится вручную или с помощью автоматического устройства. Краскораспылители имеют жидкостную форсунку среднего давления, которое регулируется прилагаемым усилием и подачей краски в соответствии с формой факела и размерами распыленных частиц краски.

Методом распыления можно быстро наносить покрытия па изделия сложной формы. Однако при этом не вся краска попадает на окрашиваемую поверхность: частично она теряется в виде тумана и частично отражается от поверхности изделия.

Нанесение лакокрасочных материалов окунанием.

Во многих случаях изделия могут быть окрашены путем погружения в ванну с краской. Подвески должны иметь форму, обеспечивающую после извлечения изделий из ванны беспрепятственное стекание краски без образования воздушных мешков. Изделия с острыми кромками, внутренними полостями и выемками окрашивать окунанием не рекомендуется. Метод является экономичным вследствие малых потерь краски и незначительной трудоемкости.

Метод окунания в основном применяют для нанесения подготовительных слоев и получения однослойных покрытий на изделиях; для которых допускается некоторая разнотолщинность пленки обусловленная стеканием краски с вертикальных поверхностен. В простейшем случае изделия окунают вручную, давая затем избытку краски стечь в ванну; краску в ванне время от времени перемешивают веслом.

3. Методы вакуумного и плазменного нанесения покрытий.

Плазменное напыление.

1) Оборудование и материалы для напыления

Оборудование для плазменного напыления принято подразделять на основное и вспомогательное. Основным оборудованием принято считать собственно установку, а к вспомогательному относят устройство для перемещения напыляемого изделия относительно распылителя или наоборот (манипулятор), оборудование для подготовки, рассева по фракциям, сушки и хранения порошка, оборудование для подготовки поверхности изделия к напылению и т.д.

В качестве исходных материалов при плазменном напылении обычно используют проволоку диаметром 0,8 - 1,2 мм или порошок грануляцией 40 - 100 мкм. Для получения качественных покрытий порошок должен иметь небольшой разброс по грануляции. Такие порошки получают путем рассева на ситах.

2) Формирование покрытия

В процессе газотермического напыления можно выделить два основных этапа: нагрев, ускорение и перенос частиц распыляемого материала к покрываемой поверхности (основе); осаждение частиц на поверхности основы и формирование слоя и системы покрытие - основа.

При распылении порошковых материалов нагрев и перенос частиц совмещены во времени. При распылении проволоки переносу предшествует нагрев до расплавления - ускорение и перенос начинаются с момента отрыва капель расплава с конца проволоки.

Параллельно развиваются процессы их взаимодействия с окружающей средой, приводящие к окислению, газонасыщению и частичной диссоциации материала распыляемых частиц. Следовательно, на этом этапе закладывается уровень прочностных и эксплуатационных характеристик покрытий, поскольку на этом этапе, с одной стороны частицы накапливают запас тепловой и кинетической энергии (термический и кинетический фактор), а с другой, - происходит металлургический передел распыляемого материала в материал, из которого собственно формируется покрытие.

На втором этапе можно выделить две стадии. На первой стадии на контактных поверхностях осаждаемых частиц и основы (ранее напыленного слоя) развиваются процессы образования соединения частиц с основой. На второй стадии в процессе кристаллизации частиц и охлаждения нанесенного слоя в 'образующейся системе покрытие - основа протекают процессы объемного взаимодействия и формируются остаточные напряжения.

Получение покрытий в вакууме.

Методы получения покрытий в вакууме принято разделять на термические, газофазные и ионно-плазменные.

Термические методы основаны на конденсации молекулярных и атомарных пучков материала, получаемых в результате резистивного, электронно-лучевого или лазерного нагрева. Эти методы в современной литературе также называются методами осаждения из паровой фазы и методами молекулярных пучков. Продукты испарения, состоящие из атомов, молекул и микрокапельной фазы, изотропно разлетаются над поверхностью мишени и, попадая на поверхность детали, конденсируются, В силу тепловой природы процесса испарения энергия конденсирующихся частиц не превышает 0,3 эВ, а степень ионизации продукта испарения практически равна нулю. Возможности метода ограничены низкими и нерегулярными энергиями конденсирующихся частиц, что в ряде случаев определяет низкую прочность сцепления конденсата с поверхностью основы. Необходимую структуру и физико-механические свойства покрытий) получают путем изменения температуры основы, скорости конденсации пара (степени пересыщения) и степени вакуума.

Этими методами можно получать покрытия из металлов, неметаллов. полупроводников и других соединений. Однако низкая прочность сцепления покрытия с основой, невысокая стабильность свойств покрытия и необходимость нагрева основы до температуры не ниже (0,3 - 0,5) температуры плавления покрытия ограничивает применение этих методов в машиностроении и делает их практически непригодными дня получения оксидов, карбидов, нитридов и других соединений.

4. Классификация методов нанесения.

Существующие методы получения покрытий целесообразно классифицировать исходя из физической сущности процессов, лежащих в их основе и определяющих физико-механические и эксплуатационные свойства покрытий.

  1.  По состоянию вещества для получения покрытий (твердое, жидкое, атомарное и ионизированное).
  2.  По способу получения вещества для нанесения покрытий (плазмен ный и термический нагрев, термическое испарение, катодное распыление, дуговое испарение, плазменная ионизация атомарной компоненты и так далее).
  3.  По составу транспортной, защитной или реакционной атмосферы (неконтролируемая, динамический вакуум, вакуум, инертный газ, плазма, реакционный газ).
  4.  По способу активации процесса формирования покрытий (термиче ский, кинетический, плазменный, ионная бомбардировка, электронная и фотонная стимуляция).
  5.  По характеру процессов, протекающих в зоне формирования покры тий (кристаллизация, рекристаллизация, физическая конденсация, химиче ские реакции, плазмохимические реакции, диффузионное насыщение, гомо генные и гетерогенные поверхностные реакции).

Наличие такого большого числа классификационных признаков для способов получения покрытий связано с большим разнообразием методов напыления покрытий и с существенной зависимостью свойств покрытий от этих методов.


5. Предварительная обработка поверхности перед нанесением покрытия.

Существует несколько видов подготовки поверхности перед нанесением покрытия.

Механическая подготовка - процесс удаления с поверхности деталей неровностей, царапин и других дефектов, а в случае необходимости придания деталям блестящей поверхности. Наиболее распространены два вида механической обработки поверхности изделий: шлифование; полирование.

Шлифование - механический процесс обработки до получения ровной и гладкой поверхности, когда при помощи мелких зерен абразивных материалов с поверхности снимают тонкую стружку. Различают грубое шлифование и тонкое (декоративное) шлифование.. При шлифовании с детали снимают слой металла, толщина которого колеблется от 0,05 до 0.5 мм, а в некоторых случаях до 1 мм. Детали с окалиной, ржавчиной или жировыми загрязнениями сначала подвергают соответствующей химической или электрохимической обработке.

Полирование - процесс получения блестящей зеркальной поверхности сглаживанием мельчайших неровностей предварительно шлифованной поверхности деталей в сочетании с химически активными материалами, воздействующими на поверхность. Полирование выполняют эластичными кругами различной конструкции, изготовленными из бязи, байки, фланели, шелка, кожи, фетра, войлока, синтетических материалов. Для шлифования и полирования используются обычно следующие абразивные материалы: карбид кремния, корунд, наждак, кварц, трепел (кремнезем в виде сохранившихся скелетов микроскопических водорослей), кремнезем, крокус, известь, окись хрома, венская известь.

Крацевание - процесс обработки поверхности деталей, применяемый для очистки стальных изделий от остатков окалины после травления, травильного шлама, ржавчины, а также для снятия заусенцев. Крацевание способствует равномерному распределению гальванических осадков и улучшает их физические свойства.

Гидроабразивная обработка - операция очистки поверхности деталей струей суспензии, состоящей из воды и абразивных материалов.

Химическая и электрохимическая подготовка.

Обезжиривание - процесс удаления жировых загрязнений с поверхности деталей. Известно, что любые пленки жировые, оксидные и др., создавая «барьер» на чистой поверхности металла или другого материала, препятствуют прочному сцеплению покрытий. Подготовка поверхности складывается из двух этапов: создания необходимой структуры поверхности и обеспечения надлежащей ей чистоты. Вещества, подлежащие удалению с поверхности, делят на 3 группы: Жиры, Оксиды, Случайные загрязнения (например, песок).

Известны следующие растворители: ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол, сольвент); нефтяные растворители (бензин, керосин, уайт-спирит, петролейный эфир); кетоны (ацетон, циклогексанон); эфиры (этилцеллозольв, этилацетат, бутилацетат); спирты (метиловый спирт, циклогексанон, этиленгликоль).

Электрохимическое обезжиривание проводят в тех случаях, когда необходимо удалить незначительные жировые загрязнения, оставшиеся после других видов обезжиривания, следов от захвата руками. Процесс ведут на катоде, а для черных металлов, предотвращая наводороживание. перед окончанием процесса меняют полярность. То есть делают деталь анодом. Плотность тока везде 4-10 А/дм2, продолжительность процесса на катоде 3-10 мин, на аноде - 1-3 мин, температура 60-80 °С. В качестве анодов при электрохимическом обезжиривании применяют никель, сталь 12X18Н9Т, углеродистую сталь.

Травление - процесс удаления окалины, ржавчины и окислов с поверхности металлических деталей при помощи кислых или щелочных растворов. При травлении происходит также выявление структуры основного металла. Травление можно осуществлять химическим и электрохимическим способами. Оксиды удаляют обычно кислотной обработкой. С этой целью применяют для черных металлов 10-20 % НСl и 20-40 % H2SO4. Процесс ведут при повышенной температуре: для НС1 - 30-40 "С, H2SO4 - 50-60 °С. Травильные растворы для меди и ее сплавов содержат азотную кислоту. Алюминий и его сплавы часто подвергают щелочному травлению в 5-10 % NaOH с добавкой 0.5 г/л сульфанола.

Заключительной операцией подготовки поверхности является активирование - процесс удаления химическим или электрохимическим способом тончайших пленок оксидов, образующихся на поверхности деталей, перед загрузкой их в гальваническую ванну или при временном хранении и транспортировке. В процессе активации поверхность металла слегка подтравливается, благодаря чему выявляется кристаллическая решетка. После активирования поверхность быстро и тщательно промывают в воде. Для химической обработки используют 3-5 % H2SO4 или НС1 для сталей, для медных сплавов - 5-10 % H2SO4.

 6. Последующая обработка гальванопокрытий.

К операциям обработки гальванических покрытий относят: осветление, пассивирование, промасливание, нанесение лакокрасочных покрытий, обез-водороживание, обработку серебряных покрытий от потускнения.

При обработке цинковых и кадмиевых покрытий для повышения коррозионной стойкости и улучшения внешнего вида применяют осветление и пассивирование этих покрытий. Пассивирование заключается в погружении деталей в пассивирующий раствор с образованием пассивной пленки толщиной 0.5 - 1 мкм.

Повышение защитных свойств окисных покрытий на сталях, меди и ее сплавах осуществляют дополнительной пропиткой их маслами (например, веретенным марки АУ).

Для окисных, цинковых, кадмиевых покрытий на стали, с целью повышения коррозионной стойкости, в некоторых случаях целесообразно нанесение на эти покрытия лакокрасочных материалов.

Обезводороживание применяется для пружин и деталей, которые после нанесения покрытия подвергаются механическим деформациям. Обезводороживание заключается в термической обработке при температуре (190±10)°С в течение 2 ч.

Кроме основных операций в технологический процесс нанесения гальванических покрытий входят и вспомогательные операции, например промывка и сушка.

Промывку осуществляют между отдельными подготовительными операциями (обезжиривание, травление, активирование) для предотвращения переноса компонентов раствора из одной ванны в другую на деталях и подвесках. Детали промывают после нанесения покрытия для удаления с них и подвесок остатков электролита, а также после операций осветления и пассивирования.

После нанесения покрытий и окончательной промывки теплой водой детали сушат. Быстрая и качественная сушка препятствует возникновению на поверхности покрытия пятен и полос. Особенно это важно при сушке пассивированных цинковых и кадмиевых покрытий. При сушке из щелей и углублений удаляется влага, которая может быть причиной последующей коррозии. Сушка проводится с помощью сильного потока сухого и подогретого (до температуры 50 - 60°С) воздуха или инфракрасного излучения.


7. Выбор электролита и режимов осаждения гальванопокрытий.

Выбор электролита осуществляется по четырем основным параметрам:

1) Рассеивающая способность. Одним из основных требований, предъ являемых к качеству гальванических покрытий, является равномерность распределения осадка металла, т. е. одинаковая толщина слоя покрытия по всей поверхности покрываемых изделий. Толщина покрытия определяется по формуле, однако в действительности она никогда не бывает одинаковой по всей поверхности, и расчет по формуле дает представление лишь о сред ней толщине осадка. Обычно толщина покрытия на краях и в углах гораздо больше, чем на средней части поверхности катода, причем степень нерав номерности зависит от многих факторов, в том числе от природы электро лита и осаждаемого металла, а также от режима электролиза. Способность электролита давать равномерные по толщине покрытия на катодах сложной формы характеризуется величиной, которая называется рассеивающей спо собностью ванны.

Наибольшей рассеивающей способностью обладают цианистые электролиты и щелочной электролит лужения, а наименьшей - хромовый электролит.

  1.  Экологичность. Традиционное гальваническое производство потреб ляет большое количество материальных ресурсов и приводит к образова нию весьма значительных отходов, отводимых в основном со сточными водами, что представляет серьезную опасность для окружающей природной среды. Отработанные гальванические растворы и промывные воды пред ставляют собой один из наиболее загрязненных и токсичных стоков, содер жащий различные кислоты, щелочи, соли, ионы цветных металлов, хрома- ты, цианиды, различные органические поверхностно-активные вещества (ПАВ) и др. Сточные воды гальванических производств, содержащие ток сичные соединения, подвергаются обезвреживанию на очистных сооруже ниях. При этом в большинстве случаев используются реагентные методы (нейтрализация, осаждение тяжелых металлов в виде гидроксидов, карбона тов, сульфидов и др.).
  2.  Стоимость электролитического покрытия должна быть минимальной.
  3.  Производительность электролита. Производительность электролита зависит от многих факторов. Основными являются параметры электролити ческих процессов.

Основным параметром, характеризующим процесс электролиза, является плотность тока на катоде Dk. или на аноде Dа , представляющая собой

отношение силы тока к площади электрода. Плотность тока выражают в амперах на квадратный метр (в данном справочнике применен ампер на квадратный дециметр как наиболее употребительная единица).

В соответствии с законом Фарадея количество вещества, выделившегося на катоде или растворившегося на аноде, прямо пропорционально количеству прошедшего через раствор электричества.

 8. Основные технологические процессы хромировании.

1) Подготовка деталей.

Подготовка деталей перед хромированием состоит из следующих последовательно выполняемых операций: механическая обработка поверхности (шлифование или полирование); предварительное обезжиривание для удаления основной части органических загрязнений по общепринятой технологии путем промывки органическими растворителями или обработки в горячем растворе щелочи, или в моющих растворах; заделка отверстий и изоляция участков, не подлежащих хромированию; монтаж деталей на подвески; обезжиривание; промывка в воде; активирование; подвешивание деталей в ванну.

Операция активирования может выполняться в ряде случаев после подвешивания деталей в ванну.

Механическая обработка. Поверхность деталей перед защитно-декоративным покрытием хромом должна быть тщательно отполировано обычно применяемыми и гальванических цехах методами. Размер новых деталей перед покрытием занижается на величину слоя покрытия, предназначенного для повышения износостойкости деталей.

Изоляция поверхности. Хромирование деталей с открытыми отверстиями часто приводит к тому, что участки поверхности вокруг отверстий остаются не покрытыми хромом. Избежать этого можно путем заполнения отверстий каким-либо стойким в электролите материалом - свинцом, текстолитом и другим - или тщательной изоляцией лаком поверхности глухих отверстий.

Участки детали, не подлежащие хромированию, а также подвески (за исключением мест контактов) должны быть изолированы. Особенно тщательно эта изоляция должна быть выполнена для хромирования в электролитах, содержащих кремнефториды.

Монтаж деталей на подвески. Подвески или приспособления предназначены для надежного подвода тока к хромируемой детали и должны способствовать равномерному распределению тока по хромируемой поверхности. Надежность контактов при хромировании имеет большое значение, так как через них должны проходить значительные токи. Поверхности контактов подвески с деталями должны перед каждым хромированием тщательно очищаться.

Обезжиривание. При декоративном хромировании по подслою производится электролитическое обезжиривание по обычной технологии. Детали, подлежащие износостойкому хромированию, также могут обезжириваться электролитически, кроме деталей из высокопрочных сталей, для которых допустимо только химическое обезжиривание Если после предварительного обезжиривания или последующих операций деталь имеет значительные загрязнения, то она может обезжириваться повторно в горячем щелочном растворе или путем протирки хромируемой поверхности кашицей из венской извести.

Активирование. Перед хромированием стальные и чугунные детали подвергаются анодному активированию в хромовом электролите при температуре, соответствующей процессу хромирования. После анодного активирования промывка водой не производится, поэтому в ряде случаев износостойкого хромирования анодное активирование можно производить в хромировочной ванне после прогрева деталей, непосредственно перед хромированием.

2) Хромирование.

Хромируемые детали к началу электролиза должны быть прогреты до температуры электролита. Мелкие детали, загруженные в ванну в небольшом количестве, нагреваются быстро; большие массивные детали нагреваются медленно и охлаждают ванну Стальные и чугунные детали нагреваются в хромовой ванне. Изделия из меди и медных сплавов прогревают в горячей воде.

Продолжительность хромирования рассчитывается исходя из заданной толщины хрома и скорости его наращивания при выбранном режиме хромирования. Толщина слоя хрома для деталей шлифуемых после хромирования, складывается из толщины рабочего слоя хрома (слои, повышающий износостойкость детали или пополняющий дефектный размер) и припуска на шлифовку. Скорость наращивания хрома определяется для участка с наименьшей плотностью тока. Чем неравномернее покрытие, тем меньше фактическая скорость осаждения хрома относительно рассчитанной по средней плотности тока.

3) Обработка деталей после хромирования.

После хромирования детали промываются в ванне с непроточной водой для улавливания электролита, затем в проточной холодной и горячей воде и сушат. В зависимости от требования к покрытию и основного металла детали после хромирования подвергаются механической, и термической обработке.


9. Основные технологические процессы в никелировании.

1) Подготовка деталей.

Подготовка деталей перед никелированием состоит из следующих последовательно выполняемых операций: механическая обработка поверхности (шлифование или полирование); предварительное обезжиривание для удаления основной части органических загрязнений по общепринятой технологии путем промывки органическими растворителями или обработки в горячем растворе щелочи, или в моющих растворах; заделка отверстий и изоляция участков, не подлежащих никелированию; монтаж деталей на подвески; обезжиривание; промывка в воде; активирование; подвешивание деталей в ванну.

2) Никелирование

Электролиты никелирования содержат три основных компонента: соль никеля, являющуюся источником ионов осаждающегося на катоде металла; соли, способствующие повышению электропроводности растворов и депас-сивации никелевых анодов; буферные соединения, поддерживающие кислотность раствора на определенном уровне.

В электролиты никелирования вводят специальные добавки как неорганического, так и органического происхождения, которые повышают растворимость анодов, предупреждают образование шлама, позволяют получить непосредственно из ванн блестящие осадки с выравниванием поверхности основного металла, предупреждают питтинг, повышают твердость и уменьшают пористость осадков.

Правильное приготовление электролита обеспечивает надежную работу в течение длительного времени. Приготовление электролита никелирования проводится следующим образом. В отдельных емкостях растворяют расчетное количество основных солей и сливают их в специальную ванну для приготовления электролита в следующей последовательности - борная кислота, сульфат никеля, хлорид натрия. Заполняют ванну для приготовления раствора до рабочего уровня, нагревают до 60 - 80 °С и тщательно перемешивают до полного растворения компонентов.

3) Обработка деталей после никелирования.

После никелирования детали промываются в ванне с непроточной водой для улавливания электролита, затем в проточной холодной и горячей воде и сушат. Промывку осуществляют между отдельными подготовительными операциями (обезжиривание, травление, активирование) для предотвращения переноса компонентов раствора из одной ванны в другую на деталях и подвесках. Детали промывают после нанесения покрытия для удаления с них и подвесок остатков электролита, а также после операций осветления и пассивирования. После нанесения покрытий и окончательной промывки теплой водой детали сушат.

10. Основные технологические процессы в цинковании.

1) Подготовка деталей.

Подготовка деталей перед цинкованием состоит из следующих последовательно выполняемых операций: механическая обработка поверхности (шлифование или полирование); предварительное обезжиривание для удаления основной части органических загрязнений по общепринятой технологии путем промывки органическими растворителями или обработки в горячем растворе щелочи, или в моющих растворах; заделка отверстий и изоляция участков, не подлежащих цинкованию; монтаж деталей на подвески; обезжиривание; промывка в воде; активирование; подвешивание деталей в ванну.

2) Цинкование

Для цинкования используются различного типа электролиты - кислые, цианистые, аммиакатные, цинкатные, пирофосфатные. Электролит следует корректировать не реже двух раз в месяц по данным химического анализа на содержание окиси цинка, цианистого натрия и едкого натра.

3) Обработка деталей после цинкования.

После цинкования детали промываются в ванне с непроточной водой для улавливания электролита, затем в проточной холодной и горячей воде и сушат. Промывку осуществляют между отдельными подготовительнььми операциями (обезжиривание, травление, активирование) для предотвращения переноса компонентов раствора из одной ванны в другую на деталях и подвесках. Детали промывают после нанесения покрытия для удаления с них и подвесок остатков электролита, а также после операций осветления и пассивирования. После нанесения покрытий и окончательной промывки теплой водой детали сушат. 11. Основные технологические процессы в меднении.

1) Подготовка деталей.

Подготовка деталей перед меднением состоит из следующих последовательно выполняемых операций: механическая обработка поверхности (шлифование или полирование); предварительное обезжиривание для удаления основной части органических загрязнений по общепринятой технологии путем промывки органическими растворителями или обработки в горячем растворе щелочи, или в моющих растворах; заделка отверстий и изоляция участков, не подлежащих меднению монтаж деталей на подвески; обезжиривание; промывка в воде; активирование; подвешивание деталей в ванну.

2) Меднение

Существующие электролиты меднения разделяются по своему составу не щелочные и кислые. К щелочным относятся цианистые, железистосине-родистые и пирофосфатные электролиты. Основными достоинствами щелочных и, в частности, цианистых электролитов являются высокая рассеивающая способность (более 60%), мелкокристалличность покрытий и возможность непосредственного осаждения меди на сталь.

Из кислых электролитов наиболее широко применяемыми являются сернокислый и борфтористоводородный. Они характеризуются простотой состава, устойчивостью в эксплуатации, но обладают низкой рассеивающей способностью и невозможностью непосредственного меднения стали вследствие выпадения контактной меди.

Электролит перемешивают сжатым воздухом или механической мешалкой. Аноды медные. Корректировку электролита производят углекислой медью и борфтористоводородной кислотой.

Для получения гладких и блестящих покрытий в сернокислый электролит вводят блескообразователи.

3) Обработка деталей после меднения.

После меднения детали промываются в ванне с непроточной водой для улавливания электролита, затем в проточной холодной и горячей воде и сушат. Промывку осуществляют между отдельными подготовительными операциями (обезжиривание, травление, активирование) для предотвращения переноса компонентов раствора из одной ванны в другую на деталях и подвесках. Детали промывают после нанесения покрытия для удаления с них и подвесок остатков электролита, а также после операций осветления и пассивирования. После нанесения покрытий и окончательной промывки теплой водой детали сушат.

12. Основы получения равномерных гальванопокрытий.

Основным методом достижения равномерности покрытия является борьба с краевым эффектом, т. е. с концентрацией тока на краях и выступах детали. Причина краевого эффекта в том, что к выступам и краям поверхности ток идет не только по кратчайшему пути, но и дополнительно через весь объем электролита. Чем больше межэлектродное расстояние, тем большая часть тока отвлекается в объем электролита и тем больше неравномерность покрытия из-за краевого эффекта. Краевой эффект на катоде, занимающем все поперечное сечение электролита, отсутствует, если стенки и дно ванны не проводят электрический ток.

Расположение деталей и анодов в ванне.

При одинаковом межэлектродном расстоянии на всех участках хромируемой поверхности соотношение между током, протекающим по кратчайшему расстоянию между катодом и анодом (создающим равномерное покрытие), и током, распространяющимся во всем объеме электролита (создающим краевой эффект), зависит как от межэлектродного расстояния, так и от положения детали относительно анода и уровня электролита. Положение детали в ванне важно при покрытии наружных поверхностей и не влияет на покрытие внутренних цилиндрических поверхностей, если оно производится в правильно сконструированном анодно-катодном приспособлении.

На распределение тока в электролите большое влияние могут оказать стенки ванны, выложенной свинцом. Это влияние проявляется в часто встречающихся случаях, когда через стенки и дно ванны проходит ток от анодов, расположенных вдоль стенок, к деталям. Дно ванны в данном случае является анодом, создающим также дополнительный ток на нижние поверхности детали. Таким непредусмотренным анодом может быть также любой участок внутренней обкладки ванны, расположенный далеко от основных анодов, если эти аноды находятся близко от обкладки в других местах ванны. Влияние стенок ванны можно устранить путем выкладывания се материалом с высоким электрическим сопротивлением (винипластом, стеклом и др.).

Защитные катоды.

Действенным методом устранения краевого эффекта является применение защитных катодов около участков с повышенной концентрацией тока. Защитный катод - это проводник, соединенный электрически с хромируемой деталью и обычно укрепленный на детали таким образом, чтобы отвлечь от краев хромируемой поверхности на себя избыточный ток. Степень отвлекающего действия защитного катода регулируется его расстоянием от хромируемой поверхности, формой и размерами.


13. Основные характеристики процесса электроосаждения покрытий.

Плотность тока. Основным параметром, характеризующим процесс электролиза, является плотность тока на катоде Dk. или на аноде Dа , представляющая собой отношение силы тока к площади электрода. Плотность тока выражают в амперах на квадратный метр

В соответствии с законом Фарадея количество вещества, выделившегося на катоде или растворившегося на аноде, прямо пропорционально количеству прошедшего через раствор электричества. Количество электричества может быть выражено числом кулонов (1 Кл = 1 А-1 с). Для выделения на катоде одного грамм-эквивалента любого вещества необходимо пропускать через электролит 96 500 Кл, или 96,5 кКл.

Количество вещества, которое выделяется при прохождении через электролит единицы количества электричества, называют электрохимическим эквивалентом.

Выход по току. На катоде кроме осаждения металла происходят побочные процессы, к которым относятся: выделение водорода, восстановление металлов до более низкой валентности (Fe3+ до Fe2+), а также восстановление органических веществ, попавших в электролит. В результате этого суммарное количество электричества, затрачиваемое на выделение вещества, превышает количество электричества, рассчитанное по закону Фарадея.

Это явление характеризуется коэффициентом полезного использования тока, или выходом по току, который определяется отношением:

где qT и qП - количества электричества, теоретически (по закону Фарадея) и практически расходуемые на единицу продукта соответственно; тф и mТ - количества вещества, фактически и теоретически выделившиеся на электроде соответственно.

В гальванотехнике значение выхода по току определяется отношением количества металла, осажденного на катоде (катодный выход по току) или растворившегося на аноде (анодный выход по току), к количеству металла, рассчитанному по закону Фарадея.

14. Оборудование гальванических цехов.

Подготовка поверхности деталей перед нанесением покрытий заключается в удалении с поверхности продуктов коррозии, окалины, жировых загрязнений, а также в устранении царапин, забоин и других дефектов. Подготовка поверхности производится механическим, химическим или одновременно механическим и химическим способами.

Для шлифовально-полировальных операций, применяющихся при сглаживания поверхности и удалении царапин, рисок, забоин используют двусторонние полировальные станки моделей 3853 или ЗА-852 производства завода шлифовальных станков. Для обработки поверхности деталей абразивными применяют гидроабразивные установки различных типов, в которых пульпа из воды с абразивом подается под давлением 390-490 кПА. Для финишной обработки деталей используются установки подводного полирования и сухой глянцовки в барабанах. Установка состоит из ванны с мыльным раствором и двух барабанов с двумя или тремя отсеками. С целью очистки поверхности деталей от различных жировых загрязнений в парах негорючих растворителей применяют различного вида установки, в которых пары кипящего растворителя, конденсируясь на холодных деталях смывают загрязнения. Для обезжиривания применяют полуавтоматические моечно-сушильные установки типа УПН-2м, в которых можно промывать детали после механической обработки в количестве до 80 кг в час. Ванны для травления в кислотах изготовляются из кислотостойких материалов или из стали, но кислотостойкой футеровкой. Ванны обезжиривания и травления снабжаются вытяжными вентиляционными устройствами в виде бортовых отсосов. Стационарные ванны, или ванны ручного обслуживания, изготовляют из листовой стали. Размер ванны устанавливают, исходя из габаритов покрываемых деталей, требуемой производительности и возможности обслуживания рабочим.

Установка для фильтрации электролитов. Эта установка является необходимой для каждого гальванического цеха. Насосы. Предназначены для перекачки электролитов из рабочей ванны в резервную и обратно. Сушильное оборудование. Для сушки деталей на подвесках или деталей, снятых с подвесок, применяют сушильные шкафы.

15. Экологические проблемы гальванотехники.

Традиционное гальваническое производство потребляет большое количество материальных ресурсов и приводит к образованию весьма значительных отходов, отводимых в основном со сточными водами, что представляет серьезную опасность для окружающей природной среды. Отработанные гальванические растворы и промывные воды представляют собой один из наиболее загрязненных и токсичных стоков, содержащий различные кислоты, щелочи, соли, ионы цветных металлов, хроматы, цианиды, различные органические поверхностно-активные вещества (ПАВ) и др.

В гальванотехнике потребляется около 10% всей чистой воды, расходуемой в отраслях промышленности, использующих гальванические процессы. Большая часть этой воды идет на промывку деталей после различных операций. Вместе с деталями из технологических ванн выносится электролит, попадающий в промывные, а затем в сточные воды.

Сточные воды гальванических производств, содержащие токсичные соединения, подвергаются обезвреживанию на очистных сооружениях. При этом в большинстве случаев используются реагентные методы (нейтрализация, осаждение тяжелых металлов в виде гидроксидов. карбонатов, сульфидов и др.). Обработке подвергаются смешанные сточные воды, поэтому образующийся шлам содержит сложную смесь соединений, извлечь из которой индивидуальные вещества практически невозможно. Таким образом, при реагентной обработке сточных вод происходит безвозвратная потеря металлов. Вода после реагентной обработки является сильно засоленной и без дополнительной очистки не может быть возвращена в технологический процесс. Шлам, образовавшийся при реагентной обработке сточных вод, перед захоронением требует специальной обработки (обезвоживание и т. п.). Захоронение осадков не устраняет опасность загрязнения окружающей среды. В силу указанных причин обезвреживание сточных вод методами химической нейтрализации становится все менее перспективным и экономически невыгодным.

При безотходном производстве предполагается создание оптимальных технологических схем с замкнутыми, материальными и энергетическими потоками.

Выделяют два направления в разработке малоотходных гальванопроизводств. Одно из них заключается в создании локальных регенерационных систем, в которых обрабатываются промывные воды отдельных технологических операций (до смешивания со стоками других процессов), а также отработанные электролиты. Регенерированные продукты возвращаются в тот же процесс. Необходимость локальной регенерации вытекает из одного из принципов безотходного производства - принципа отделения веществ. выделяющихся в виде отходов, на более ранних стадиях процесса Локальные регенераторы достаточно компактны и в принципе могут быть установлены после каждой технологической ванны: как после ванны нанесения электролитических покрытий, так и после ванн для других операций (обезжиривания, травления, пассивирования и т. д.). Отработанные продукты возможно использовать за пределами гальванического производства: воду -в том производстве, в котором она проходит по своим параметрам, а шлам очистных сооружений - как товарный продукт или вторичное сырье в производстве, где он не причинит экологического и экономического ущерба. При освоении второго направления большое значение имеет кооперирование предприятий различных отраслей промышленности.


16. Образование кристаллических зародышей, рост кристаллов.

При кристаллизации из раствора или расплава образование зародыша новой фазы всегда связано с нарушением равновесия в системе, т.е. с появлением пересыщения. Причем вероятность образования кристаллического зародыша зависит от величины энергии, необходимой для его возникновения, и тем больше, чем больше пересыщение, а именно отклонение системы от равновесного состояния. При электрокристаллизации пересыщение создается в результате напряжения источника тока и определяется величиной отклонения потенциала катода от его равновесного значения.

Для того, чтобы возникшие на катоде зародыши осаждаемого металла самопроизвольно не растворились и обеспечили дальнейший рост кристаллов, они должны обладать определенными размерами и формой. При электрокристаллизации металлов образующиеся на катоде зародыши состоят из небольшого числа атомов (около десятка), которые расположены в одной плоскости (двухмерные зародыши, имеющие толщину одного атомного слоя) или наслоены друг на друга (трехмерные зародыши). Форма трехмерных зародышей малого размера чаще всего полусферическая, т.е. близка к равновесной с минимумом поверхностной энергии.

Нуклеация предпочтительно происходит на активных центрах подложки. Такими центрами являются нарушения сплошности основы, дефекты кристаллической решетки катода, а также макроскопические несовершенства поверхности. С ростом перенапряжения катода число активных центров, участвующих в процессе электрокристаллизации, увеличивается.

Состояние основы и подготовка ее поверхности перед нанесением покрытия играют существенную роль в процессах зарождения кристаллов.

Лучшим способом подготовки поверхности к нанесению гальванопокрытий является электролитическое полирование.

Увеличение перенапряжения катода, уменьшение концентрации разряжающихся ионов в электролите или ингибирование процесса линейного роста кристаллов способствует получению большего числа зародышей на начальных стадиях электрокристаллизации. На практике увеличение числа зародышей на подложке чаще всего достигается введением в электролит добавок органических поверностно-активных веществ (ПАВ). Влияние ПАВ проявляется в блокировании активных центров нуклеации, торможении линейного роста кристаллов, а также в понижении работы образования зародышей.

При использовании добавок ПАВ возможно получать мелкокристаллические осадки металлов, но их физико-механические свойства из-за включения неметаллических примесей во многом оказываются хуже, чем у гальванопокрытий, осажденных без добавок.

Рост возникших на катоде зародышей сверхкритического размера происходит путем присоединения к ним новых частиц и достраивания первично образовавшихся плоскостей. Кинетика развития зародышей в общем случае определяет скорость и характер роста всей поверхности кристалла.

Рост кристалла на «многоуравневой» и ступенчатой поверхностях происходит по-разному. В первом случае имеется высокая плотность мест роста, беспорядочно расположенных по поверхности. Присоединение новых частиц происходит повсеместно, и фактически наблюдается лишь общее перемещение границы раздела металл - раствор в перпендикулярном направлении к плоскости растущей грани. В этом случае отмечают нормальный рост.

Совершенство структуры кристаллов, растущих по механизму слоистого роста определяется, главным образом, характером двухмерного зароды-шеобразования в период возникновения нового слоя. Зарождение каждого последующего слоя начинается с появления двухмерного зародыша на поверхности предыдущего. Возникновение зародыша в нормальном положении должно приводить к когерентному срастанию слоев и отсутствию между ними каких-либо границ. Однако в реальных условиях поверхность растущего кристалла в той или иной степени покрыта адсорбированными чужеродными частицами и возникающие на ней зародыши могут оказаться разориентированными относительно нижележащего слоя.

17. Формирование сплошных покрытий.

Формирование сплошного гальванического покрытия на индифферентных подложках происходит в четыре последовательные стадии:

  1.  возникновение отдельных зародышей на активных центрах подлож ки, которые, разрастаясь, превращаются в крупные кристаллы, рост заро дышей происходит присоединением отдельных атомов и их кластеров в результате поверхностной диффузии;
  2.  объединение кристаллов в агрегаты, причем этот процесс может про текать по механизму срастания или коалесценции;
  3.  срастание кристаллических агрегатов и образование осадка в виде сетки;
  4.  формирование сплошного слоя путем постепенного заполнения яче ек сетки осаждаемым веществом.

18. Особенности электрокрнсталлизации сплавов. Классификация кристаллических структур.

Структура и физико-механические свойства покрытий сплавами в значительной степени определяются особенностями начальных стадий электрокристаллизации, т.е. образованием на катодной основе кристаллических зародышей и их последующим ростом вплоть до формирования сплошного осадка.

Согласно проведенным электронно-микроскопическим исследованиям размер, форма и число кристаллов, образующихся на катоде при постоянной плотности тока, в значительной степени зависят от состава -электролита. Из чистого электролита висмутирования на катодной поверхности возникают частицы, резко отличающиеся по размеру и форме. Наряду с крупными частицами, имеющими микрошероховатую поверхность и округлую форму, наблюдаются мелкие кристаллы совершенной ромбоэдрической формы. Для всех кристаллов независимо от размера характерен послойный рост.

Некогерентная стыковка ступеней роста неизбежно приводит к формированию микрошероховатой поверхности и потере совершенной формы кристалла. После этого кристаллы постепенно приобретают округлую форму. Введение в электролит висмутирования ионов сурьмы вызывает округление и уменьшение среднего размера кристаллов, число которых на поверхности катода возрастает по сравнению с чистым висмутом. Аналогичное влияние оказывает добавка ионов висмута в электролит для осаждения сурьмы.

Влияние состава электролита на изменение формы, размера и плотности распределения зародышей объясняет теория поверхностных явлений. По этой теории действие примесей или растворенных атомов на рост зародышей (кристаллитов) основного металла зависит, во-первых, от энергетического состояния атомов, т.е. от валентности, и, во-вторых, от их геометрических размеров.

Таким образом, средний размер, плотность и характер взаимодействия кристаллов на начальных стадиях электрокристаллизации бинарных сплавов зависят от состава получаемых осадков и определяются природой осаждаемых элементов при неизменных условиях электролиза.

Классификация:

1) По относительному размеру зерна - электролитические осадки делят ся на равнозернистые и неравнозернистые. В большинстве случаев электро литические покрытия равно-зернистые, т.е. состоящие из зерен приблизи тельно одинаковых размеров.

Среди" неравнозернистых структур в электролитических покрытиях наиболее часто встречаются прерывисто-неравнозернистые, в которых обычно выделяются два преобладающих размера зерен.

Неравнозернистые структуры формируются при электрокристаллизации двухфазных покрытий, состоящих из смеси кристаллитов разного состава.

  1.  абсолютный размер зерен. При классификации покрытий по абсолютному размеру их структурных элементов обычно пользуются следующей града цией структур: крупно-, средне- и мелкозернистые. Во многих случаях при электроосаждении металлов и сплавов кристаллизуются покрытия с разме ром зерен < 100 нм. Такие покрытия относятся к ультрадисперсным мате риалам, которые занимают промежуточное положение между поликристал лическими и аморфными материалами.
  2.  форма зерен. По этому признаку выделяют три типа структур: равноосные, в которых зерна имеют приблизительно равные размеры по трем взаимно перпендику лярным координатным осям, пластинчатые - с преобладанием размеров по двум координатным осям и игольчатые, размер зерен которых преобладает по одной оси.
  3.  роста зерен в осадках: боковой рост, когда более плотноупакованная грань растет параллельно поверхности подложки, и нормальный рост, когда более плотноупакованная грань располагается по нормали к поверхности подложки.
  4.  Структуры покрытий - при отсутствии взаимной ориентации зерна; ориентированные - когда большинство кристаллов в осадке имеют только одну ось текстуры; полиориентированные - когда зерна преимущественно ориентированы в нескольких направлениях.
  5.  Наконец, классифицируя структуры электролитических покрытий с точки зрения особенностей внутреннего строения кристаллитов, выделяют структуру с моноблочным, субструктурным и двойниковым строением зерен.


19. Дефекты кристаллического строения. Дисперсность покрытий.

1) К точечным дефектам кристаллического строения относятся вакансии, межузельные атомы, а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла, или внедряться, подобно межузельным атомам, в междоузлия решетки. Концентрация вакансий в электролитических осадках металлов может значительно превышать равновесную.

Линейные дефекты. По данным рентгеновских исследований, плотность дислокаций в гальванических покрытиях, полученных без создания специальных условий, весьма велика, при этом дислокационная структура характеризуется неоднородностью в распределении плотности.

На начальной стадии электрокристаллизации (стадии возникновения отдельных зародышей на катоде) причинами появления дислокации являются: прорастание дефектов в образующиеся зародыши из подложки; несовершенная эпитаксия растущих зародышей с подложкой, особенно при различии параметра их решеток; загрязнение поверхности катода (оксидами, компонентами раствора, в котором проводили подготовку катода, и др.). Плотность дислокаций, прорастающих из подложки, приблизительно соответствует их концентрации в подложке, причем расположение дислокаций в осадке не отличается от расположения в основе. Чем выше перенапряжение катода, тем большее число зародышей образуется на нем и тем выше плотность дислокаций в получаемой пленке.

Появление дислокаций в электроосажденных слоях может быть связано с пластической деформацией кристаллитов осадков под воздействием внутренних напряжений, возникающих в процессе старения покрытий. Другая причина появления дислокаций в послеэлектролизныи период обусловлена фазовыми превращениями, протекающими в покрытиях при старении.

Дислокации в гальванических покрытиях возникают и по ва-кансионному механизму. Избыточные вакансии коалесцируют в скопления в виде дисков, которые после достижения критических размеров сплющиваются, образуя дислокационные петли.

Поверхностные дефекты. Границы зерен и субзерен. Относительная доля осадка, приходящаяся на границы, является важной характеристикой поликрйсталлического покрытия. Ширина межзеренной границы обычно оценивается в 2 - 3 периода решетки.

Согласно данным ПЭМ, границы зерен в электролитических покрытиях являются высокоугловыми и имеют недислокационное строение. Границы между субзернами обычно малоугловые и представляют собой плоские дислокационные сетки, характер которых зависит от условий получения осадков (величины перенапряжения катода).

Двойниковые дефекты. Образование дефектов упаковки двойникового типа, или просто двойников, при электрокристаллизации металлов довольно распространенное явление, связанное с нарушением нормальной для данного кристалла последовательности в расположении атомных слоев. Наиболее часто двойниковые дефекты образуются в электроосажденных металлах, имеющих структуру с плотнейшей упаковкой атомов - ГЦК и ГПУ. Концентрация двойниковых дефектов в электролитических покрытиях зависит от природы осаждаемого металла и условий электролиза.

Дефекты упаковки. При электрокристаллизации наряду с двойниками образуются дефекты упаковки деформационного типа.

Макроскопические дефекты покрытий. К макроскопическим дефектам гальванических покрытий относятся поры, водородные камеры, пустоты, трещины, как связанные, так и не связанные между собой.

2) Наиболее важной характеристикой структуры гальванопокрытий является дисперсность, которая определяется размером зерен или кристаллитов. Дисперсность структуры электролитических покрытий зависит от природы осаждаемого металла и условий электролиза и определяется соотношением скоростей зарождения и роста кристаллитов. В тех случаях, когда скорость образования зародышей превалирует над скоростью их роста, на катоде формируются мелкокристаллические или ультрадисперсные осадки. Структурные исследования показали: измельчение структуры гальванопоПОкрытий обычно происходит при повышении катодной плотности тока (потенциала осаждения), уменьшении концентрации, температуры и кислотности электролита, введении в электролит добавок различной природы.

Все металлы, осаждаемые из водных растворов простых солей, подразделяются на три группы, к первой из них относятся металлы Fe, Ni, Co, Mn, Cr, Re. характеризующиеся высокой величиной перенапряжения катода (более 0,1 В) и мелкозернистой структурой покрытий). Ко второй группе относятся металлы Си, Ag, Sb, Аи, имеющие перенапряжение катода в несколько десятков милливольт и кристаллизующиеся на катоде с зернами среднего размера. К третьей группе относятся металлы Cd, In, Pb, Sn, выделяющиеся на катоде с малым перенапряжением, не превышающим несколько милливольт. При промышленных плотностях тока эти металлы

кристаллизуются с крупными зернами ( 10-3 -10-2 см).

Варьируя условиями электролиза, можно формировать покрытия с различной степенью дисперсности структуры, а следовательно, и свойствами. Размер зерен в электроосажденных металлах уменьшается с ростом катодной плотности тока и введением в электролит добавок ПАВ, уменьшением концентрации и температуры и интенсивности перемешивания электролита.

Электролитические сплавы кристаллизуются с более дисперсной и однородной структурой, чем осадки чистых металлов, полученные в аналогичных условиях электролиза. С повышением концентрации легирующего компонента в сплавах размер зерен постепенно уменьшается, так как при этом увеличивается число центров кристаллизации, что приводит к измельчению структуры покрытий. Наиболее дисперсные структуры формируются при осаждении с основным металлом нескольких легирующих элементов.

20. Природа внутренних напряжений. Текстура металлов и сплавов.

При электрокристаллизации металлов и сплавов в осадках, получаемых на катоде, обычно возникают внутренние напряжения (напряжения первого рода или остаточные), причем их величина и характер определяются природой осаждаемых металлов и условиями электролиза. Внутренние напряжения (ВН) в гальванических покрытиях приводят к растрескиванию, увеличению пористости и уменьшению защитной способности получаемых слоев, а также к отслаиванию покрытий от основы.

Все электролитически осаждаемые металлы (при стационарных условиях электролиза и при отсутствии в растворе органических добавок) делятся на три группы.

1.Металлы первой группы (Re, Ru, Rh, Cr, Pt, Pd, Fe, Co, Ni, Mn), характеризующиеся прочными межатомными связями и кристаллизующиеся при высоких перенапряжениях катода, осаждаются с ВН растяжения. Напротив, металлы третьей группы (Zn, Pb, Cd, Bi. Sn, Tl, In), обладающие слабыми межатомными связями и кристаллизующиеся при низких перенапряжениях. осаждаются с ВН сжатия. 2.Металлы второй группы (Си, Аи, Ag, Sb, Ga). склонны к напряжениям обоих знаков. Эти металлы либо имеют сильные межатомные связи, но осаждаются при низких перенапряжениях, либо обладают слабыми межатомными связями, но осаждаются при высоких перенапряжениях, либо характеризуются по сравнению с металлами первой и третьей групп промежуточными значениями параметров.

В металлах промежуточной группы в зависимости от условий электроосаждения на катоде могут протекать процессы и связанные с ними структурные изменения, характерные как для металлов первой, так и для металлов третьей групп. Вследствие этого металлы второй группы склонны к образованию ВН обоих знаков.

Неравновесные точечные дефекты - вакансии и межузельные атомы являются главной причиной образования ВН в электролитических осадках. Превалирующий в структуре осадка тип дефекта кристаллического строения обусловлен свойствами металла и условиями электролиза и определяет знак ВН. Изменяя соотношение дефектов в осадке или уменьшая их концентрацию, можно регулировать ВН и получать малонапряженные гальванопокрытия.

Текстура. При электрохимическом способе нанесения покрытий в них часто формируется преимущественная ориентация кристаллитов - текстура. Текстуры гальванопокрытий обычно аксиальные: направление их осп перпендикулярно подложке и совпадает с направлением подвода разряжающихся ионов к растущему осадку. Кроме направления оси, аксиальные текстуры характеризуются также средним углом отклонения (рассеяния) ориентировки кристаллитов осадка от перпендикуляра к подложке. Чем меньше угол рассеяния, тем совершеннее текстура. Степень совершенства текстуры увеличивается с утолщением получаемого осадка.

1) Текстура электроосажденных металлов. Характер и степень совершенства текстуры покрытий в основном определяются величиной перенапряжения катода в процессе электроосаждения металлов. Последовательность изменения оси текстуры по мере увеличения перенапряжения катода одинакова для металлов, имеющих один и тот же тип кристаллической решетки.

Между характеристиками дефектной структуры осадков и их текстурой имеется связь. Интенсивно протекающие в осадках ГЦК металлов процессы двойникования в зависимости от условий электролиза изменяют ось текстуры.

Ось текстуры и особенно ее совершенство существенно зависит от характера субструктуры осаждаемых покрытий. Наличие текстуры в покрытиях приводит к анизотропии их тонкой структуры и свойств. Отсутствие беспорядочного компонента текстуры является одним из факторов, определяющих блеск хромовых гальванопокрытий.

Создавая определенную текстуру, можно значительно улучшать защитные и декоративные свойства гальванопокрытий, повышать их износостойкость, прочность, твердость и I ряд других физико-механических свойств.

2}_Текстура электролитических сплавов , Достаточно подробно исследована лишь текстура электролитических бинарных сплавов металлов подгруппы железа, представляющих собой твердые растворы замещения.

Все текстуры, возникающие при электрокристаллизации металлов подгруппы железа и их сплавов, являются текстурами роста, поскольку их совершенство повышается с утолщением получаемого осадка. Слои осадка, непосредственно прилегающие к подложке, состоят из разориентированных мелких зерен. Формирование текстуры, определяемой условиями электролиза, начинается в слоях толщиной около 1 - 3 мкм. Максимальное совершенство текстуры достигается в осадках при толщине 20 - 25 мкм, когда стабилизируется величина зерен. При дальнейшем увеличении толщины осадка совершенство текстуры остается практически постоянным.

Текстура электролитических сплавов зависит главным образом от пересыщения, величина которого в процессе их электрокристаллизации характеризуется катодной поляризацией и определяется условиями осаждения. Изменение величины поляризации катода нередко перестраивает дефектную структуру сплавов, что влияет на характер и совершенство возникающей текстуры.

По мере развития осадка наиболее вероятными местами зарождения вновь образующихся кристаллитов являются дефекты предыдущих зерен, чаще всего двойниковые или дислокационные границы субзерен. Новые кристаллиты растут эпитаксиально, приобретая размер, форму и ориентацию предыдущих.


21. Примеси в электролитических покрытиях. Неравновесность структуры покрытий.

В практической гальванотехнике процесс электрокристаллизации металлических покрытий всегда сопровождается соосаждением примесей. Примеси попадают в состав электролита из химикатов, воды, продуктов коррозии и растворения ванн, анодов, покрываемых деталей и, осаждаясь на катоде, включаются в структуру гальванопокрытий.

Примеси бывают различной природы и находятся в покрытиях в виде ионов, атомов и молекул элементов, органических молекул и радикалов, металлических и неметаллических частиц, комплексных соединений, гидридов и гидроксидов, газовых пузырьков.

В зависимости от природы примесей ухудшаются внешний вид, пластичность, износостойкость, сцепление с подложкой, контактное сопротивление и другие физико-механические свойства покрытий.

Качественная идентификация и количественное определение примесей в гальванопокрытиях требуют применения трудоемких и дорогостоящих химических и физико-химических методов анализа. Наиболее сложно и трудоемко определение содержания в покрытиях водорода, кислорода. азота, углерода, серы.

Наиболее распространенной примесью в гальванопокрытиях является водород, поскольку электроосаждение большинства металлов из водных растворов сопровождается его выделением. Водород адсорбируется на растущей поверхности формируемого осадка и включается в металлические покрытия, вызывая их наводороживание. аводороживание ухудшает эксплуатационные и технологические свойства покрытий, увеличивает внутренние напряжения и хрупкость, снижает защитные свойства, прочность сцепления покрытий с поверхностью изделий.

Водород в гальванопокрытиях присутствует в четырех формах:

  1.  атомарном состоянии, располагаясь в межатомных пустотах кри сталлической решетки металла. Такой водород наиболее подвижен и легко удаляется при нагреве покрытий до 100 - 150 °С.
  2.  в молекулярном состоянии, находясь в макроскопических дефектах покрытий или по границам зерен. Подвижность его ограничена, и молеку лярный водород диффундирует из покрытий при высоких температурах.
  3.  в виде химических соединений с металлов - гидридов, имеющих, как правило, нестехиометрический состав и распадающихся при температурах 150- 250 °С.
  4.  в составе примесных веществ, попадающих в покрытия, например гидроксидов органических добавок. Подвижность этого водорода определя ется составом включений и температурой их разложения.

Часто в структуру гальванопокрытий включается примесный углерод. Источником углерода является растворенный в электролите углекислый газ, образующий углекислоту, восстановление которой приводит к образованию на катоде элементарного углерода.

Сера включается в покрытия из различных компонентов электролита: анионов, комплексных соединений и серосодержащих добавок. Поверхностно-активные органические добавки претерпевают на катоде химические превращения с отщеплением серы, которая входит в решетку до 0,1 % или образует сульфиды. С увеличением количества серы, включаемой в решетку осадков, увеличивается плотность дислокаций и дефектов упаковки и повышается предел прочности покрытий.

Значительное количество кислорода в электролитических покрытиях наблюдается в тех случаях, когда металлы выделяются на катоде при разряде кислородсодержащих анионов.

Неравновесность структуры.

Изменение условий электрокристаллизации приводит к различному проявлению неравновесности осадков. Чем больше потенциал осаждения, тем сильнее нарушается нормальный рост кристаллов и тем выше дисперсность и дефектность структуры получаемого покрытия. Так, по мере отклонения условий электрокристаллизации никеля от термодинамически равновесных (за счет увеличения потенциала катода) возрастает степень морфологической неравновесности покрытий.

Чем больше условия электрокристаллизации отклоняются от термодинамически равновесных, тем значительнее отличается от равновесного структурное состояние осадка. При увеличении катодной поляризации это проявляется последовательно в виде морфологической, концентрационной и фазовой неравновесностей.

22. Аморфные покрытия.

Общим условием электрохимического получения аморфных покрытий является быстрый переход вещества из ионизированного в атомарное состояние, при котором атомы, осаждаемые на катоде, не успевают перестроиться в кристаллическую решетку.

Формирование аморфных покрытий наблюдается при электроосаждении элементов двух разных групп. К первой группе относятся металлы (хром, марганец, рений), осаждение которых сопровождается выделением водорода и включением в структуру осадков оксидно-гидроксидных соединений осаждаемых металлов. Вторую группу составляют так называемые полуметаллы (сурьма, теллур, селен) - элементы с ажурной упаковкой атомов и малыми значениями координационных чисел. Осадки этих элементов, как и предыдущей группы, содержат значительное количество неметаллических частиц: оксидов, продуктов промежуточного восстановления ионов осаждаемых элементов, галогенидных соединений и т.п.

Наиболее эффективно аморфные покрытия формируются при совместном осаждении сплавов различных металлов или металлов с неметаллами. Сплавы типа металл-неметалл образуются при электроосаждении металлов подгруппы железа с бором, фосфором, кремнием. Сплавы типа металл-металл образуются при совместном электроосаждении металлов подгруппы железа с тугоплавкими металлами (молибденом, вольфрамом, рением).

Условия формирования аморфных сплавов сводятся к следующим:

1) Содержание второго компонента должно превышать 15 % (ат.).

2) Компоненты сплава при электроосаждении должны образовывать пересыщенные твердые растворы в широкой области концентраций (10 - 15

%).

  1.  При совместном электроосаждении элементов хотя бы один из них должен выделяться на катоде по механизму топохимической реакции. По такому механизму обычно восстанавливаются элементы, находящиеся в электролите в виде оксианионов (Р, В. Mo, W, Re, Те, Se).
  2.  Поляризация катода должна быть на 50 - 100 мВ выше, чем при обра зовании пересыщенных твердых растворов.
  3.  Включение в осадки примесей неметаллического характера должно составлять (водорода, кислорода, углерода, серы, ПАВ, гидроксидов, кол лоидных частиц, гидридов, оксидов, сульфидов) 8 - 10 %. Включение при месей расширяет концентрационный интервал аморфизации, и появление аморфных фаз обнаруживается при более низком содержании легирующего компонента.

Структура электролитических аморфных сплавов не является однородной и изотропной. Осадки характеризуются структурной анизотропией и содержат флуктуации плотности и химического состава.

Процесс кристаллизации аморфных сплавов отличается многостадий-ностью и характеризуется появлением ряда промежуточных метастабиль-ных фаз. Кристаллизация бинарных сплавов типа металл-неметалл обычно происходит в две стадии. На первой стадии исходная аморфная структура полностью заменяется метастабильной кристаллической, а на второй стадии метастабильная структура переходит в структуру, характерную для равновесного состояния.

В электролитических сплавах переход от аморфного состояния к кристаллическому в разных концентрационных областях происходит различными путями, причем в зависимости от химического состава сплавов реализуются все три известных типа кристаллизации: первичная, эвтектическая и полиморфная.


23. До- и рекристаллизационный отжиг. Отжиг уменьшающий напряжения.

Возврат.

К наиболее интересным эффектам при низкотемпературном отжиге до начала рекристаллизации относится значительное повышение твердости, предела прочности и особенно пределов текучести и упругости электролитических осадков.

Причина такого явления связана с особенностями тонкой структуры электролитических осадков, поскольку наблюдаемый эффект проявляется главным образом в металлах, условия электрокристаллпзации которых приводят к формированию ячеистой структуры, причем упрочнение тем значительнее, чем выше потенциал осаждения и выше вследствие этого. плотность дислокаций в осадке. Аналогичное поведение характерно и для износостойкости электроосажденных металлов.

Упрочнение электролитических осадков в интервале температур 150 -250 °С объясняется перераспределением подвижных дислокаций на стадии полигонизации и закреплением их в более стабильных конфигурациях атомами примесных компонентов, которые входят в состав промышленных электролитов.

Упрочнение в процессе отжига наблюдается во многих электроосажденных металлах, полученных из промышленных электролитов, например в осадках железа, меди, никеля, хрома, серебра и их сплавов.

Рекристаллизация. Объяснить механизм рекристаллизации общей теорией разупрочнения металлов, основываясь на том. что плотность дислокаций в осадках соответствует по порядку величины плотности дислокаций в деформированных металлах, не всегда удается. Это связано с особенностями структуры электроосаж-денных металлов и сплавов. Обращает на себя внимание то, что исходная структура покрытий после электроосаждения отличается высокой дисперсностью, значительно превосходящей дисперсность деформированных металлов.

Именно этой причиной объясняется понижение температуры начала рекристаллизации электролитических покрытий по сравнению с деформированными металлами.

Другая особенность исходной структуры состоит в том, что максимальная дисперсность покрытий после электроосаждения фиксируется вблизи подложки, -

Поэтому на начальной стадии первичной рекристаллизации образование относительно равноосных рекристаллизованных зерен происходит вначале вблизи подложки, в то время как на периферии осадка все еще существует столбчатая структура. Еще более существенно влияет на процессы рекристаллизации, чем дисперсность, характер исходной субструктуры электролитических осадков,

Вернемся в связи с этим к рассмотрению характера изменения некоторых свойств при отжиге металлов, имеющих после электрокристаллизации ячеистую структуру. Нагрев выше пика твердости, т.е. выше температуры полигонизации, приводит к росту субзерен и рекристаллизации, в процессе которой образуются новые зерна, отделенные высокоугловыми границами с резко пониженной плотностью дислокаций. Совершенство рекристаллизо-ванной структуры по сравнению с полигонизованной обусловливает разупрочнение покрытий и повышение коррозионной стойкости. Однако дальнейшее увеличение температуры отжига вызывает охрупчивание осадков и снижение защитных свойств вследствие развития в отожженных покрытиях пористости, которую можно назвать вторичной в отличие от первичной, образующейся при электрокристаллизации. Причинами пористости могут быть миграция водорода и термически активируемых вакансий к многочисленным коллекторам, которые существуют в покрытиях после их получения, и газовыделение при выгорании продуктов разложения примесных компонентов. При низкотемпературном отжиге вторичная пористость практически не проявляется. Поры незначительно увеличиваются в диаметре в результате миграции водорода к коллекторам и аннигиляции вакансий на их внутренних полостях. В зависимости от режимов электрокристаллизации, температуры и продолжительности нагрева, природы осажденных металлов, а также других факторов структурные превращения в покрытиях протекают с разной полнотой и скоростью.

Отжиг уменьшающий напряжения.

Естественное старение электроосажденных металлов независимо от их природы сопровождается миграцией и аннигиляцией точечных дефектов, что приводит к некоторому снижению внутренних напряжений (ВН). Отжиг, уменьшающий напряжения, ускоряет релаксационные процессы и позволяет получать осадки практически без ВН.

Под отжигом, уменьшающим напряжения, понимают термическую обработку, при которой главным процессом является полная или частичная релаксация ВН.

Однако отжиг, уменьшающий напряжения, часто проводят целенаправленно.

Для снижения большей части ВН достаточно нагреть осадок до температуры, при которой протекают процессы миграции и аннигиляции точечных дефектов. Эти процессы требуют очень малой энергии активации и совершаются при достаточно низких температурах, составляющих (0,20 -0.25) Тпл .

24. Гомогенизационный отжиг. Гетерогенизашюнный отжиг.

1) При гомогенизационном (диффузионном) отжиге главным процес сом является устранение химической неоднородности, возникшей при элек трокристаллизации. Химическая неоднородность электролитических сплавов выражается в слоистости структуры и наличии градиента концентрации по толщине осадка, появлении неравновесных избыточных фаз, включении в осадок примесей, содержащихся в промышленных электролитах.

Слоистость осадков. Возникающие в процессе электролиза автоколебания катодного потенциала и изменение состава электролита в околокатодном пространстве приводят к слоистости структуры и градиенту концентрации по толщине осадка. Слоистость - довольно распространенное явление в сплавах и. как правило, легко устраняется при диффузионном отжиге.

Образование избыточных фаз при .электроосаждении. Наличие таких фаз в структуре сплава приводит к охрупчиванию, снижению стойкости против коррозии, к нестабильности свойств сплава во времени.

Химическая неоднородность, возникающая вследствие включения в состав осадка примесей, проявляется в структуре всех электроосажденных металлов и сплавов.

При нанесении покрытий происходит соосаждение различных примесных компонентов: металлов и неметаллов (в том числе водорода), оксидов, гидридов, коллоидных соединений, воды, поверхностно-активных веществ. В зависимости от природы компонентов они могу] адсорбироваться на границах зерен или включаться в кристаллическую решетку осадка, оказывая различное влияние на его свойства.

Проведение отжига в ряде случаев приводит к гомогенизации структуры и улучшению некоторых физико-механических характеристик покрытий.

Наряду с основными структурными изменениями, рассмотренными выше, при гомогенизационном отжиге могут протекать побочные изменения структуры

Коагуляция избыточных фаз. Рели сплав в равновесном состоянии не является однофазным, избыточные фазы, которые неспособны полностью раствориться при температуре гомогенизации, коагулируют с увеличением длительности отжига.

Развитие пористости. Такую пористость, сопутствующую го-могенизационному отжигу электролитических осадков, как и при проведении рекристаллизационного отжига, называют вторичной.

2) При гетерогенизационном отжиге происходит распад пересыщенных твердых растворов и выделение избыточных фаз (интерметаллических соединений или фаз внедрения).

Так как распад пересыщенного раствора является диффузионным процессом, то степень распада, тип выделений, их дисперсность и форма зависят от температурно-временных параметров отжига. Не меньшее влияние оказывают на кинетику распада исходная структура электроосажденного сплава, его химический состав, примесные компоненты и ряд других факторов.

Сплавы замещения. В сплавах Cu-Bi, Ni-Bi и Co-Bi, согласно диаграммам равновесия, в твердом состоянии висмут в меди, никеле и кобальте практически не растворяется. Однако при совместном осаждении этих металлов образуются пересыщенные твердые растворы висмута в меди, никеле и в кобальте.

Распад пересыщенных твердых растворов обусловливает существенное изменение физико-механических и эксплуатационных свойств. Так, микротвердость покрытий Co-W и Ni-W, кристаллизующихся в виде пересыщенных твердых растворов вольфрама в кобальте и никеле.

При отжиге наряду с упрочнением покрытий может происходить снижение пластичности, ухудшение магнитных, электрических свойств и др. Распад пересыщенных твердых растворов возможен и при комнатной температуре.

Сплавы внедрения. В электролитических сплавах этого типа в качестве легирующего компонента чаще всего используются фосфор, бор и кремний.

К числу наиболее распространенных сплавов относится Ni-P. Согласно равновесной диаграмме состояния, растворимость фосфора в никеле невелика и составляет < 0,5 % (по массе). Однако электролитическим осаждением получают пересыщенные твердые растворы замещения, содержащие до 7-9 % фосфора в никеле. При большей концентрации фосфора в осадке сплавы переходя в аморфное состояние. Отжиг покрытий приводит к выделению фазы Ni3P. Варьируя температурно-временнымп параметрами

отжига, можно в широком диапазоне изменять структуру и тем самым регулировать физико-механические свойства, чтобы получить требуемые характеристики в зависимости от условий эксплуатации покрытий.

 25. Отжиг с фазовой перекристаллизацией.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией - это термическая обработка, при которой главным процессом является нормальное полиморфное или эвтектоидное превращение.

При электрокристаллизации сплавов в ряде случаев образуются осадки, представляющие собой интерметаллические соединения, отсутствующие на равновесных диаграммах состояния. Отжиг приводит к эвтектоидному распаду метастабильного соединения и полному изменению фазового состава. Рассмотрим некоторые такие сплавы, имеющие практическое значение.

Интерметаллид NiSn, который нельзя получить каким-либо другим путем, кроме совместного электроосаждения никеля и олова, после отжига при температуре выше 300 °С распадается на Ni3Sn44 и Ni3Sn2- и фазовый состав сплава соответствует равновесному. Физико-механические свойства покрытий после отжига претерпевают существенные изменения, и это необходимо учитывать на практике, так как условия эксплуатации покрытий часто связаны с их нагреванием. Кроме того, поскольку распад интерметал-лпдов NiSn и CoSn обусловлен диффузионными фазовыми превращениями, процессы образования двухфазной эвтектоидной смеси могут протекать с меньшей скоростью и при комнатной температуре.

Кроме эвтектоидного распада, к коренному изменению структуры осадков приводят полиморфные превращения, протекающие при отжиге. Высокотемпературные модификации обычно образуются в покрытиях, электроосаждение которых сопровождается интенсивным выделением водорода и включением в осадок неметаллических частиц. Известны, например, модификации кобальта с ГЦК решеткой, марганца - с тетрагональной, хрома - с ГПУ или сложной кубической решеткой и др. Осадки, в структуре которых присутствуют высокотемпературные модификации, часто обладают высокой коррозионной стойкостью, аномальными магнитными и электрическими характеристиками. Отжиг таких осадков сопровождается полной фазовом перекристаллизацией и снижением физико-механических характеристик по сравнению с метасгабильным состоянием. Фазовый состав осадков после отжига соответствует равновесному.

26. Химико-термическая обработка.

При химико-термической обработке гальванических покрытий наиболее часто используют поверхностное насыщение осадка углеродом, азотом и бором. Диффузия атомов этих элементов из внешней среды (твердой, газообразной, жидкой) в осадок приводит к изменению его фазового состава. Фазовые превращения протекают непосредственно в процессе диффузионного насыщения осадка при температуре химико-термической обработки или при охлаждении вследствие полиморфных и эвтектоидных превращений, выделения избыточных фаз и др. В результате химико-термической обработки гальванических покрытий формируются сплавы с принципиально новой структурой и свойствами.

Известно, что все структурные дефекты - вакансии, дислокации, границы зерен и субзерен - оказывают влияние на подвижность атомов и ускоряют диффузионные процессы. Электролитические покрытия имеют после осаждения высокую дисперсность и дефектность. Поэтому химико-термическая обработка электроосажден-ных металлов и сплавов по сравнению с материалами, полученными другими способами, при прочих равных условиях обеспечивает повышенную скорость диффузионного насыщения.

В настоящее время гальванические покрытия используются либо в качестве промежуточного слоя, через который диффундирующий элемент насыщает поверхность изделия, либо в качестве основного, формирующего свойства поверхности, изделие же в этом случае не участвует в химико-термической обработке.

Нанесение тонкого (1-10 мкм) промежуточного слоя позволяет не только интенсифицировать процесс химико-термической обработки, но и улучшить физико-механические и эксплуатационные свойства защищаемого изделия. Например, при азотировании никелевое покрытие на стали обеспечивает увеличение толщины азотированного слоя в 2-3 раза, а нанесение железных, никелевых или медных осадков повышает износостойкость титановых сплавов.

Электролитические покрытия толщиной 50 мкм и выше, упрочняющиеся диффузионным насыщением, широко применяются для восстановления изношенных деталей машин.

Для восстановлеш деталей машин и повышения износостойкости не меньшее распространение, чем борирование, получила цементация электролитических осадков.

Для изделий, условия эксплуатации которых сопряжены с абразивным изнашиванием, весьма эффективна нитроцементация электроосажденных слоев.

Хотя за последние годы в теории и практике химико-термической обработки электролитических покрытий достигнуты определенные успехи, для создания научнообоснованных технологий необходимы дальнейшие исследования, связанные с большим разнообразием сплавов, неизученностью термодинамики процессов, влиянием состава насыщающей среды, температуры, времени, давления и других факторов.

 27. Электроосажденные металлы подгруппы железа и их сплавы.

Никель. Никель обладает склонностью к пассивированию, что определяет его стойкость в атмосфере повышенной влажности, в растворах щелочей, некоторых органических кислот. Осадки хорошо полируются до зеркального блеска с желтоватым оттенком и приобретают красивый декоративный вид, не изменяющийся во времени. Поэтому никелевые покрытия широко используются для защиты от коррозии и отделки изделий из сталей, в том числе коррозионностойких. медных, цинковых, титановых и алюминиевых сплавов. Никелируют наружные элементы автомобилей, велосипедов, приборов, хирургические инструменты, предметы домашнего обихода. По отношению к железу никель имеет менее электроотрицательный потенциал, в связи с чем способен защищать стальные детали от коррозии лишь при отсутствии пор в покрытии. В тонких слоях (1—3 мкм) осадки пористы. Почти полностью пористость устраняется лишь при толщине 25 - 30 мкм. Высокая твердость (2,0 - 5,5 ГПа) и износостойкость электроосажден-ного никеля обеспечивают его использование в полиграфической промышленности для изготовления клише и стереотипов, для отделки мерительного инструмента (калибры, скобы и т.п.) и деталей, эксплуатируемых в условиях сухого трения. Способность никеля ослаблять диффузию некоторых компонентов основы, например олова и меди, позволяет применять его в качестве подслоя перед золочением или лужением медных сплавов. Никелевые осадки толщиной 0,5 - 3,0 мкм часто используют также в качестве подслоя для хромовых покрытий на стальных деталях с целью повышения адгезионной прочности. В зависимости от состава электролитов и режимов электролиза никелевые покрытия бывают матовыми, блестящими или черными.

Внешний вид матовых покрытий для придания блеска улучшают механической полировкой. Однако при этом теряется до 30 % осадка, что экономически невыгодно с учетом высокой стоимости никеля.

В сравнении с матовыми покрытиями блестящие имеют ряд недостатков: сильное наводороживание покрытия и покрываемого металла, большее количество примесей в структуре, обусловливающих охрупчивание осадков, повышенные внутренние напряжения (до 400 МПа и более), пониженную коррозионную стойкость.

Осадки черного цвета используют в декоративных целях, а также для придания поверхности свето- и теплоотражающих свойств. Обычно их наносят на латунные изделия. Черные покрытия отличаются твердостью и хрупкостью, защитные качества их очень низкие.

Кобальт. Физико-механические свойства кобальта занимают промежуточное положение между железом и никелем, больше приближаясь к последнему. По износостойкости кобальтовые покрытия превосходят никелевые, но в то же время в большей степени подвержены окислению при повышенной температуре, воздействию разбавленных кислот. Поскольку кобальт в несколько раз дороже никеля, он не получил широкого применения в гальванотехнике. Осадки кобальта используют в гальванопластике для получения копий и их частей, а также для специальных целей: изготовление нетускнеющих рефлекторов, зеркал, ювелирных изделий; получение магнитно-жестких покрытий в устройствах магнитной записи; повышение коррозионной стойкости изделий, работающих в газовой среде, содержащей серу.

Среди электролитических сплавов на основе кобальта чаще всего используются Co-Ni, Co-W, Co-Ru, Co-Re.

Железо. Электролитическое железнение в сравнении с никелированием применяется сравнительно редко, поскольку железо не обладает ни защитными, ни декоративными свойствами. Оно устойчиво против воздействия водных растворов и расплавов щелочей, но крайне чувствительно к повышению влажности в кислотной среде, атмосфере. Несмотря на высокую химическую чистоту (99,9 %) электролитическое железо легко окисляется и покрывается ржавчиной. Для предупреждения коррозии его защищают другими металлическими покрытиями. Таким образом, железнение относится к категории специальных покрытий и применяется в следующих случаях: в качестве подслоя при гальванической обработке чугунных изделий перед цинкованием или лужением (толщина слоя 5-15 мкм); для покрытия пластинок твердого сплава перед напайкой их на державки резцов и фрез с целью предохранения сплава от окисления при напайке и увеличения прочности сцепления (толщина слоя 150 - 200 мкм); для повышения износостойкости типографских медных клише (толщина слоя 20 - 100 мкм). Однако наибольшее распространение железнение получило при восстановлении размеров изношенных деталей станков, автомо билей и сельскохозяйственных машин: шеек коленчатых и распре делительных валов, крестовин карданов и дифференциалов, нижних головок шатунов, гильз цилиндров, поршневых колец, посадочных мест корпусов, картеров и др.

Эксплуатационные свойства электролитического железа улучшают легированием другими элементами, такими как Ni, Mn, Сг, Р.


28. Электроосажденные медь, хром, цинк и их сплавы.

Медь. Твердость медных покрытий невысока. Осадки имеют низкое удельное электросопротивление, превосходящее только серебро. Медь неустойчива в химическом отношении - на воздухе легко взаимодействует с влагой, углекислыми и сернистыми соединениями, окисляется, темнеет, постепенно покрывается зеленым налетом основных углекислых солей. Медные покрытия защищают сталь от коррозии только в том случае, если они беспористые. Осадки меди пластичны, имеют низкие внутренние напряжения.

Основные области использования элекроосажденной меди следующие:

1) В качестве подслоя при нанесении многослойных защитно- декоративных и функциональных покрытий (например, Cu-Ni-Cr) на изде лия из стали, цинковых и алюминиевых сплавов. Применение меди в дан ном случае обусловлено эффективностью ее диффузии в другие металлы, обеспечивающей высокую адгезионную прочность покрытий.

  1.  Для улучшения пайки, так как электролитическая медь имеет повы шенную восприимчивость к контакту с низкотемпературными оловянно- свинцовыми припоями.
  2.  Для местной защиты стальных деталей при цементации, азотирова нии, борировании и других диффузионных процессах, так как медь предот вращает диффузию соответствующих элементов технологических сред в основу.
  3.  Для покрытия поверхности заготовок, подвергающихся глубокой вы тяжке. Высокая пластичность медного слоя в данном случае позволяет повысить производительность процесса формообразования деталей.
  4.  Для создания электростатических немагнитных экранов с последую щей защитой слоем никеля, так как медь обладает слабыми диамагнитными свойствами.
  5.  Для наращивания толстых слоев в гальванопластике при изготовле нии бесшовных трубок сложного сечения, медных сеток, снятии металличе ских копий с художественных изделий, благодаря возможности получения малонапряженных осадков меди значительной толщины.

Наибольшее распространение среди электролитических сплавов меди получили латуни (Cu-Zn), бронзы (Cu-Sn), а также сплавы Cu-Pb, Cu-Zn, Cu-Ni, Cu-Mo.

Сплавы меди с легкоплавкими металлами (Pb, Zn, Bi) отличаются хорошими антифрикционными свойствами и применяются при изготовлении вкладышей подшипников.

Покрытия сплавами Cu-Co, Cu-Fe представляют практический интерес в связи с открытием в них эффекта сверхвысокого магнитосопротивления. который наблюдается при формировании гранулированной (неоднородной) структуры.

Хром. Хромирование является одним из наиболее распространенных процессов в гальванотехнике. Хром устойчив против воздействия растворов азотной, серной кислот и их солей, органических кислот, соединений серы. Хром, имея в сравнении с железом более положительный электрохимический потенциал, обеспечивает защиту от коррозии стальных деталей только при беспористости покрытия. На воздухе и при воздействии окислителей хром покрывается пассивной пленкой, быстро восстанавливающейся при царапании. Полированная поверхность хромовых осадков имеет синеватый блеск и не тускнеет при нагреве до 400 - 450 °С. Покрытия характеризуются высокой твердостью, низкими пластическими свойствами, значительными внутренними напряжениями, исключительно высокой прочностью сцепления со стальной основой, что позволяет рассматривать хромированные детали как биметаллические. Хром обладает антифрикционными свойствами и имеет низкий коэффициент трения скольжения (в паре хром - сталь в условиях сухого трения - 0,15 - 0,18, при наличии смазки - 0,13). Сопротивление механическому изнашиванию хромированных деталей увеличивается в5- 10 раз. Электролитический хром отличается исключительно мелкокристаллической структурой.

В зависимости от условий электролиза, главным образом температуры и катодной плотности тока, получают три типа хромовых покрытий: матовые, блестящие и молочные.

Хромирование преследует две основные цели: придать красивый блестящий вид поверхности (защитно-декоративное хромирование) и повысить сопротивление механическому износу. Исходя из функционального назначения хромовых покрытий, применяют различные типы осадков или их сочетания.

Цинк. Цинкование стальных деталей с целью защиты их от коррозии является самым распространенным процессом в гальванотехнике. Это связано с тем, что стандартный потенциал цинка ( - 0,76 В) значительно электроотрицательнее потенциала железа ( - 0,40 В) и, следовательно, являясь по отношению к железу анодом, цинковое покрытие обеспечивает электрохимическую защиту. Анодная природа антикоррозионного действия цинка сохраняется до температуры 70 °С. При нагревании выше 70 °С электродный потенциал цинка становится более положительным, чем у стали, и поэтому покрытие защищает основной металл только механически.

Срок службы цинковых покрытий зависит от условий эксплуатации. В сухом и чистом воздухе они высокостойки. При наличии в атмосфере влаги и пресной воды осадки покрываются серовато-белой осыпающейся пленкой карбонатных и оксидных соединений (белая ржавчина), которые защищают цинк от дальнейшего разрушения. Защитное действие покрытия сохраняется не только при наличии образующейся при эксплуатации пористости, имеющей коррозионную природу, но и при возникновении механических повреждений в виде царапин или забоин. Благодаря высокой реакционной способности цинк быстро разрушается кислотами и концентрированными щелочами, активно взаимодействует с сероводородом и другими сернистыми соединениями. Именно поэтому скорость коррозии цинковых покрытий в сельской местности составляет 1-1,5 мкм/год, а в промышленных районах, где атмосфера загрязнена разнообразными продуктами техногенного характера, 6—8 мкм/год.

Цинковые покрытия применяются для защиты стальных деталей, эксплуатирующихся в наружной атмосфере и в закрытых помещениях с умеренной влажностью или загрязненных газами и продуктами сгорания (крепежные детали, листы, проволока, детали машин, изделия ширпотреба); соприкасающихся с пресной водой при температуре не выше 60 - 70 °С (водопроводные трубы, резервуары, предметы домашнего обихода); находящихся в контакте с топливом, содержащим сернистые соединения и масла (бензобаки, бензино- и маслопроводы и др.).

Осадки цинка настолько пластичны, что используются для обеспечения свинчивания резьбовых соединений, выдерживают гибку, развальцовку, вытяжку. Внутренние напряжения в цинковых покрытиях невелики. Свеже-осажденный цинк имеет темно-серый цвет и относится к декоративным осадкам. Для придания поверхности более привлекательного вида покрытия осветляют кратковременным погружением в 0,25 - 0,5 %-ный раствор азотной кислоты с последующей защитой слоем лака или периодически обновляемой смазки.

В качестве легирующих компонентов цинковых электролитических сплавов получили распространение Sn, Ni, Fe, Co.

Покрытия Zn-Sn (до 0,5 % Sn) имеют лучшую паяемость и коррозионную стойкость по сравнению с цинковыми.

Легирование цинковых покрытий никелем также оказывает положительное влияние на сопротивление коррозии.

Сплавы Zn-Fe (18—65 % Fe) применяют для защиты стальных изделий, эксплуатируемых при повышенной температуре и в среде, загрязненной хлором.

Покрытия Zn-Co отличаются высокими декоративными свойствами.


29. Электроосажденные легкоплавкие металлы, благородные металлы и их сплавы.

Олово. Основные области применения покрытий оловом - защита изделий от коррозии и обеспечение паяемости различных деталей. Олово по отношению к меди является анодом и защищает ее от коррозии электрохимически в отличие от железа, по отношению к которому оно является катодом и защитное действие определяется лишь сплошностью покрытия, его пористостью. Олово устойчиво в промышленной атмосфере, даже содержащей сернистые соединения, в воде, нейтральных средах. Особый интерес представляет высокая устойчивость олова по отношению к органическим кислотам и некоторым другим органическим соединениям, в том числе содержащимся в пищевых продуктах. В этой среде потенциал олова изменяется настолько, что оно становится анодным по отношению к железу, причем продукты коррозии олова нетоксичны.

При выполнении операции пайки, широко используемой в промышленности, к покрытиям предъявляются требования по обеспечению надежности соединения. Неблагоприятное влияние на качество паяных соединений оказывают примеси некоторых металлов и органических соединений, которые включаются в процессе электрокристаллизации или в результате диффузии компонентов металла основы, например цинка, если покрытие осаждали на латунь.

Электролитические сплавы Sn-Ni, содержащие интерметаллид NiSn, обладают высокой коррозионной стойкостью, повышенной твердостью и износостойкостью, сопротивлением к потускнению, красивым внешним видом. Покрытия этими сплавами являются заменителями декоративного хромирования в производстве металлической фурнитуры, световодов телевизионной кабельной связи, холодильного оборудования, оптической аппаратуры. Они обладают антифрикционными свойствами и способностью удерживать масляную пленку на своей поверхности, благодаря чему нашли применение в автоматических размыкающих системах, переключающих передачах, трущихся частях музыкальных инструментов.

Свинец. Одним из лучших антифрикционных покрытий является свинец. Свинцовые покрытия характеризуются низким коэффициентом трения и хорошей смазывающей способностью при работе в узлах трения в различных условиях. Большим достоинством свинцовых покрытий является также их высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах. Свинцовые покрытия с успехом применяют в узлах трения, работающих в открытой атмосфере, в вакууме, в агрессивных средах. Хотя свинец растворяется в минеральных маслах, его применяют в двигателях, работающих на жидкой смазке, для приработки и смазки узлов трения при запусках и остановках двигателя.

Индий. Индиевые покрытия обладают высокими антифрикционными свойствами. Покрытия индием рекомендуется применять вместо свинца при работе узлов трения в масле, так как индий более стоек в смазочных средах. Недостатком индия является его сравнительно низкая температура плавления, которая не позволяет применять его в изделиях, работающих при температуре выше 130 °С.

Серебро. За последние годы применение благородных металлов в качестве декоративных покрытий снижается, но одновременно расширяется использование их для технических целей в радиоэлектронной, приборостроительной, авиационной промышленности.

Под влиянием содержащихся в атмосфере сернистых соединений на поверхности серебра образуются темные сульфидные пленки, которые затрудняют пайку изделий, приводят к повышению переходного электрического сопротивления. Реакция образования таких пленок интенсифицируется под действием света.

Серебряные покрытия, содержащие до 6 % РЬ, используют при производстве подшипников. Сплавы серебра с 10 - 15 % Sn наряду с высокой твердостью характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Добавки кадмия или цинка придают покрытиям стойкость к потускнению.

Различные количества меди изменяют цвет покрытий серебро-медь от белого до красновато-серого. Осадки сплава серебро-медь плотные, мелкозернистые, пластичные. Медь повышает твердость серебряных покрытий и уменьшает механический износ. На тепло- и электропроводность серебра медь не оказывает заметного влияния. Недостатком сплава является недостаточная стойкость к коррозии и потускнению.

Золото. Сравнительно широкое применение золотых покрытий для технических целей связано как с их химической стойкостью, так и с тем, что благодаря низкому, стабильному в различных условиях переходному электрическому сопротивлению они обеспечивают надежную работу коммутационных элементов. Электролитические сплавы на основе золота, так же как и серебра, находят применение для декоративной отделки изделий и в производстве радиоэлектронной аппаратуры. Легирующими компонентами чаще всего являются Ni, Co, Cu, Ag.

Палладий. Из платиновых металлов наибольшее применение в гальванотехнике получил палладий благодаря значительно меньшей стоимости, чем остальные металлы этой группы, и относительно простой технологии осаждения. Палладиевые покрытия не тускнеют на воздухе до 400 °С, они в 3-4 раза тверже серебряных и золотых осадков, более износостойкие и имеют хорошие электротехнические характеристики. Палладиевые покрытия хорошо паяются и свариваются.

Сплавы Pd применяются для покрытий деталей, работающих в специальных условиях, например пружин в которых слабо выражено трение скольжения, однако наблюдается действие удара при замыкании контактов.

Сплавы Pd-Pt, Pd-Ir, Pd-Ni использую! в электрохимическом синтезе в качестве катализаторов, т.е. веществ, ускоряющих скорость химических реакций.

30. Методы исследования покрытий.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Световая микроскопия. Микроструктуры анализируют с помощью металлографического микроскопа МИМ-7 при светлопольном прямом освещении.

Просвечивающая электронная микроскопия.

Исследования проводят в просвечивающем режиме при ускоряющем напряжении 100 кВ методом тонких фольг.

Растровая электронная микроскопия. С помощью растровой электронной микроскопии изучают структуру гальванических покрытий в широком диапазоне увеличений от 10 до 50000.

5) РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

Прецизионное определение параметров кристаллической решетки, величины микроискажений и размеров блоков в гальванических покрытиях, измерение уровня диффузного рассеяния и фазовый анализ проводят по стандартным методикам на дифрак-тометре ДРОН-2,0. Высокотемпературные исследования проводят с помощью дифрактометрической камеры УВД-2000, сблокированной с вакуумным постом ПОРА-1М. Дифракционную картину записывают потенциометром КСП-4 на диаграммной ленте.

6) МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Оже-электронная спектроскопия. Исследования выполняют на приборе

JAMP-10. Перед загрузкой в исследовательскую камеру образцы промывают в ультразвуковой ванне в спирте и ацетоне для очистки поверхности от органических загрязнений.

Фотоэлектронная спектроскопия. Исследования проводят на электронном магнитном спектрометре с разрешением 1,5 эВ. Для возбуждения электронов использовали излучение алюминия (1486,6 эВ).

7) РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ядерный гамма-резонанс (эффект Мессбауэра). Мессбауэровские исследования проводят на спектрометре ЯГРС-4 в режимах постоянных ускорений

Аннигиляция позитронов. Для измерения угловых распределений анни-гиляционных квантов используют установку с точечно-линейной геометрией с угловым разрешением - 1 мрад



G

G


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

26779. Уточнение корней уравнения. Метод деления отрезка пополам, метод секущих 204.5 KB
  Детальный уровень включает в себя все характеристики среднего уровня с оценкой влияния данных характеристик на каждый этап процесса разработки ПО Организация работы модели в системе GPSS. Операторыблоки формируют логику функционирования модели. Управляющие операторы служат для контроля и управления процессом моделирования прогоном модели. В процессе моделирования транзакты €œсоздаются€ заявки поступают и €œуничтожаются€ заявки уходят так как это необходимо по логике модели.
26780. Аппроксимация функций 101.5 KB
  Конкретные модели файлов используемые в системе управления файлами мы рассмотрим далее когда перейдем к физическим способам организации баз данных а на этом этапе нам достаточно знать что пользователи видят файл как линейную последовательность записей и могут выполнить над ним ряд стандартных операций: создать файл требуемого типа и размера; открыть ранее созданный файл; прочитать из файла некоторую запись текущую следующую предыдущую первую последнюю; записать в файл на место текущей записи новую добавить новую запись в...
26781. Обобщение простейших формул численного интегрирования 188.5 KB
  Основные особенности протокола TCP. TCP Transfer Control Protocol – протокол контроля передачи протокол TCP применяется в тех случаях когда требуется гарантированная доставка сообщений. Первая и последняя версия TCP RFC793 Transmission Control Protocol J. Модуль TCP нарезает большие сообщения файлы на пакеты каждый из которых передается отдельно на приемнике наоборот файлы собираются.
26782. Простейшие формулы численного интегрирования 276.5 KB
  Задача Коши для системы 4.13 может быть сведена к задаче Коши для системы дифференциальных уравнений. Системы можно разделять на классы по различным признакам. Цель любой классификации – ограничить выбор подходов к отображению системы и дать рекомендации по выбору методов ее исследования.
26783. Методы отделения корней уравнения 140 KB
  Основной принцип технологии клиент сервер применительно к технологии баз данных заключается в разделении функций стандартного интерактивного приложения на 5 групп имеющих различную природу: функции ввода и отображения данных Presentation Logic; прикладные функции определяющие основные алгоритмы решения задач приложения Business Logic; функции обработки данных внутри приложения Database Logic функции управления информационными ресурсами Database Manager System; служебные функции играющие роль связок между функциями первых...
26784. Одномерные задачи оптимизации 95.5 KB
  Строки отношения называются кортежами. Количество атрибутов в отношении называется степенью или рангом отношения. Поэтому вводится понятие экземпляра отношения которое отражает состояние данного объекта в текущий момент времени и понятие схемы отношения которая определяет структуру отношения. Схемой отношения R называется перечень имен атрибутов данного отношения с указанием домена к которому они относятся: SR = А1 А2 Аn Аi Di Если атрибуты принимают значения из одного и того же домена то они называются Qсравпимыми где Q ...
26785. Численное дифференцирование. Древовидная структура доменных имен 83 KB
  Для организационных систем и ИС удобно в определении системы учитывать цели и планы внешние и внутренние ресурсы исполнителей непосредственно процесс помехи контроль управление и эффект. Интегративное свойство системы обеспечивает ее целостность качественно новое образование по сравнению с составляющими ее частями. Под элементом принято понимать простейшую неделимую часть системы. Любой элемент системы можно рассматривать как самостоятельную систему математическую модель описывающую какойлибо функциональный блок или аспект изучаемой...
26786. Задачи линейного программирования 432.5 KB
  Поэтому центральным понятием в области баз данных является понятие модели. В соответствии с рассмотренной ранее трехуровневой архитектурой мы сталкиваемся с понятием модели данных по отношению к каждому уровню. Физические модели данных основанные на страничной организации являются наиболее перспективными. Классификация моделей данных Наибольший интерес вызывают модели данных используемые на концептуальном уровне.
26787. Аппроксимация функций 112.5 KB
  Особенности данного этапа: Практически все современные СУБД обеспечивают поддержку полной реляционной модели а именно: структурной целостности допустимыми являются только данные представленные в виде отношений реляционной модели; языковой целостности то есть языков манипулирования данными высокого уровня в основном SQL; ссылочной целостности контроля за соблюдением ссылочной целостности в течение всего времени функционирования системы и гарантий невозможности со стороны СУБД нарушить эти ограничения. отделение организации от...