«Ответы на вопросы материаловедению»

1. Рекристаллизационный отжиг

Рекристаллизационный отжиг – отжиг деформированного (наклепанного) металла при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации для устранения явления наклепа, повышения пластичности и получения определенной величины зерна. Рекристаллизационный отжиг применяют перед и между холодной обработкой давлением. 

Процессу рекристаллизации наклепанного металла предшествует возврат. Под возвратом понимается процесс повышения структурного совершенства наклепанного металла путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов, перераспределения и частичной аннигиляции дислокаций без образования новых межзеренных границ (отдых) или с образованием и миграцией только малоугловых границ (образование субзерен – полигонизация). 

После возврата некоторые характеристики металла возвращаются к значениям, свойственным ненаклепанному состоянию.

Рекристаллизационный процесс, совершающийся при дальнейшем нагреве наклепанного материала, представляет собой первичную рекристаллизацию. В результате нее уменьшается или полностью устраняется то дополнительное количество структурных дефектов, которое было внесено предшествовавшей деформацией. Первичная рекристаллизация совершается в результате возникновения и движения большеугловых (межзеренных) границ.

Дальнейший нагрев материала, претерпевшего первичную рекристаллизацию, приводит к собирательной рекристаллизации. Она наступает после того, как выросшие центры рекристаллизации приходят во взаимное соприкосновение. Основная движущая сила собирательной рекристаллизации – стремление к уменьшению энергии межзеренных границ за счет сокращения их протяженности. Собирательная рекристаллизация совершается только за счет движения таких границ (без образования новых). Причем границы движутся к центрам своей кривизны так, чтобы углы в стыках зерен приближались к 120°. При этом поглощаются зерна, имеющие более остроугольный сектор в стыках трех зерен. Чем больше углы отличаются от 120°, тем быстрее идет миграция границ. При наличии дисперсных включений рост зерен может остановиться до достижения равновесных значений углов. Чем меньше зерна, поглощаемые соседними, тем больше кривизна их границ и тем быстрее идет их дальнейшее поглощение.

Процессу вторичной рекристаллизации, которая идет вслед за собирательной, способствуют различные причины, приводящие к выигрышу в зернограничной, объемной или поверхностной энергии. При вторичной рекристаллизации некоторые зерна растут со значительно большей скоростью, чем другие, т.е. играют роль вторичных центров рекристаллизации. Как и собирательная рекристаллизация, вторичная осуществляется лишь за счет миграции большеугловых границ. Отличительный признак вторичной рекристаллизации – своеобразное распределение зерен по размерам и его изменение в ходе процесса: наличие не одного, а двух характерных средних размеров зерен – разнозернистость, которая исчезает лишь с завершением процесса. Причинами преимущества некоторых зерен в скорости роста могут быть:

• меньшая, чем у других зерен, величина объемной энергии (меньшая концентрация объемных дефектов);

• большие, чем у других зерен, размеры;

• иная, чем у основной массы зерен, кристаллографическая ориентация;

• меньшая поверхностная энергия на границе металл-атмосфера тех кристаллографических граней, которыми эти зерна выходят на поверхность изделия.

 

2. Резина

В процессе вулканизации (технологический процесс резинового производства) происходит превращение каучука в резину, что обусловлено соединением макромолекул каучука в вулканизационную сетку, образуемую поперечными химическими связями. В создании этих связей участвуют вулканизующие агенты (сера, органические перекиси, синтетические смолы и др.), ускорители вулканизации (органические сульфиды и др.), активаторы (ZnO, MgO и др.), мягчители и другие ингредиенты. При изготовлении резины в каучуки также добавляются минеральные или углеродные порошкообразные наполнители (мел, тальк, каолин, сажа – технический углерод). В результате вулканизации повышаются прочность, твердость, эластичность, тепло- и морозостойкость каучука, снижается степень его набухания в органических растворителях.

Резины применяются в качестве изоляции и защитной оболочки кабельных изделий.

Кроме каучука и вулканизирующего вещества в состав резиновой смеси входят и другие компоненты (ингредиенты), придающие резинам определенные свойства:

ускорители вулканизации (альтакс, каптакс, тиурам в количестве 1–2% от веса каучука) сокращают время вулканизации и повышают качество резины;

усилители (активные наполнители) – сажа, каолин, цинковые белила и др. в количестве до 50% от веса каучука. Служат для улучшения того или иного свойства резины;

неактивные наполнители (отмученный мел, асбестовая мука) в количестве 30–40% от веса каучука вводятся для удешевления резины без заметного ухудшения ее свойств;

противостарители (сантофлекс А, неозон Д) в количестве 0,5–2,5% от веса каучука вводятся для замедления старения резины под действием кислорода воздуха, солнечных лучей и других факторов;

мягчители и пластификаторы (стеариновая кислота, мазут, вазелиновое масло, сосновая смола и др.) в количестве от 3 до 20% веса каучука улучшают смешиваемость компонентов резиновой смеси и делают ее более пластичной и липкой;

красители используются для окрашивания светлых резиновых смесей в соответствующие цвета. Применяются пигменты минерального и органического происхождения;

регенерат – резина из утильных покрышек, камер для замены каучуковой составляющей резиновой смеси.

Свойства резин. Определяющее влияние на свойства резин оказывает каучуковая основа, от которой зависят их физико-механические, прочностные, защитные и другие свойства.

На механические свойства резин определяющее влияние оказывает температура, с повышением которой снижаются их прочность и твердость. При этом скорость снижения значений механических свойств выше у резин на основе ненасыщенных каучуков, а для кремнийорганических каучуков эта скорость минимальна.

Важнейшими характеристиками многих типов резин являются их износостойкость и коэффициент трения. Для резин, как и для других твердых материалов, различают виды изнашивания:

усталостный;

абразивный;

коррозионно-механический;

эрозионный;

«скатывание» – является специфическим видом изнашивания для резин, когда при трении микронеровности поверхности резины деформируются в скатку и отрываются от поверхности.

Кроме вышеперечисленных свойств качество резин оценивается по:

морозостойкости;

термостойкости или сопротивлению термическому старению;

озоностойкости;

биостойкости;

стойкости в жидких средах;

диэлектрическим свойствам;

пожароопасности и коррозионной агрессивности по методикам, общим для полимерных материалов.

Классификация резин. Резины поставляются потребителю в виде:

полуфабрикатов – резиновых смесей, готовых для переработки в изделия путем формования, армирования и вулканизации;

вулканизированных пластин, шнуров;

готовых изделий – лент, ремней, рукавов и шин.

Готовые резины (вулканизаторы) делятся на две основные группы – общего и специального назначения.

Резины общего назначения изготовляют на основе натурального каучука, бутадиеновых, изопреновых, бутадиен-стирольных, хлоропреновых, бутилкаучуков и их комбинаций. Эти резины работоспособны в интервале температур от 50 до 150°С, и основными областями их применения являются изготовление:

– пневматических шин и камер;

– конвейерных лент;

– приводных ремней;

– других резинотехнических изделий.

Резины специального назначения включают несколько их видов, применяемых в специфических условиях эксплуатации:

теплостойкие резины на основе этиленпропиленовых и бутилкаучуков работоспособны при температуре 150–200°С и более, для резин на основе элементоорганических каучуков;

морозостойкие резины получают на основе каучуков с низкой температурой стеклования (кремнийорганические) или обычной температуры стеклования при введении в них специальных пластификаторов;

масло- и бензостойкие резины на основе бутадиен-нитрильных, полисульфидных, уретановых, хлоропреновых, винилпиридиновых и фторсодержащих каучуков работоспособны при длительном контакте с нефтепродуктами и растительными маслами;

резины, стойкие к действию агрессивных сред (кислот, щелочей, озона и т.д.), получают на основе бутилкаучука, кремнийорганических, фторсодержащих и акриловых каучуков, а также хлорсульфированного полиэтилена;

электропроводящие и магнитные резины изготовляют на основе полярных каучуков с электропроводящими и магнитными наполнителями;

диэлектрические (кабельные) резины получают на основе кремнийорганических, изопреновых и других каучуков с неорганическими наполнителями;

радиационностойкие резины из фторсодержащих и бутадиен-стирольных каучуков наполняют оксидами свинца и бария.

Кроме вышеуказанных видов резин специального назначения выделяют также вакуумные, вибро-, водо-, огне- и светостойкие, оптически активные, фрикционные, пищевые и др.

Готовые резинотехнические изделия представляют собой, как правило, композиционные детали из резины и армирующего каркаса. Наиболее распространенными из них являются:

амортизаторы, подшипники и шины, армированные металлическим кордом или проволокой;

рукава, трубки и шланги (неармированные, с текстильным и металлическим каркасом);

уплотняющие манжеты и другие изделия.

 

3. Поверхностная закалка

Поверхностная закалка – это термическая обработка, при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина изделия остается неза­каленной. В результате поверхностный слой обладает высокой прочностью, а сердцевина изделия остается пластичной и вяз­кой, что обеспечивает высокую износостойкость и одновремен­но стойкость к динамическим нагрузкам.

Таким образом, назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатыва­емых изделий. При этом сердцевина остается вязкой и изделие вос­принимает ударные нагрузки.

Наибольшее распространение получил метод поверхностной за­калки при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ).

Схема устройства для закалки с нагревом токами высокой частоты представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема устройства для закалки с нагревом токами высокой частоты: 1 – закаливаемая деталь; 2 – индуктор; 3 – охладитель

 

Деталь 1 помещают в индук­тор 2, который представляет собой медные трубки с циркулиру­ющей внутри водой для охлаждения. К индуктору подводят пе­ременный электрический ток. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле. Магнитный поток индуцирует в ме­талле изделия вихревые токи, вызывающие нагрев поверхнос­ти. Основное количество тепла выделяется в тонком поверхностном слое. Глубина нагрева зависит от свойств металла и час­тоты тока. Чем больше частота тока, тем тоньше получается за­каленный слой.

После нагрева в индукторе деталь охлаждается с помощью специального охлаждающего устройства 3. Через имеющиеся в нем отверстия на поверхность детали разбрызгивается охлажда­ющая жидкость. Закаленные изделия подвергают отпуску при 160-200°С.

Преимущества поверхностной закалки ТВЧ:

–  регулируемая глубина закаленного слоя;

–  высокая производительность;

–  возможность автоматизации;

–  отсутствие обезуглероживания и окалинообразования;

–  минимальное коробление детали.

Недостатком является высокая стоимость индуктора, инди­видуального для каждой детали.

Особенностью индуктивного тока является его неодинаковая плотность по сечению изделия. В основном ток концентрируется в поверхностном слое изделия. Тол­щина (м) закаленного слоя может быть подсчитана по формуле

где ρ – электросопротивление, Ом·м; μ – магнитная проницае­мость, Гн/м; f– частота, Гц.

Чем меньше f (частота тока), тем больше глубина нагреваемого слоя. Если применять ток малой частоты (промышленный), то ин­дуцированный ток будет течь по всему сечению детали и вызывать сквозной нагрев. Индукционный нагрев обеспечивает высокие ско­рости нагрева. Скорость нагрева ТВЧ в зависимости от f, ρ, μ со­ставляет 50–500°С/с, а при обычном печном нагреве она не превы­шает 1–3°С/с. Нагрев до температуры закалки осуществляется за 2–10 с. Глубина слоя 2–5 мм. Большие скорости нагрева приводят к тому, что превращение перлита в аустенит смещается в область более высоких температур, поэтому температура закалки при ин­дукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5–3°С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше температура аустенизации и получения при охлаждении нормальной структуры (мелкокрис­таллического мартенсита) и максимальной твердости. Так, например, при печном нагреве стали 40 температура закалки 840–860°С, при индукционном нагреве со скоростью 250°С/с – 880–920°С, а со скоростью 500°С – 980–1020°С.

Охлаждающую жидкость (вода, водные растворы полимеров) для закалки обычно подают через спрейер (душевое устройство). Разли­чают следующие способы закалки с индукционным нагревом:

1)  одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяется для изделий, имеющих небольшую упрочняе­мую поверхность (инструменты, валики, пальцы);

2) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; этот ме­тод применяют для закалки длинных валов, осей и т.д.;

3)  последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный метод используют при закалке шеек коленчатых валов (пос­ледовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), кулачков распределительных валов и т.д.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160–200°С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающей закален­ный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4–0,5% С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (HRC 50–60), сопротивля­емость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

Структура на поверхности – мартенсит отпуска, а в сердцевине, если сталь предварительно термически не обработана, сохраняется ферритно-перлитная структура. Для улучшения механических ха­рактеристик перед закалкой ТВЧ проводят улучшение на зернистый сорбит или нормализацию.

После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита значительно меньше (10–12 баллов), чем при обычной закалке с печным нагревом (7–8 баллов). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве. При этом образуется мелкоигольчатый мартенсит с твердо­стью на 3–6 ед. HRC выше, чем при печном нагреве.

          При поверхностной закалке значительно повышается предел выносливости стали. Так, для стали 40 после нормализации он составля­ет 150 МПа, а после закалки с индукционным нагревом – 420 МПа. Повышение предела выносливости объясняется образованием в за­каленном слое остаточных напряжений сжатия. Это особенно важ­но для различных осей и валов, работающих на изгиб и кручение, у которых максимальные напряжения растяжения возникают в по­верхностных слоях.