«Ответы на вопросы материаловедению»

1. Классификация материалов по назначению. Конструкционные материалы

Материалы – это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные – для проведения производственных процессов.

Различают следующие разновидности материалов:

сырье, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате);

полуфабрикат – переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки для того, чтобы стать изделием, годным к потреблению.

Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого.

Для успешного решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, их свойствах и рациональном применении.

Любой материал, каким бы уникальным он ни был, не является самоценным, а предназначен для изготовления изделия, которое может быть использовано как отдельно, так и в качестве детали более сложного оборудования. Таким образом, материал реализует свои свойства только в качестве компонента оборудования. Современные материалы создаются с заранее заданными свойствами, а следовательно, под конкретное, достаточно узкое назначение. Поэтому наименований и марок материалов очень много. Они собраны и классифицированы в специальных государственных стандартах и справочниках.

Поскольку из материалов создается какое-либо изделие, естественно, что в основе классификации чаще всего лежат назначение (например, конструкционные материалы, инструментальные,  электротехнические, строительные и т.п.) и/или основные свойства, определяющие область использования (например, магнитные, проводниковые, полупроводниковые, износостойкие, коррозионно-стойкие и др.). Часто классификация строится по химическому составу материала и/или структуре, которые, опять же, определяют в большей степени его дальнейшее применение (например, сплавы на основе железа, алюминия, меди, никеля, титана и других элементов, слюдяные, композитные, полимерные, металлические материалы и т.п.).

Различные классификации дополняют друг друга, например: классификация по назначению (конструкционные материалы) включает в себя классификацию по свойству (коррозионно-стойкие материалы), которая, в свою очередь, содержит классификацию по структуре и химическому составу (металлические сплавы на основе: 1) железа; 2) алюминия; 3) титана и др.). Выбор единого способа классификации затруднен, поскольку каждый материал обладает разносторонними качествами, любое из которых ценно и может стать основным в каком-либо конкретном случае, не говоря уже о тех ситуациях, когда материал играет, например, и конструкционную и функциональную роль.

Выбор того или иного материала для создания изделия определяется не только значениями эксплуатационных свойств, но и технологичностью, легкодоступностью и стоимостью.

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Конструкционными материалами могут быть металлы и их сплавы (стали), композиты (железобетон), оксиды и их сплавы (стекло), дерево (сосна), полимеры (плексиглас) и др.

Инструментальные материалы предназначены для изготовления различного инструмента и должны обладать высокой твердостью, прочностью, износо- и теплостойкостью. Инструментальные материалы подразделяют на стали, твердые сплавы и сверхтвердые материалы (алмаз, нитрид бора со структурой алмаза). Инструментальные стали, в частности, предназначены для изготовления инструментов следующих типов: режущих, измерительных и штампов холодного и горячего деформирования.

2. Сплавы железа с углеродом. Компоненты и фазы в системе «железо-цементит», их характеристики

Диаграмма состояния железо – цементит представлена в упрощенном виде на рис. 1. Она показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % углерода). 

В рассматриваемой системе существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение (цементит). 

Жидкий сплав (Ж.) существует выше линии ликвидус ACD. Цементит Fe₃C (Ц) – вертикальная линия DFKL.  

 

 

Рис. 1. Диаграмма состояния железо – цементит 

(в упрощенном виде): А – аустенит, Я – перлит, Л– ледебурит, Ф – феррит, Ц – цементит

Область феррита (Ф) располагается левее линии GPQ. Область аустенита (A)-AESG.

На диаграмме точка А (1539°С) соответствует температуре плавления железа, а точка D (1600°С) – температуре плавления цементита. Точка G (911°С) – температура полиморфного превращения железа α↔γ.

Точка Е соответствует предельному содержанию углерода в аустените (2,14% при температуре 1147°С). При понижении температуры растворимость углерода в аустените уменьшается по линии ES. В точке S она составляет 0,8 % при 727°С.

Точка Р – предельное содержание углерода в феррите 0,02% при 727°С. При охлаждении до комнатной температуры растворимость углерода в феррите уменьшается по линии PQ до 0,005%.

При температуре 1147°С жидкий сплав, содержащий 4,3% углерода, кристаллизуется с образованием эвтектики (механической смеси двух фаз аустенита и цементита). При этом образуется структура ледебурита. Точка G на диаграмме – точка эвтектики, линия ECF – линия кристаллизации эвтектики.

При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается на две фазы – цементит и феррит, т.е. происходит эвтектоидное превращение. При этом образуется структура, называемая перлитом. На диаграмме точка S – точка эвтектоида, линия PSK – линия эвтектоидного превращения.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов, содержащих различное количество углерода.

Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, кристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями АС (линия ликвидус) и АЕ (линия солидус). После затвердевания сплавы имеют однофазную структуру – аустенит.

При кристаллизации доэвтектических сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3% С, из жидкой фазы при температурах, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита. При температуре 1147°С оставшаяся жидкость, имеющая эвтектический состав (4,3% С), кристаллизуется, образуя эвтектику ледебурит. После затвердения доэвтектические сплавы состоят из аустенита и ледебурита.

В заэвтектических сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67% С, с понижением температуры до линии ликвидус CD зарождаются и растут кристаллы цементита. При температуре 1147°С жидкость достигает эвтектической концентрации и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита (кристаллизовавшегося из жидкого сплава) и ледебурита.

Эвтектический сплав (4,3% С) кристаллизуется при постоянной температуре с образованием только эвтектики – ледебурита (А + Fe₃C).

После затвердевания железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные изменения. Это связано с полиморфным превращением железа и с изменением растворимости углерода в аустените и в феррите с понижением температуры.

Сплавы, содержащие до 0,02% С (точка Р), испытывают при охлаждении и при нагреве полиморфное превращение γ↔α между линиями GOS и GP. Ниже линии GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ), из феррита выделяется цементит (третичный).

Сплавы, содержащие 0,02–0,8% С, называют доэвтектоидными. Эти сплавы после кристаллизации состоят из аустенита. При температурах ниже линии GOS начинают расти зерна феррита. При достижении 727°С аустенит, не претерпевший превращения, имеет эвтектоидную концентрацию (0,8% С) и распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную структуру перлит. После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру феррит + перлит.

В эвтектоидном сплаве (0,8% С) при температуре 727°С (точка S) весь аустенит превращается в перлит.

При охлаждении заэвтектоидных сплавов (от 0,8 до 2,14% С) до температур, соответствующих линии ES, из аустенита выделяется цементит (вторичный) в результате уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные сплавы состоят из перлита и цементита.

В доэвтектических сплавах вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении (линия SE) происходит частичный распад аустенита с выделением кристаллов вторичного цементита. При 727°С аустенит эвтектоидного состава превращается в перлит. Структура доэвтектических сплавов после окончательного охлаждения состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

Эвтектический сплав (4,3% С) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектические сплавы после полного охлаждения состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

При температурах ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют различную структуру, но фазовый состав их одинаков. Они состоят из двух фаз феррита и цементита.

3. Краски

Красочными составами, или красками, называют суспензии пигментов в пленкообразующих (связующих) веществах или их растворах. После высыхания они образуют на поверхности прочную окрашенную пленку.

В красках пигменты находятся во взвешенном состоянии. Чтобы красочная суспензия была достаточно устойчивой и не расслаивалась (на пигмент и связующее), необходимо, помимо высокой степени дисперсности пигмента, наличие определенного сродства между ними. Это сродство выражается в хорошем смачивании частиц пигмента связующими веществами и образовании вокруг этих частиц сольватных оболочек из связующего. Последнее препятствует образованию прочных агрегатов частиц пигмента между собой и выделению их в виде плотных осадков. В результате этого готовая красочная суспензия становится достаточно стабильной во времени. Однородность ее не нарушается. Перед использованием, кроме легкого перемешивания, не требуется добавочного размола или растирания красочной суспензии. Наоборот, при плохом смачивании пигмента, например при использовании сажи и водорастворимых связующих, однородной красочной суспензии получить нельзя.

Минеральные пигменты сообщают красочному составу определенный цвет и одновременно выполняют роль наполнителя красочной пленки, повышая механическую прочность, теплостойкость и огнестойкость защитных красочных покрытий.

Многие минеральные пигменты повышают атмосферостойкость масляных и лаковых пленок, их стойкость к действию влаги и температуры, задерживают старение пленок. Так, металлические пигменты (алюминий, цинк), отражая световые лучи, задерживают старение пленок органических связующих веществ и повышают их долговечность.

Нежелательное взаимодействие пигмента со связующим веществом особенно часто наблюдается при длительном хранении красок, приготовленных из пигментов, обладающих основными свойствами (окись цинка и др.), и связующих, содержащих свободные жирные кислоты (уплотненные олифы и глифталевые лаки с большим кислотным числом). Как уже отмечалось ранее, такое сочетание приводит к загустеванию и желатинизации красок.

Классификация и характеристика красочных составов

Красочные составы (краски) подразделяют на группы:

– масляные краски;

– эмалевые (лаковые) краски;

– эмульсионные краски;

– клеевые краски;

– силикатные краски;

– известковые красочные составы.

Группы красок различаются по роду связующего (пленкообразующего) вещества (к группе эмульсионных красок относятся составы с различными связующими веществами – маслами, смолами).

Эмалевые краски подразделяют на отдельные подгруппы, в зависимости от вида лаков, используемых для их приготовления. Дальнейшее деление красочных составов внутри каждой группы или подгруппы производится в зависимости от цвета пигмента.

Масляные краски. Масляные краски представляют собой суспензии пигментов в высыхающих растительных маслах или олифах. По консистенции они подразделяются на густотертые (пасты), требующие перед использованием разбавления их олифой до рабочей консистенции, и жидкотертые, уже готовые к употреблению.

Густотертые масляные краски получают, преимущественно, растиранием пигментов с небольшим количеством натуральной олифы. Эти краски в процессе приготовления не разбавляют связующим веществом. Вследствие этого они непригодны для непосредственного применения. Разведение их до требуемой вязкости производится перед употреблением, для чего при перемешивании к пасте добавляют олифу (уплотненную, алкидную или искусственную), а также, если необходимо, растворители и немного сиккатива. Количество добавляемой олифы для разных пигментов в большинстве случаев колеблется от 20 до 40% от веса пасты.

Жидкотертые масляные краски (краски, готовые к употреблению) получают смешением и растиранием пигментов с небольшим количеством олифы и с последующим разведением олифой и растворителем до рабочей консистенции, а также с добавлением сиккатива.

Как густотертые, так и жидкотертые масляные краски используют при самых разнообразных наружных и внутренних малярных работах по металлу, дереву и штукатурке.

В зависимости от цвета пигментов, взятых для их приготовления, краски подразделяют на две основные группы: белила и цветные краски. Для декоративно-живописных работ выпускают декоративные масляные краски, представляющие собой тонкорастертые смеси высокодисперсных пигментов с натуральной олифой и сиккативами. Эти краски бывают белыми, серыми и цветными.

Эмалевые краски. Эмалевые краски, или просто эмали, представляют собой суспензии пигментов в лаках. Их получают замешиванием и растиранием пигментов с растительным маслом (олифой) или лаком, а затем разведением полученной пасты масляным или иным лаком.

Эмалевые краски позволяют получать блестящую (глянцевую) поверхность, стойкую к различным воздействиям. Для придания изделиям большей влагостойкости или для повышения прилипаемости пленки эмали применяют специальные грунтовки, которые наносят непосредственно на поверхность, подготовленную для окраски. Для выравнивания поверхности, заделывания трещин и выщербин используют, кроме того, шпаклевки (шпатлевки). Их наносят по грунту или непосредственно по материалу.

Грунтовки отличаются от эмалевых красок более низким, а шпаклевки более высоким содержанием пигментов (вместе с наполнителями). В эмалевых красках обычно на 1 вес. часть смолы или олифы, содержащихся в лаке, приходится 0,5-1,5 вес. части сухих пигментов и наполнителей, тогда как в грунтовках 0,5-0,7 вес. части, в шпаклевках – 2–4 вес. части.

Грунтовки должны хорошо прилипать к подготовленной для окраски поверхности изделия. Трещины и углубления заполняют шпаклевкой обычно с помощью шпателя, от которого и произошло название этой операции. Шпаклевка должна хорошо прилипать и не растрескиваться после высыхания.

Эмалевые краски выпускают только в готовом к употреблению виде.

Эмалевые краски подразделяют на подгруппы, в зависимости от вида лака, взятого для их приготовления. Наиболее распространены масляные, глифталевые, пентафталевые, нитро-, перхлорвиниловые и некоторые другие эмали, приготовленные на различных смоляных лаках.

Масляные эмалевые краски получают замешиванием и растиранием пигмента с олифой или масляным лаком и разведением масляными и глифталевыми лаками. Обычно берут масляные лаки, приготовленные из уплотненных олиф и глифталевых, пентафталевых и эфироканифольных смол.

Эмали общего потребления в зависимости от вида лака, используемого для их разведения, подразделяют на марки КО и ФО. Эмали марки КО разведены масляным лаком, а марки ФО – глифталевым. Затирают эти эмали, преимущественно, на уплотненных олифах из полувысыхающих растительных масел. В состав лаков, идущих на разведение, в большом количестве входят резинаты кальция и цинка, которые неустойчивы к воздействию воды и нефтепродуктов. Поэтому эмали общего потребления рекомендуются, главным образом, для окраски предметов внутри помещений, кроме полов и предметов, подвергающихся действию повышенных температур и нефтепродуктов. Продолжительность их высыхания от пыли не более 10 час, а полного – не более 72 час.

Глифталевые ГФ и пентафталевые ПФ эмали относятся к эмалям на основе алкидных смол, модифицированных растительными маслами. Они представляют собой суспензии пигментов в соответствующем лаке (глифталевом, пентафталевом) с добавлением сиккативов и растворителей.

Глифталевые и пентафталевые эмали применяют для наружных и специальных работ (например, для электро- и радиоаппаратуры). Их пленки обладают высокой стойкостью к действию влаги и к резким изменениям температуры, вследствие чего они образуют весьма атмосферостойкие покрытия.

Качество покрытий на основе алкидных смол удалось существенно повысить модификацией этих смол мочевино- и меламиноформальдегидными смолами. При совмещении этих смол между ними происходит химическое взаимодействие благодаря наличию реакционноспособных групп. Вследствие этого лаковые и эмалевые пленки быстрее отверждаются (сокращается время сушки) и твердость их возрастает. Увеличивается также стойкость пленок к действию нефтепродуктов.

Эмали на основе алкидных и аминоформальдегидных смол нашли широкое применение для окраски автомобилей, холодильников, стиральных машин, велосипедов, швейных машин, металлической мебели и других изделий и приборов, позволяющих применять горячую сушку. Продолжительность сушки при 130 °С составляет 1 час.

Нитроэмали представляют собой суспензии пигментов в нитролаках с добавлением пластификаторов.

Нитроэмали отличаются большой быстротой сушки (30-40 мин.) и дают твердые прочные пленки, способные полироваться до зеркального блеска, а также сравнительно стойкие к воздействию влаги, слабых кислот и щелочей.

Основными недостатками пленок нитроэмалей являются их горючесть и не очень высокая адгезионная способность. Однако горючесть коллоксилина в пленках эмали сильно снижена пластификаторами и минеральными пигментами. Повышение прилипаемости пленок достигается пластификаторами, добавлением глифталевых и глифталемасляных смол, применением грунтовок.

В зависимости от назначения нитроэмали отличаются друг от друга видом и количеством добавляемых пластификаторов и смол.

Нитроэмали НКО предназначены для внутренних отделочных и строительных работ кистевым способом. Нитроэмали марки ДМО применяются для окраски деревянных и металлических поверхностей, а нитроэмали марки НК–36 – для окраски кожаных изделий (покрывное крашение).

Перхлорвиниловые эмали приготовляют затиранием пигментов с пластификаторами и разведением перхлорвиниловым лаком, содержащим глифталевые и глифталемасляные смолы, присутствие которых повышает адгезионную способность эмалей.

Перхлорвиниловые эмали дают пленки весьма стойкие к действию влаги и химических реагентов. Негорючесть и атмосферостойкость этих пленок обусловили широкое применение перхлорвиниловых эмалей для защитных покрытий по дереву и металлам. На основе перхлорвиниловых лаков разработаны фасадные краски.

Кроме перхлорвиниловых, на основе синтетических смол изготовляют и другие эмали, такие как эмали на основе кремнийорганических, эпоксидных и других смол. Для деревянных изделий предназначены спиртовые эмали на основе спиртовых идитольных лаков, однако они невлагостойкие. Для отделки кожи покрывным крашением используют эмали на основе полиакриловых лаков.

Эмульсионные краски. Водоэмульсионные краски приготовляют на основе водных эмульсий олиф и лаков, изготовленных на основе нитроцеллюлозы и синтетических смол.

Стабильность эмульсий достигается введением эмульгаторов (соли синтетических жирных кислот и др.), диспергаторов наполнителей и пигментов (полифосфаты). Пластификаторы повышают эластичность пленок, другие добавки придают водоэмульсионным краскам антикоррозионные, противогрибковые и другие свойства.

Эмульсионные масляные краски приготовляют, в основном, следующими способами: эмульгированием олифы в водном растворе или водного раствора в олифе (в присутствии эмульгаторов) и последующим перетиранием пигментов на эмульсии (эмульсионной олифе); замешиванием водной пасты пигмента с обычной или эмульсионной олифой.

Краски на эмульсиях масла (олифы) в воде дают экономию растворителей. Они менее огнеопасны и имеют меньший запах. Однако пленки их вследствие невысокого содержания олифы в эмульсии отличаются матовостью и недостаточной стойкостью к действию воды. Поэтому такие эмульсионные краски используют, в основном, для внутренних работ, главным образом по штукатурке и дереву, а также для окраски поверхностей, мало подвергающихся воздействию воды.

При использовании красок на эмульсиях воды в масле (олифе) также достигается определенная, хотя и меньшая, экономия растворителей. Эти эмульсии содержат больше олифы и дают блестящие пленки, мало отличающиеся от обычных масляных красок. Они применяются обычно для малярных работ.

Водоэмульсионные краски содержат водные эмульсии пленкообразующих веществ. Краски на основе стирол-бутадиенового латекса и водных дисперсий поливинилацетата и его сополимеров, а также акриловых смол почти не имеют запаха, неогнеопасны и быстро высыхают (1–3 часа). Пленки их имеют достаточно высокую атмосферостойкость, хорошую адгезию к дереву, бетону, кирпичу и др. Благодаря устойчивости к действию щелочи их можно наносить по свежей штукатурке и цементу.

Для водоэмульсионных красок на основе поливинилацетата (ВА) применяется поливинилацетатная эмульсия, получаемая при эмульсионной полимеризации винилацетата в водной среде. Для повышения эластичности пленок эмульсии в нее вводят значительные количества пластификатора – дибутилфталата.

Эмульсионные краски на основе полиакриловых смол (АК) и их сополимеров используются при отделке обувных (для верха обуви), одежных и галантерейных кож посредством покрывного крашения их лицевой поверхности.

Водоэмульсионные краски разбавляются водой и легко наносятся на древесину и строительные конструкции. Они быстро сохнут (1–3 часа), неогнеопасны, имеют слабый запах.

Недостатком водоэмульсионных красок является нестабильность эмульсии при низких температурах (ниже 0°С) и при длительном хранении.

Маркировка красочных составов

Для масляных, эмалевых и эмульсионных красок введены сокращенные обозначения, состоящие из пяти групп знаков, следующих одна за другой слева направо. Первая группа определяет вид красочного состава и обозначается словами: краска, эмаль или краска эмульсионная. Для масляных красок, состоящих из одного пигмента, при обозначении первой группы знаков вместо слова краска указывают наименование пигмента (например, белила цинковые, охра).

Вторая группа знаков определяет род связующего вещества и обозначается двумя буквами: АС – алкидно-акриловые; АЦ – ацетилцеллюлозные; БТ – битумные; ГФ – глифталевые; КФ – канифольные; КЧ – каучуковые; МС – масляно-стирольные; МА – масляные; ПФ – пентафталевые; ФП – фторопластовые; ШЛ – щелочные; Э – водоэмульсионные.

После буквенных обозначений проставляется цифра, характеризующая свойства красок: 0 – густотертые; 1 – атмосферостойкие; 2 – ограниченно атмосферостойкие; 3 – для временной защиты окрашиваемой поверхности; 4 – водостойкие; 5 – стойкие к излучениям; 6 – маслобензостойкие; 7 – химически стойкие; 8 – термостойкие; 9 – электроизоляционные.

Затем следует цифра, обозначающая для масляных красок вид олифы, на которой они изготовлены: 1 – натуральная; 2 – оксоль; 3 – глифталевая; 4 – пентафталевая; 5 – комбинированная. Для других видов красок эта цифра – порядковый номер (заводской) состава.

Иногда перед буквенным обозначением немасляных красок стоит буква, характеризующая свойства материала: В – водоразбавимый; П – порошковый; Э – водоэмульсионный. Буквы после цифр означают: М – матовый; ПМ – полуматовый; ГС – горячей сушки.

Клеевые, силикатные и известковые краски

В клеевых красочных составах пленкообразующим веществом является казеин (казеиновые краски) или другая клеевая основа (костная, крахмальная, мучная, мездровая), которая растворяется в воде. Для получения краски готовят суспензию пигмента с наполнителем (мелом) в клеевом растворе. Такие краски легко смываются водой и используются для работ внутри помещений.

Более водостойкие казеиновые краски получают, добавляя известь – пушонку к суспензии. Такие краски могут применяться для наружных работ (фасадные краски). Их выпускают в виде сухого порошка и паст.

Силикатные краски получают в виде суспензии пигментов в водном растворе жидкого стекла. Они применяются для окраски поверхностей строительных конструкций; при этом образуются блестящие цветные стеклообразные покрытия, недостаточно устойчивые к атмосферным воздействиям.

Известковые краски  –  это суспензии щелочеустойчивых пигментов и извести в воде. При высыхании покрытия образуется водостойкая красочная пленка, содержащая углекислый кальций, однако менее интенсивно окрашенная, чем силикатные покрытия.