Главная Обратная связь

Дисциплины:






ЧИСТІ МЕТАЛИ І НАПІВПРОВІДНИКОВІ



МАТЕРІАЛИ. МЕТАЛОКЕРАМІЧНІ МАТЕРІАЛИ

 

§ 19. Чисті метали і напівпровідникові матеріали

З розвитком технології металургійних процесів було встановлено, що при старанному очищенні від домішок деякі метали значно змінюють свої властивості. Так, тугоплавкі метали вольфрам, молібден, тантал, хром, ніобій довгий час використовувались обмежено через недостатню їх пластичність. Було встановлено, що крихкість цих металів зумовлена наявністю навіть слідів деяких домішок, головним чином газів — азоту в хромі, кисню в ніобії, водню в титані та ін. Звичайно, ці та інші домішки впливають не тільки на механічні, а й на фізико-хімічні властивості металів.

Потреба в металах високої чистоти спочатку виникла в зв'язку з розвитком промисловості жароміцних матеріалів. Було встановлено, що жароміцність багатьох сплавів значною мірою залежить від наявності в них домішок олова, свинцю, вісмуту, миш'яку, вміст яких не повинен бути більшим від однієї десятитисячної частки процента, тобто менше грама на 1 т жароміцного сплаву.

Важливим етапом у розвитку промисловості чистих металів та інших матеріалів стало створення атомної енергетики. Уран і торій, використовувані як ядерне пальне, берилій, цирконій, вісмут, кадмій та ряд інших конструкційних або технологічних металів треба особливо старанно очищати від домішок, особливо тих, що мають великий переріз захоплення нейтронів. До таких елементів належать бор, літій, кадмій і деякі з рідкоземельних елементів. Так, домішки бору в урані як ядерному паливі не повинні перевищувати стотисячних часток процента (десятих часток грама на тонну урану). Цирконій, з якого виготовляють оболонки уранових стержнів, також піддають складному очищенню від домішок гафнію, що має переріз захоплення нейтронів у сотні раз більший, ніж чистий цирконій.

Ще більша чистота потрібна для напівпровідникових матеріалів. Наприклад, в одному з найважливіших напівпровідникових елементів — германії — домішки міді і нікелю не повинні перевищувати однієї десятимільйонної частки процента, тобто одного міліграма на тонну, або одного атома домішки на мільярд атомів германію. Ще вищі вимоги ставлять щодо чистоти напівпровідникового елемента кремнію. При цьому слід зазначити, що, крім високої чистоти, у напівпровідникових матеріалах допускається мінімальна кількість дефектів кристалічної будови, тобто їх використовують у вигляді монокристалів. Готові напівпровідникові пластинки, з яких виготовляють прилади, додатково піддають хіміко-термічній обробці (легуванню), щоб мати так звані рn– або nр–пере­ходи. Усе це дуже ускладнює технологічні методи виробництва напівпровідникових матеріалів.



Поряд з германієм, кремнієм, селеном у практиці широко застосо­ву­ються напівпровідникові сплави деяких металів, а також сполуки — оксиди, сульфіди, селеніди та ін. Таким чином, розвиток нових галузей науки і тех.­ніки поставив вимогу створити нову галузь металургійної промисловості — виробництво металів високої чистоти і їх очищення. Тому в сучасних умовах чисті метали умовно поділяють на три групи: технічно чисті, хімічно чисті і особливо чисті. У технічно чистих металах вміст основного металу звичайно не перевищує 99,9 %, у хімічно чистих він не менший за 99,99 % і в особливо чистих — не менший від 99,999 %.

 

§ 20. Загальні відомості про металокерамічні матеріали

Металокерамічні матеріали виробляють методом порошкової металургії. Суть цього методу така. Спеціально підготовлені порошки металів або металів і неметалів (графіту, оксидів, карбідів тощо) пресують під тиском 150—300 МН/м2 (1500— 3000 кГ/см2) у прес-формах і дістають заготовки, які потім спікають в інертному або відновному середовищі. Деякі матеріали спікають у процесі пресування (гаряче пресування).

Порошкова металургія дає змогу виготовляти заготовки і готові вироби з специфічними властивостями, яких не можна досягти іншим шляхом. Металокерамічні вироби, як правило, не потребують додаткової механічної обробки. Виготовлення їх відзначається великою економічністю у витрачанні матеріалів — відходи при цьому не перевищують 2—5%.

§ 21. Види металокерамічних матеріалів

Продукція порошкової металургії дуже різноманітна. До основних видів металокерамічних матеріалів належать антифрикційні, фрикційні, пористі, електротехнічні, магнітні, інструментальні та ін.

Антифрикційні матеріали — це композиції, які дістають пресуванням і спіканням порошків заліза або бронзи з 2—5 % графіту. Називають їх відповідно залізографітом і бронзографітом. Умови пресування і спікання цих металів вибирають такими, щоб їх пористість перебувала в межах 15—30 %. Після спікання матеріали просочують мінеральним маслом. Своєрідна структура (графіт і заповнені маслом пори) забезпечує цим матеріалам малий коефіцієнт тертя, високу стійкість проти спрацювання і здатність працювати в багатьох випадках без додаткового змащування. Застосовують їх для виготовлення підшипників ковзання різного устаткування і приладів.

Фрикційні матеріали, навпаки, відзначаються високим коефіцієнтом тертя, тому їх застосовують для виготовлення деталей гальмівних пристроїв, дисків зчеплення і т. п. Виготовляють ці матеріали на залізній і мідній основах з добавками свинцю, графіту, азбесту, кремнезему та ін. Матеріали на залізній основі призначені для роботи в умовах сухого тертя, а на мідній — у масляному середовищі.

Пористі матеріали застосовують для фільтрування рідин і газів. Металокерамічні фільтри характеризуються простотою виготовлення, високою механічною міцністю і стабільністю фільтрувальних властивостей по всій площі фільтра, а якщо їх виготовити з корозійно– і жаростійких матеріалів (нержавіючої сталі, бронзи, нікелю, титану), то вони дають можливість фільтрувати хімічно активні високотемпературні рідини і гази. Ме­та-ло­керамічні фільтри виготовляють із сферичних порошків (шроту) діаметром 0,05—0,8 мм, що дає змогу мати пори величиною 0,2—0,32 мм.

Серед електротехнічних виробів велике місце займають металокерамічні розривні кон­так­­ти — композиції з порошків тугоплавкого металу (W, Мо) з металом високої електро­про­відності (Cu, Ag) і ковзаючі контакти — композиції графіту з порошками міді або бронзи.

З магнітних матеріалів методом порошкової металургії виготовляють магнітодіелектрики (композиції порошків магнітом'якого заліза високої чистоти, пермалою, альсиферу та інших сплавів з органічною смолою, склом та іншими діелектриками) і так звані ферити (матеріали, які добувають з оксиду заліза Fe203 і оксидів деяких інших металів — нікелю, марганцю, цинку та ін.).

Інструментальні металокерамічні матеріали (тверді сплави) виготовляють з порошків карбідів WC, ТіС, ТаС з додаванням порошку кобальту. Вони характеризуються високою твердістю (HRA 85—92) і теплостійкістю (900— 1000 °С). Застосовують їх для оснащення ріжучого інструменту, який працює при великих навантаженнях і швидкостях різання.

РОЗДІЛ VIII

КОРОЗІЯ МЕТАЛІВ

 

Корозією називається процес руйнування металів при взаємодії їх з навко­лиш­нім середовищем. Інтенсивність корозійного руйнування визначається при­родою і структурою металу, а також хімічними властивостями і тем­пе­ра­ту­рою середовища.

Розрізняють рівномірну, місцеву і міжкристалічну корозію. При рівно­мір­ній корозії метал руйнується з однаковою швидкістю по всій поверхні, при місце­вій —тільки на окремих її ділянках. Міжкристалічна корозія роз­ви­ва­єть­ся по границях зерен металу. Залежно від механізму взаємодії металу з навколишнім середовищем корозію поділяють на хімічну і електрохімічну.

 

§22. Хімічна корозія

Хімічною корозією називають руйнування металу під дією гарячих газів і рідин–неелектролітів. Прикладом хімічної корозії може бути окислення арматури полуменевих печей, лопаток газових турбін, вихлопних клапанів у двигунах внутрішнього згоряння, електронагрівних елементів, а також окислення металу в рідинах органічного походження (бензин, спирт тощо).

Інколи при хімічній корозії на поверхні металу утворюються суцільні плівки оксидів великої густини, які захищають метал від подальшого руйнування. Такі властивості мають, наприклад, плівки оксидів хрому, нікелю, олова, міді, алюмінію та ін. В атмосфері сухого повітря при звичайній температурі плівки великої густини утворюються й на залізі. Проте з підвищенням температури вони швидко потовщуються, стають пухкими і відшаровуються від металу. Для оксидів кальцію, магнію, вольфраму також характерна велика пухкість, тому вони не мають захисних властивостей.

 

§ 23. Електрохімічна корозія

Електрохімічна корозія розвивається в електролітах — водних розчинах, що проводять струм. У цьому випадку атоми металу переходять у розчин у вигляді іонів. Інтенсивність такого розчинення визначається величиною електродного потенціалу металу: чим він більш негативний, тим швидкість розчинення металу вища.

При зануренні в електроліт двох металів, що контактують і мають різні електродні потенціали, утворюється гальванічна пара і починається процес розчинення металу з більш негативним електродним потенціалом — анода.

При зануренні в електроліт неоднорідних за структурою сплавів на їхній поверхні утворюється безліч мікрогальванічннх пар, що призводить до розчинення фаз або структурних складових, які є анодами. Коли між зернами металу і їх межовими ділянками є велика різниця потенціалів, ці ділянки руйнуються, тобто відбувається міжкристалічпа корозія. Цей вид корозії спостерігається в хромистих і хромонікелевих сталях при виділенні на границях зерен карбідів хрому.

§ 24. Захист металів від корозії

Найпоширенішим способом захисту металів від корозії є нанесення захисних покриттів: оксидних, металевих або неметалевих.

1. Оксидні покриття — це плівки оксидів, що утворюються під час так званого оксидування — хімічної або електрохімічної обробки металів.

Плівки оксидів на виробах із сталей і чавунів мають колір від коричневого до синювато–чорного, тому процес оксидування цих металів називають воронуванням. Найчастіше застосовують хімічне воронування. Для його здійснення вироби поміщають у концентрований розчин лугів NaOH і окислювачів (NaNO2 або NaNO3) з температурою 140 °С на час від 20 хв до 2 год. При цьому утворюється плівка оксидів завтовшки 0,5—1,2 мкм, яка і захищає вироби від корозії в сухій атмосфері. Просочування маслом підвищує захисні властивості плівки.

Алюміній і його сплави звичайно піддають електрохімічному оксидуванню — анодуванню. Як електроліт для цього найчастіше застосовують 20 %–іний розчин сірчаної кислоти. Процес ведуть при температурі 15—20 °С, густині струму 1,0—1,5 А/дм2 і напрузі близько 10 В. В результаті утворюється плівка оксидів завтовшки до 10 мкм. Додатковою обробкою у ваннах з органічними барвниками або розчинами солей плівці можна надати : різного кольору — від жовтого до чорного.

Мідь і її сплави піддають хімічному оксидуванню в розчині персульфату калію та їдкого натру або електрохімічному оксидуванню в розчині їдкого натру. Плівка оксидів чорного кольору утворюється завтовшки 1 мкм. Вона має задовільну корозійну стійкість у вологій атмосфері та інших слабко агресивних середовищах.

2. Металеві покриття за принципом захисної дії поділяють на анодні і катодні.

Анодні покриття в електролітному розчині мають більш негативний потенціал, ніж основний метал. Тому в агресивному середовищі такі покриття кородують першими і перешкоджають руйнуванню основного металу. Анодні покриття не бояться механічних пошкоджень.

Катодні покриття, навпаки, мають більш позитивний потенціал, ніж основний метал. При порушенні суцільності катодного покриття (подряпини, інші механічні пошкодження) кородує головним чином основний метал.

Анодними покриттями для сплавів на основі заліза є цинкові і кадмієві, катодними— нікелеві, хромові, олов'яні.

Металеві покриття роблять електролітичним або хімічним осадженням, гарячим нанесенням, плакуванням, металізацією напиленням.

Електролітичне осадження проводять у ваннах з розчином електроліту, який містить іони осаджуваного металу. Вироби, що покриваються, є катодом, а як анод використовують пластини металу, який утворює покриття.

Електролітичні покриття виготовляють як з чистих металів (Zn, Cd, Ni, Cr, Ag, Au, Pt та ін.), так і з їх сплавів (Cu — Sn, Sn — Ni, Ni — Co, Au — Ag, Au — Cu та ін.). Для підвищення густини електролітичні покриття іноді роблять багатошаровими, наприклад: Cu+Ni; Ni+Cu+Ni; Ni+Cu+Ni+Cr.

Поряд із захисними електролітичні покриття мають і ряд інших властивостей — підвищену відбивну здатність і стійкість проти спрацювання (наприклад, покриття хромом); вони відзначаються добрими декоративними якостями.

Хімічне осадження здійснюють зануренням виробів у розчин солі металу з більш електропозитивним потенціалом.

При цьому метал, що витісняється з розчину, осаджується на поверхні виробу. Хімічне осадження застосовують звичайно для покриттів із золота, срібла, олова та інших металів на ювелірних виробах і складних за формою дрібних виробах побутового призначення.

Гаряче нанесення полягає в зануренні виробів, що покриваються, у розплавлений метал, звичайно у цинк, олово, свинець. Цей спосіб відзначається простотою виконання і великою продуктивністю.

Гаряче цинкування застосовують для покривання стальних листів, труб, дроту, посуду; покривання оловом (лудіння) — при виготовленні білої жерсті для консервних банок; свинцювання — для захисту хімічної апаратури від дії сірчаної кислоти і сірчистих газів.

Плакуванням називають операцію, при якій пакет з двох листів металу-покриття і розміщеної між ними плити основного металу або заготовку круглого перерізу, залиту металом-покриттям, піддають гарячому прокатуванню. При цьому міцного з'єднання металів досягають за рахунок дифузійних процесів. Товщина плакувального шару становить 8—20% від загальної товщини листа.

Плакуванням виготовляють біметалеві листи або дріт такого типу: сталь— мідь, сталь — алюміній, вуглецева сталь — нержавіюча сталь, дуралюмін — алюміній та ін.

Металізація напиленням полягає ось у чому. Дріт (або порошок) металу-покриття надходить у пістолетоподібний апарат — металізатор, плавиться ацетилено–кисневим полум'ям або електричною дугою і потім розпилюється стисненим повітрям у напрямі поверхні виробу. Застосовується така металізація в основному для нанесення покриттів на великогабаритні деталі, вузли і навіть складні конструкції, чого не можна зробити іншими способами.

Напиленням роблять покриття з цинку, алюмінію, хрому, титану та інших металів, а також деяких сплавів.

Недоліками цього методу є значні втрати металу під час розпилювання (до 40 %), пористість покриття, недостатня міцність зчеплення покриття з основним металом.

3. Неметалеві покриття роблять нанесенням на поверхню виробів природних або синтетичних неметалевих матеріалів: лаків, фарб, синтетичних смол і плівкових матеріалів

 

 

Таблиця 5— Умовні позначення марок конструкційних матеріалів
Матеріал Позначення Застосування
Сталі Вуглецева сталь зви­чай­ної якості (ГОСТ 380–88)   Літерами Ст й цифрами 0, 1, 2, 3...6. Збільшення числа свідчить про зростання вмісту вуглецю й тимчасового опору σв. Якщо за ступенем розкислення сталь кипля­ча, то після числа ставлять літери кп, напівспокійна — пс, спокійна — сп.   Елементи буді­вель­них конст­рук­цій, ра­ми, осі, деталі, що це­ментуються та ціану­ються, вали, тяги, крю­ки кранів шатуни.
Вуглецева конс­трук­цій­на якісна (ГОСТ 1050–74) Числами: 05, 08, 10, 15, 20...85, які вказують на середній вміст вуглецю у сотих долях відсотка. Якщо за ступенем розкислення сталь кипля­ча, то після числа ставлять літери кп, напівспокійна — пс (08кп, 20пс). Вали, осі, пальці, ко­лінчасті вали, роз­подільчі вали, штоки, пружини, диски зчеплення, пружини амортизаторів
Легована конструк­цій­на (ГОСТ 4543–71) Високолеговані та спла­ви коро­зій­но­стій­кі, жа­ро­стійкі й жа­ро­міцні (ГОСТ 5632–72) Перші дві цифри вказують на середній вміст вуглецю у сотих частках відсотка, а лі­тери за числом означають легуючі еле­мен­ти у складі сталі (наприклад, хром у 40Х; хром та нікель у 40ХН; хром, марганець та кремній у 30ХГС). Цифри після літер вка­зу­ють на при­близний вміст легуючого елемен­ту у цілих одиницях відсотка (35Г2, 30Х2, 12Х13, 08Х18Н10Т). Якщо вміст легуючого еле­менту є меншим за 1,5 %, то число від­сут­нє (50Х, 30ХГС). Літера А на кінці поз­на­­чення марки вказує, що сталь висо­коя­кіс­на, тобто містить малу кількість шкідливих домішок — S та P (30ХГСА, 20ХН3А) Деталі зварних конструкцій, елементи конструкцій ваго­нів, мостів, зубчасті колеса, шпінделі, вали, шліцові вали тощо.   Деталі хімічного машино­бу­ду­­вання, зварні конструкції, які експлуатують в агресив­них середо­вищах, морській воді
Вуглецева істру­мен­тальна якісна (ГОСТ 1435–74) Літерою У й числами, які вказують середній вміст вуглецю у десятих частках відсотка (У7, У10). Для високоякісної сталі на кінці марки ставлять літеру А (У8А). Деревообробні ін­с­трументи, пуансони та матриці штам­пів, прес–форми
Легована інструмен­тальна (ГОСТ 5950–73) Перші цифри означають середній вміст вуг­лецю у де­ся­тих частках відсотка. Вони мо­жуть бути не вказані, якщо вміст вуглецю у сталі більше 1 % (9ХС, 5ХГН, ХВГ). Цифри після літер вказують на середній вміст легуючого елементу у цілих одиницях відсотка (Х12, Х12М, 8Х3) Ріжучі інструменти, вимірю­вальні інструменти, вирубні інструменти, деталі штампів
Підшипникова (ГОСТ 801–78) Літерами ШХ й цифрами, що вказують вміст хрому у десятих частках відсотка. Кулько та роликопідшип­ники
Конструкційна з під­вищеною й ви­сокою здатністю об­робля­тися різанням (ГОСТ 1414–75) Літерою А й цифрами, які вказують на середній вміст вуглецю у сотих відсотках процента (А12) Дрібні деталі складного про­філю
Чавун Сірий (ГОСТ 1412–85)   Літерами СЧ й двозначним числом, яке вказує на міні­мальний тимчасовий опір при розтягування у МПа·10-1 (СЧ 10) Корпуси, блоки циліндрів, поршні, гальмівні барабани, поршневі кільця
Ковкий (ГОСТ 1215–79) Літерами КЧ. Перше двозначне число означає тимча­со­вий опір при розтягуванні у МПа·10-1, друге — відносне видовження у % (КЧ 30—6) Невеликі виливки, які пра­цю­ють в умовах знакозмінних на­ван­тажень (деталі авто­мо­бі­лів, тракто­рів)
Високоміцний (ГОСТ 1215–79) Літерами ВЧ. Перше двозначне число означає тимча­со­вий опір при розтягуванні у МПа·10-1, друге — відносне видовження у % (ВЧ 30—6) Колінчасті вали, поршні, кронштейни, автомобілів, тракторів, дизелів
Легований для ви­ливків зі спеціальни­ми властивостями (ГОСТ 7769–82) Першою літерою Ч і наступними літерами, які вказують наявність легуючих елементів. Цифри позначають послідовно середній вміст легуючих елементів у відсотках. Літера Ш означає, що графіт у чавуні має кульовидну форму (ЧГ6С3Ш) Деталі, до яких ста­виться вимога високої корозійної стійкості, жаростійкості, зносо­стійкості, жаро­міц­нос­ті
Алюмінієві сплави Ливарні (ГОСТ 1583–89)   Літерами АЛ, після яких вказується номер сплаву (АЛ2)   Корпусні деталі, крон­штей­ни, картери двигунів
Деформівні (ГОСТ 4784–74) Літерами Д, АК, АМ, ВД, В, після яких вказують номер сплаву (Д16) Деталі двигунів, ємності для рідин, елементи конструкцій
Магнієві сплави Ливарні (ГОСТ 2856–79)   Літерами МЛ, після яких вказується номер сплаву (МЛ5)   Корпуси, деталі двигунів
Деформівні (ГОСТ 14957–76) Літерами МА, за якими вказується номер сплаву (МА3) Баки автомобілів, каністри
Латуні Ливарні (ГОСТ 17711–80)   Деформівні (ГОСТ 15527–70) Першою літерою Л — латунь й іншими, що вказують легуючі елементи. Перше число — вміст міді у відсот­ках, решта — вміст легуючих елементів у відсотках (Л90, ЛС59–1) Деталі арматури, втулки, сепаратори, підшипники, штуцери гідросистем Деталі морських та річкових суден, пру­жини, вкладиші під­шипників, гайки, деталі атомобілів
Бронзи Олов’яні ливарні (ГОСТ 613–79) Олов’яні деформівні (ГОСТ 5017–74) Безолов’яні деформівні (ГОСТ 18175–78)     Перші дві літери Бр — бронза; наступні — легуючі елементи. Числа вказують на вміст елементів у відсотках (БрО7, БрОЦ4–3, БрОФ7–0,2)   Вузли тертя, вкла­ди­­ші під­шип­ників, Пружини, втулки, вкладиші підшипників Антифрикційні деталі, вкла­диші підшипників  
Бабіти Олов’яні та свинцеві (ГОСТ 1320–78) Кальцієві (ГОСТ 1209–78)   Літерою Б й числом, яке вказує на вміст олова у відсотках (Б83). Літери Н, Т, К, С вказують на наявність у ньому Ns, Te, K, Ca та Sb.   Підшипники тертя

 





sdamzavas.net - 2020 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...