Материаловедение

Тема 6: Твердые сплавы, минералокерамика, абразивные материалы.

Вопросы темы:

1. Твердые сплавы.

2. Металлокерамика.

3. Абразивные материалы.

1. Твердые сплавы.

Твердые сплавы — материалы, состоящие из высоко­твердых и тугоплавких карбидов ванадия, титана, тан­тала с металлической связующей, полученные метода­ми порошковой металлургии.

Порошки карбидов смешивают с кобальтовой связ­кой, прессуют и спекают при 1400— 1550°С в среде во­дорода или в вакууме.

В зависимости от состава карбидной основы твердью сплавы подразделяются на:

— ВК — вольфрамовые;

— ТК — титановольфрамовые;

— ТТК — титанотанталовольфрамовые. Маркируются твердые сплавы буквами и цифрами.

В сплавах ВК и ТТК цифры показывают содержание ко­бальта, в сплавах ТК — содержание карбида вольфрама в процентах. Цифры после букв Т и ТТ указывают со­держание карбидов титана и суммарное содержание кар­бидов титана и тантала.

Твердые сплавы имеют высокие пределы прочности при сжатии, твердость, теплостойкость. Главными недо­статками твердых сплавов являются их хрупкость и труд­ность механической обработки.

Твердые сплавы в виде пластин механическим спосо­бом или латунным припоем крепят на режущем инст­рументе. Инструменты с твердосплавными пластинами применяют в наиболее тяжелых условиях резания с мак­симальными скоростями.

2. Металлокерамика.

Металлокерамические материалы подразделяются на:

— пористую металлокерамику, имеющую остаточную пористость в пределах 15—50 % (антифрикцион­ные и «потеющие» материалы, фильтры);

— компактную металлокерамику — магнитные, фрик­ционные и электротехнические материалы.

Антифрикционные металлокерамические материалы имеют в своем составе графит и другие компоненты, выполняющие роль смазки. Эти материалы используют для изготовления втулок подшипников скольжения, применяемых в автомобильной, авиационной и других отраслях промышленности.

Фильтры изготовляют из порошков железа, бронзы, никеля, коррозионно-стойкой стали и других материалов. Они имеют пористость не менее 50 %. Металлокерамические фильтры применяют для очистки топлива в двигателях автомобилей, для очистки воздуха и различ­ных жидкостей.

«Потеющие» металлокерамические материалы пред­назначаются для охлаждения за счет испарения хлад­агента через поры. Их изготовляют из порошков корро­зионной стали, никеля, вольфрама, титана и др.

Фрикционные металлокерамические материалы пред­ставляют собой сложные композиции на основе меди и железа. В состав этих материалов входят компоненты, служащие в качестве смазки и предохраняющие матери­ал от износа (свинец, графит и т. п.), а также компонен­ты, придающие материалу высокие фрикционные свойства (асбест, кварцевый песок, тугоплавкие метал­лические соединения и т. д.).

Фрикционные металлокерамические материалы име­ют повышенную хрупкость и низкую прочность. Поэто­му изделия из них, как правило, состоят из стальной основы с нанесенным на нее слоем фрикционной ме­таллокерамики. Такие материалы применяют в узлах сцепления и торможения автомобилей.

Магнитные металлокерамические материалы подраз­деляют на:

— магнитно-мягкие (ферриты), изготовляемые из порошков окислов железа;

— магнитно-твердые (постоянные магниты) метал­локерамические сплавы на основе железа, легиро­ванного алюминием, никелем, медью, кобальтом и подвергаемые дополнительной термической об­работке;

— магнитодиэлектрики, представляющие собой ком­позиции магнитных и изоляционных материалов.

Электротехнические металлокерамические материалы изготовляют из смеси порошков тугоплавких металлов (Mo, Со, Ni, W) с медью и серебром. Тугоплавкие ме­таллы определяют механические свойства изделия, а легкоплавкие — служат наполнителем и придают мате­риалам высокую электропроводимость.

Металлокерамические электрические контакты при­меняют в магнитных пускателях, тепловых реле и реле особо тяжелого режима, регуляторах напряжения, аппа­ратуре управления, преобразователях тока и т. д.

3. Абразивные материалы.

Абразивными называются мелкозернистые или по­рошковые неметаллические вещества (химические со­единения элементов), обладающие очень высокой твер­достью и имеющие острые режущие грани. Их используют для получения шлифовальных кругов, гибких шлифовальных и полировальных лент, а также в виде полировальных паст.

Абразивные материалы разделяют на природные и искусственные.

К природным абразивным материалам относятся:

— алмаз — минерал, представляющий собой чистый углерод. Встречается в виде небольших кристаллов различной формы. Применяется для шлифования труднообрабатываемых сплавов и заточки твердо­сплавного инструмента;

— корунд — горная порода, состоящая до 95 % из кристаллической окиси алюминия. Зерна корун­да очень тверды и имеют острые грани;

— наждак — мелкозернистый корунд-порошок, представляет собой смесь зерен корунда с други­ми минералами — магнитным железняком, гема­титом, полевым шпатом;

— кварц — минерал, состоящий в основном из кри­сталлического кремнезема. Разновидностью квар­ца является кварцевый песок;

— гранат — соединение алюминия, железа, хрома, а также кальция, магния, марганца с кремнекислотой. Является хорошим абразивным материалом для обработки резины, кожи, для шлифования стеклянных изделий и мягких металлов, удаления старых лакокрасочных покрытий;

— пемза — излившаяся вулканическая порода, пре­имущественно состоящая из кремнезема и глино­зема. Применяется для полирования мягких ме­таллов, камней и древесины.

К искусственным абразивным материалам относятся:

— электрокорунд нормальный (марок 395, 393, 392), получаемый при выплавке боксита в смеси с вос­становителем (антрацитом или коксом) в дуговых ^электрических печах, содержит до 95 % окиси алюминия;

— электрокорунд белый получается при плавке техни­ческого глинозема в электрических печах, содер­жит до 99 % корунда. Обладает высокой твердо­стью и острыми кромками зерна;

— монокорунд (марок М7 и М8) получают сплавлени­ем боксита с сернистым железом и восстановите­лем (антрацит или кокс) в электрических печах, содержит не менее 96 % кристаллической окиси алюминия;

— карбид кремния (марок К38 и К39, К47 и К48) по­лучают в результате взаимодействия кремнезема и углерода (содержащегося в антраците и коксе) в электропечах. Применяется для заточки твердо­сплавного инструмента;

— карбид бора получают при плавлении борной кис­лоты с малозольным углеродистым материалом — нефтяным или пековым коксом, сажей и др. Ис­пользуется в порошках или пастах для доводки изделий из твердых материалов;

— борсиликокарбид представляет собой соединение бора, кремния и углерода; применяется для довод­ки деталей из твердых и труднообрабатываемых сплавов и из неметаллических материалов высо­кой твердости;

— синтетический алмаз — сверхтвердый материал, получающийся в специальных установках, способ­ных развивать давление свыше 100 ООО атмосфер при температуре более 2500°С.

Абразивные материалы характеризуются абразивной (режущей) способностью. Абразивная способность — это основной показатель качества абразива и определяется массой снимаемого при шлифовании материала до за­тупления зерен. По режущей способности абразивные материалы располагаются в следующем порядке: алмаз, карбид бора, карбид кремния, монокорунд, наждак, кре­мень.

Абразивные материалы подразделяют на группы:

— шлифзерно с зернистостью 200,160,125,100, 80, 63, 50, 40, 32, 25, 20, 16 в сотых долях миллиметра;

— шлифпорошки с зернистостью 12, 10, 8, 6, 5, 4, 3 в сотых долях миллиметра;

— микропорошки М63, М50, М40, М20, М14, зерни­стость указывается в микрометрах;

— тонкие микропорошки М10, М7, М5, зернистость указывается в микрометрах.

Для изготовления абразивных инструментов применя­ют две основные группы связок:

— неорганические — керамическая, магнезиальная, силикатная;

— органические — бакелитовая, глифталевая, вулканитовая.

Керамическая связка (К) состоит из глины, полевого шпата, кварца и др., в которые для повышения пластич­ности добавляют клеящие вещества (жидкое стекло, декстрин и т. д.). Основным ее недостатком является чувствительность к ударам и изгибающим нагрузкам.

Магнезиальная связка (М) — смесь каустического маг­незита и раствора хлористого магния, твердеющая на воздухе (магнезиальный цемент). Недостатками являют­ся гигроскопичность, повышенный износ и нестойкость профиля.

Силикатная связка (С) имеет основным связующим веществом жидкое стекло (силикат натрия), которое при смешивании с наполнителями (окись цинка, мел, гли на и др.) обеспечивает получение соответствующего аб­разива. Из-за слабого удержания зерна абразивный ин­струмент на этой связке используется ограниченно.

Бакелитовая связка (Б) — искусственная фенолфор-мальдегидная смола, применяется в жидком состоянии (Б1) или порошкообразном (Б2). Имеет повышенную прочность и упругость, поэтому широко используется. Однако она малоустойчива к действию охлаждающих жидкостей (для предохранения инструмент пропитыва­ется парафином).

Вулканитовая связка (В) состоит из искусственного каучука с вулканизирующими добавками. При исполь­зовании вулканитовой связки с высокими упругими свойствами и сопротивлением разрыву получают жест­кие инструменты, а при малой упругости и большом от­носительном удлинении получают гибкие шлифоваль­ные круги и эластичные инструменты.

К абразивным материалам также относятся:

— шлифовальные шкурки;

— абразивные и алмазные пасты. Шлифовальные шкурки используются для зачистки и отделки поверхностей изделий. Это бумага или ткань с наклеенными на нее зернами абразива.

Абразивные и алмазные пасты используются для до­водки, притирки и полирования поверхностей изделий. Пасты состоят из жидких, полужидких или твердых сме­сей абразивных материалов с добавками химически ак­тивных веществ.

Все абразивно-доводочные пасты в зависимости от применяемого материала делят на две группы:

— твердые (алмаз, карбид бора, наждак);

— мягкие (окись хрома, окись железа, кварц).

Кроме абразивных материалов в состав паст для связ­ки входят: химически активные олеиновая и стеарино­вая кислоты, парафин, скипидар, канифоль и другие вещества.

Из мягких абразивных материалов наиболее широко применяют пасты Государственного оптического инсти­тута (ГОИ). Различают три сорта пасты ГОИ:

— грубую (цвет темно-зеленый, почти черный) — применяется для снятия слоя металла толщиной в несколько десятых долей миллиметра. Например, для удаления следов обработки опиливанием, шлифованием. Детали после притирки этой пас­той получают матовую поверхность;

— среднюю (цвет темно-зеленый) — снимает слой ме­талла, измеряемый сотыми долями миллиметра, дает более чистую поверхность без штрихов;

— тонкую (светло-зеленого цвета) — служит для окончательной притирки, придает поверхности зеркальный блеск.

Алмазные пасты являются наиболее эффективными средствами для выполнения доводочных и притирочных работ. Пасты из синтетических и природных алмазов используют для окончательной доводки деталей и изделий.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каким образом подразделяются металлокерамические материалы?

2. Что называется твердым сплавом?

3. Что называется абразивными материалами?

4. Назовите классификацию абразивных материалов?