Требования к отчёту
1. Начертить участки диаграммы состояния, необходимые для анализа микроструктуры (рис. 3. 4).
2. Представить зарисовки микроструктур всех образцов с указанием состава (или марки), его состояния (литое, отожжённое), температуры и времени отжига, травителя и увеличения микроскопа. Стрелками указать структурные составляющие.
3. Составить таблицу с указанием режимов отжига и значением твёрдости литого и отожжённого образцов. Сделать выводы о характере изменений механических свойств при гомогенизационном отжиге изученных сплавов с учётом установленных структурных изменений.
Рис. 3.4. Диаграмма состояния сплава Al – Cu
Контрольные вопросы
1. Что такое внутрикристаллитная ликвация?
2. Какие недостатки литого сплава устраняет гомогенизационный отжиг?
3. При каких температурах проводят гомогенизационный отжиг?
4. Каковы основные параметры гомогенизационного отжига?
5. К каким структурным изменениям может привести дендритная ликвация в латуни Л80?
6. Каким компонентом обогащены межосные пространства в литой латуне Л80?
7. К каким структурным изменениям может привести дендритная ликвация в сплаве алюминий – 5 % меди?
8. К каким структурным изменениям может привести дендритная ликвация в бронзе БрОФ 6,5 – 0,15?
9. Какие процессы должны протекать при гомогенизационном отжиге однофазной латуни?
10. Какие процессы должны протекать при гомогенизационном отжиге бронзы БрОФ 6,5 – 0,15?
11. Какие процессы должны протекать при гомогенизационном отжиге сплава алюминий – 5 % меди?
12. Можно ли ожидать заметного изменения твёрдости при гомогенизационном отжиге латуни Л80?
Рекомендуемая литература
1. Новиков М.И. Теория термической обработки. – М. : Металлургия, 1978.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.– М. : Издательский дом Альянс, 2009.
Лабораторная работа 4
Исследование свойств резинотехнических материалов
Цель работы: ознакомление с классификацией, свойствами резин и факторов, влияющих на старение и предупреждение старения резин.
Общие сведения
Резина является продуктом переработки вулканизации смеси нату-рального или синтетического каучука и серы с различными добавками. Натуральный каучук представляет собой высокомолекулярное химическое соединение углерода и водорода (С5Н8)n - полимер изопрена, получаемый из латекса-сока каучуконосных растений. Молекулы каучука имеют форму нитевидных спиралей (при приложении нагрузки молекулы выпрямляются, а после снятии нагрузки – восстанавливают спиральную форму).
Синтетический каучук получают из нефти, природного газа и другого сырья.
Бутадиеновый каучук (СКБ) получают полимеризацией газообразного углеводорода бутадиена СН2 = СН-СН-СН2 (дивинила) в присутствии метали-ческого натрия. Это некристаллизующийся каучук.
Бутадиенстирольный каучук (СКС-10, СКС-30, СКС-50) получается при совместной полимеризации бутадиена (С4Н6) и стирола (СН2=СН-С6Н5).
Изопреновый каучук (СКИ-3, СКИ-3П, СКИ-3В) является продуктом полимеризации изопрена (С5Н8).
Бутадиеннитрильный каучук (СКН-18, СКН-26, СКН-40) получают полимеризацией бутадиена с нитрилом акриловой кислоты.
Полисилоксановый каучук (СКТ) представляет собой кремнийоргани-ческое (полисилоксановое) соединение -Si(CН3)2 – О - Si(CH3)2-.
Полисульфидный каучук (тиокол) – продукт поликонденсации галогенопроизводных углеводородов с полисульфидами щелочных металлов.
Фторорганический каучук (СКФ) получают введением в силиконовые каучуки радикалов с атомами фтора.
Для получения резины приготавливают резиновые смеси, в состав которых входят, кроме каучука, различные добавки: вулканизирующие вещества, наполнители, пластификаторы, противостарители, красители и др.
Каучук – компонент резин, определяющий основные свойства резин, придает резине пластичность, а эластичность резина получает в результате взаимодействия каучука с вулканизатором.
Вулканизирующие вещества соединяют химическими связями макромолекулы каучука. Эти связи препятствуют необратимому скольжению одной молекулы относительно другой, при этом молекулы не утрачивают способности к большим обратимым деформациям, т. е. становятся эластичными. В качестве вулканизаторов применяют серу, фтор, кремний, селен, для некоторых каучуков перекиси. Для резины электротехнического назначения вместо элементарной серы (которая взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения – тиурам (тиурамовые резины).
Сера, соединяя молекулы каучука, образует пространственно-сетчатую структуру (большие молекулы разветвленной формы). Сера растворяется в каучуке. С увеличением температуры растворяющаяся способность каучука возрастает. В большинстве мягких сортов резины количество серы не превышает 3 %, и вулканизация происходит при температуре 140–150 °С.
Увеличение процентного содержания серы при производстве резины приводит к тому, что ее сетчатая структура становится более частой, резина теряет эластичность и при насыщении каучука серой более 30 % образуется твердый материал – эбонит.
Ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, оксиды свинца и др., влияют на режим вулканизации и на физико-механические свойства вулканизаторов. Ускорители проявляют свою наибольшую активность в присутствии оксидов (окиси цинка, окиси магния), называемых в составе резиновых смесей активаторами.
Наполнители вводятся в состав резиновых смесей для повышения свойств резин. Их подразделяют на активные наполнители (углеродистая сажа и белая сажа, оксид цинка и др.), повышающие механические свойства резин: прочность, твердость, сопротивление истиранию; и неактивные наполнители (мел, тальк, барит), улучшающие технологические свойства резин и удешевляющие стоимость резин, но снижают эластичность каучука, увеличивают жесткость и удельный вес резины.
Тканевыми наполнителями служат корд, изготовленный из хлопчатобумажных тканей, вискозного шелка и капрона, бельтинг (высокопрочная ткань) и рукавные ткани. Часто в состав резиновой смеси вводят регенератор – продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.
Противостарители замедляют процессы старения резины в эксплуатации резиновых изделий и при их хранении. При длительном хранении и в процессе эксплуатации происходит необратимое изменение физических и механических свойств резины из натурального и синтетического каучука. Это явление называют старением. Резина из натурального каучука в начальный период старения приобретает повышенную липкость; резины из бутадиенового и других каучуков становятся более жесткими и хрупкими.
Атмосферное старение протекает под действием нескольких факторов – кислорода, азота, света. Световое старение – это светоокисление, когда лучистая энергия, активируя отдельные химические связи в макромолекулах каучука, способствует протеканию химических процессов окисления под действием кислорода воздуха. Под действием света кислород активизируется – происходит возбуждение атомов кислорода, переходящих в озон (О3). Световое старение сопровождается деструкцией (разрушением) макромолекул с образованием вещества с меньшим молекулярным весом.
Озонное старение связано с окислением резины, как при отсутствии света, так и при освещенности. Особенно резко проявляется озонное старение деталей из резины, если они находятся в растянутом или изогнутом состоянии, даже при деформациях 2–5 % .
Применяют химические и физические противостарители. Химические противостарители (фенолы, ароматические амины) задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука. Физические противостарители (парафин, церезин, воск) образуют поверхностно-активные пленки, защищающие резину от окисления, их вводят в резиновую смесь до 3 % от веса каучука, но они применяются редко.
Для замедления старения вводятся также вещества, которые поглощают свет, действуя как светофильтры (сажа).
Пластификаторы применяются для повышения пластичности, облегчают переработку резиновой смеси и совмещение каучука с остальными компонентами смеси, придают изделию гладкую поверхность, повышают морозостойкость и эластичность резины, но снижают ее прочность на разрыв. В качестве пластификаторов используют дибутилфталат, парафин, вазелин, стеариновую кислоту, а также битумы и растительные масла. Количество пластификаторов составляет 8–30 % массы каучука.
Красители (охра, ультрамарин) минеральные или органические вводятся для окраски резин, некоторые красящие вещества поглощают коротковолновую часть солнечного спектра и этим защищают резину от светового старения.