1. Тугоплавкие металлы и сплавы. Состав, свойства и назначение
Тугоплавкие металлы — это металлы, которые могут работать при температурах свыше 1000°С. К ним относят: W, Ta, Mo, Nb, Cr. Их температуры плавления соответственно равны:3410, 3000, 2640, 2415, 1900 0С.
Тугоплавкие металлы разделяют на две подгруппы:
1. Подгруппа V: Nb, Ta, V;
2. Подгруппа Cr: W, Mo, Cr.
Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе резко возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, ядерных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы, которых работают при температуре до 1500-2000°С. Их используют главным образом как жаропрочные.
Свойства некоторых тугоплавких сплавов приведены в таблице.
|
Сплав |
Т,°С |
sв, Мпа |
|
|
Сплавы на основе Nb |
|||
|
ВН2 (4,5%Mo; 0,05%С) |
20 1200 |
850 180-200 |
|
|
ВН2А (4,1%Mo; 0,7%Zr; 0,05%С ) |
20 1200 1500 |
850 300 170 |
|
|
ВН3 (4,6%Mo; 1,4%Zr; 0,12%С ) |
20 2000 |
800 250 |
|
|
Сплавы на основе Mo |
|||
|
ЦМ2А ( 0,11%Zr; 0,2%Ti; Ј0,004%С ) |
20 1200 1600 |
800 300 60 |
|
|
ЦМ3 ( 0,3%Zr; 0,02%С ) |
1200 |
500 |
|
|
ЦМ6 ( 0,15%Zr; 0,02%В; 0,004%С ) |
1200 |
350 |
|
|
Сплавы на основе W |
|||
|
ВВ2 ( система W — Nb ) |
1200 |
130 |
|
Свойства чистых тугоплавких металлов.
Mo, W обладают высокой жаропрочностью, но склонны к хрупкому разрушению в результате высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения C, N, H, O.
Nb, Ta в отличие от W и Mo — высокопластичные металлы и хорошо свариваются. Указанные металлы обладают высокой коррозионной стойкостью, в том числе в кислотах и щелочах.
Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью, поэтому при Т >400-500°С их нужно защищать от окисления, для чего используются металлические, интерметаллидные и керамические покрытия.
Mо и W в чистом виде используют в радио- и электронной промышленности ( нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов и пр. ), в химическом машиностроении и т.д. Вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами Nb применяют для изготовления теплообменников ядерных реакторов.
Свойства сплавов.
Жаропрочность чистых тугоплавких металлов сравнительно невелика. Более высокой жоропрочностью обладают сплавы на основе тугоплавких металлов. Эффективны в этом плане элементы, имеющие еще более высокую температуру плавления. Еще более эффективным оказывается механизм дисперсионного упрочнения в результате образования карбидов ZrC, TiC, (Ti, Zr)C.
Тугоплавкие металлы и их сплавы широко используются в качестве жаропрочных материалов для работы в неокислительной среде — в вакууме, водороде, инертных газах, в среде отходящих пороховых газов.
Весьма перспективными для многих отраслей техники являются сплавы на основе Nb. Они обладают хорошей технологичностью, свариваемостью, высокой жаростойкостью до 1300°С. Температура хладноломкости Nb ниже — 196°С (77 К).
Благодаря его высокой коррозионной стойкости, малому сечению захвата тепловых нейтронов сплавы нашли применение в конструкциях ядерных реакторов. Для повышения жаропрочности Nb легируют Mo, W, Zr .
2. Пайка металлов. Сущность способа. Припои
Пайка — это процесс соединения металлов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного связующего металла или сплава — припоя. Припоем называют присадочный материал или сплав, вводимый в зазор между соединяемыми поверхностями изделия (детали), способный образовывать полное соединение. Химикаты, применяемые при пайке, способствующие удалению окислов и загрязнений из мест пайки и защищающие поверхности при нагреве от новых образований, называют флюсами.
В процессе пайки между припоем и паяемым металлом возникают межкристаллитные формы связи. При этом основным технологическим условием создания паяного соединения является обеспечение такого взаимодействия припоя с паяемым металлом, при котором атомы жидкого припоя вступают во взаимодействие с атомами паяемого металла, т. е. происходит смачивание жидким металлом твердого. Для качественной пайки необходимо, чтобы возникшие при смачивании механические связи сохранились и после полного затвердевания припоя.
Смачивание поверхности паяемых металлов припоем зависит от соотношения поверхностных натяжений твердого металла и расплава на границе твердого металла с газовой фазой. Поверхностное натяжение как твердых, так и жидких металлов зависит от свойств той среды, на границе с которой оно определяется. Поэтому смачивание каждой конкретной пары металлов можно улучшить, если взять в качестве третьей среды, участвующей в процессе смачивания, не обычную атмосферу, а например, расплав солей — флюсы.
Из производственной практики известно, что без применения флюсов пайку осуществить трудно. Воздействие флюса на смачивание и растекание припоя по поверхности металла определяется влиянием флюса на соотношение значений поверхностных натяжений. Флюс может улучшить растекание жидкого припоя по поверхности твердого металла только в том случае, если флюс увеличивает поверхностное натяжение твердого металла, что достигается за счет удаления пленки оксидов, или уменьшает поверхностное натяжение припоя, что достигается адсорбцией на нем металлических ионов и целых молекул солей — флюсов.
Степень смачивания расплавленным металлом металлической поверхности резко изменяется в присутствии даже очень небольших количеств примесей, которые, адсорбируясь в поверхностном слое, резко изменяют свободную энергию поверхности на границе раздела твердое тело — жидкость. Оценка смачиваемости производится измерением площади растекания припоя по поверхности основного металла. Растекание жидкого припоя по твердому металлу зависит также от шероховатости поверхности, представляющей собой своеобразные капилляры, по которым движется жидкий припой. В результате такого капиллярного течения припой заполняет пространство между плотно соединяемыми частями.
Выбор оптимального зазора при температуре пайки очень важен, так как он определяет способность припоя к полному заполнению зазора и прочность паяных соединений. Необходимо учитывать, что в связи с шероховатостью поверхностей соединяемых деталей фактический зазор по величине непостоянен даже при плотном контакте деталей. Заполнение зазора жидким припоем может происходить также под действием небольшого разрежения, создаваемого расплавленным припоем в зазоре между соединяемыми деталями.
Между расплавленным припоем и основным металлом при пайке на небольшой глубине происходят процессы взаимного растворения и диффузии, в результате которых при затвердевании припоя получается прочное соединение деталей. При обычной капиллярной пайке паяемый металл взаимодействует с жидким припоем, вследствие чего происходит диффузия компонентов основного металла в жидкий припой, диффузия их в жидком припое и диффузия компонентов жидкого припоя в твердый паяемый металл.
В качестве припоев применяют сплавы на основе олова, свинца, кадмия, меди, никеля и др.
Припои принято делить на две группы — мягкие и твёрдые. К мягким относятся припои с температурой плавления до 300°С, к твёрдым — выше 300°С. Кроме того, припои существенно различаются по механической прочности. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении 16-100 МПа, а твёрдые — 100-500МПа.
Мягкими припоями являются оловянно-свинцовые сплавы (ПОС) с содержанием олова от 10 (ПОС-10) до 90% (ПОС-90), остальное свинец. Проводимость этих припоев составляет 9—15% чистой меди. Большое количество оловянно-свинцовых припоев содержит небольшой процент сурьмы (такие припои обозначаются ПОССу).
Наиболее распространёнными твёрдыми припоями является медно-цинковые (ПМЦ) и серебряные (ПСр) с различными добавками.
тугоплавкий металл пластмасс
3. Полимерные материалы. Пластмассы. Состав и свойства пластмасс
Полимеры — высокомолекулярные соединения, вещества с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные структуры. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации, и химических превращений.
В зависимости от строения основной цепи полимеры делятся на линейные, разветвленные, и пространственные структуры. Линейные и разветвленные цепи можно превратить в трехмерные действием химических агентов, света, и радиации, а также путем вулканизации.
Линейные ВМС могут иметь как кристаллическую, так и аморфную (стеклообразную) структуру. Разветвленные и трехмерные полимеры, как правило, являются аморфными. При нагревании они переходят в высокоэластическое состояние подобно каучуку, резине, и другим эластомерам. При действии особо высоких температур, окислителей, кислот и щелочей, органические и элементоорганические ВМС подвергаются постепенному разложению, образуя газообразные, жидкие, и твердые соединения.
Физико-механические свойства линейных и разветвленных полимеров во многом связаны с межмолекулярным взаимодействием за счет сил побочных валентностей. Так, например, молекулы целлюлозы взаимодействуют между собой по всей длине молекул, и это явление обеспечивает высокую прочность целлюлозных волокон. А разветвленные молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками, поэтому не способны образовывать прочные волокна. Особенно прочные волокна дают многие синтетические полимеры (полиамиды, полиэфиры, полипропилен и др.), линейные молекулы которых расположены вдоль оси растяжения. Трехмерные структуры могут лишь временно деформироваться при растяжении, если они имеют сравнительно редкую сетку (подобно резине), а при наличии густой пространственной сетки они бывают упругими или хрупкими в зависимости от строения.
ВМС делятся на две большие группы: гомоцепные, если цепь состоит из одинаковых атомов (в том числе карбоцепные, состоящие только из углеродных атомов), и гетероцепные, когда цепь включает атомы разных элементов. Внутри этих групп полимеры подразделяются на классы в соответствии с принятыми в химической науке принципами.
Так, если в основную или боковые цепи входят металлы, сера, фосфор, кремний и др., полимеры относятся к элементоорганическим соединениям.
Полимерные материалы делятся на три основные группы: пластические массы, каучуки, волокна химические. Они широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта.
Пластмассы (пластические массы, пластики) — материалы на основе полимеров. Большой класс полимерных органических легко формуемых материалов, из которых можно изготавливать легкие, жесткие, прочные, коррозионностойкие изделия.
Эти вещества состоят в основном из углерода (C), водорода (H), кислорода (O) и азота (N).
Все полимеры имеют высокую молекулярную массу, от 10 000 до 500 000 и более; для сравнения, кислород (O2) имеет молекулярную массу 32. Таким образом, одна молекула полимера содержит очень большое число атомов.
Основные представители.
Полистирол — неполярный полимер, широко применяющийся в электротехнике, сохраняющий прочность в диапазоне 210-350 К. Благодаря введению различных добавок приобретает специальные свойства: ударопрочность, повышенную теплостойкость, антистатические свойства, пенистость. Недостатки полистирола — хрупкость, низкая устойчивость к действию органических растворителей (толуол, бензол, четыреххлористый углерод легко растворяют полистирол; в парах бензина, скипидара, спирта он набухает).
Полистирол вспенивающийся широко используется как теплозвукоизоляционный строительный материал. В радиоэлектронике он находит применение для герметизации изделий, когда надо обеспечить минимальные механические напряжения, создать временную изоляцию от воздействия тепла, излучаемого другими элементами.
Полиэтилен — полимер с чрезвычайно широким набором свойств и использующийся в больших объемах, вследствие чего его считают королем пластмасс. За 10..12 лет эксплуатации прочность его снижается лишь на ј. Благодаря химической чистоте и неполярному строению полиэтилен обладает высокими диэлектрическими свойствами. Они в сочетании с высокими механическими и химическими свойствами обусловили широкое применение полиэтилена в электротехнике, особенно для изоляции проводов и кабелей.
Помимо полиэтилена общего назначения выпускаются его многие специальные модификации, среди которых: антистатический, с повышенной адгезионной способностью, светостабилизированный, самозатухающий, ингибитированный (для защиты от коррозии), электропроводящий (для экранирования).
Главный недостаток полиэтилена — сравнительно низкая нагревостойкость
Полиимид — новый класс термостойких полимеров, ароматическая природа молекул которых определяет их высокую прочность вплоть до температуры разложения, химическую стойкость, тугоплавкость. Полиимидная пленка работоспособна при 200°С в течение нескольких лет, при 300°С — 1000 ч, при 400°С — до 6 ч. Кратковременно она не разрушается даже в струе плазменной горелки. При некоторых специфических условиях полиимид превосходит по температурной стойкости даже алюминий. Степень разрушения полиимида — 815°С., алюминия 515°С.
Основные свойства пластмасс.
Химические свойства.
С точки зрения химического поведения полимер похож на мономер (или мономеры), из которого (или которых) он получен. Углеводороды этилен H2C=CH2, пропилен H2C=CH-CH3 и стирол H2C=CH-C6H5 претерпевают присоединительную полимеризацию, образуя полиэтилен, полипропилен и полистирол со следующими структурами
Эти полимеры ведут себя как углеводороды. Они, например, растворимы в углеводородах, не смачиваются водой, не реагируют с кислотами и основаниями, горят, подобно углеводородам, могут хлорироваться, бромироваться и ? в случае полистирола ? нитроваться и сульфироваться
Физические свойства.
Физические свойства полимера, напротив, зависят не только от характера мономера, но в большей степени от среднего количества мономерных звеньев в цепи и от того, как цепи расположены в конечной макромолекуле.
Все синтетические и используемые в промышленности природные полимеры содержат цепи с различным числом мономерных единиц. Это число называют степенью полимеризации (СП) и обычно пользуются его средним значением, поскольку цепи не одинаковы по длине. Средняя длина цепи и СП может быть определена экспериментально несколькими методами (например, осмометрией измерением осмотического давления различных растворов; вискозиметрией измерением вязкости; оптическими методами измерением светорассеяния различными растворами; ультрацентрифугированием, при котором вещества разделяются по их плотности).
СП особенно важна при определении механических свойств полимера, поскольку при прочих равных условиях более длинные цепи налагаются друг на друга более эффективно и порождают большие силы сцепления. Можно сказать, что заметная механическая прочность наблюдается уже при СП 50-100, достигая максимума при СП выше 1000.
