Вопрос 37. Металлические магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов и других деталей. Первое требование, предъявляемое к постоянным магнитам,
заключается в том, что они должны создавать в воздушном зазоре между своими полюсами магнитное поле с постоянными по величине напряженностью и магнитной
индукцией. Постоянный магнит должен обладать большой магнитной энергией, т. е. магнитно-твердые материалы должны иметь возможно большие коэрцитивную
силу и остаточную магнитную индукцию.

У всякого постоянного магнита с течением времени уменьшается магнитный поток, а следовательно, и удельная магнитная энергия. Этот процесс называется старением магнита. Один вид старения наступает в результате вибраций, ударов, резкого изменения температуры магнита. Такому магниту можно возвратить прежние
магнитные свойства повторным намагничиванием. Другой вид старения связан с изменением структуры магнитно-твердого материала, поэтому является необратимым. Вторым требованием, предъявляемым к магнитно-твердым материалам, является устойчивость к старению.

Металлические магнитно-твердые материалы можно разделить на три основные группы:

мартенситные,

высовысокоуглеродистые стали;

сплавы на основе железа — алюминия — никеля; металлокерамические.

Мартенситные стали. Мартенситная структура в высокоуглеродистых сталях получается посредством их закалки—нагрева до температуры, при которой сталь
представляет собой раствор углерода в железе (аустенит), и последующего резкого охлаждения в воде или масле. При мартенситной структуре кристаллы железа
резко искажаются — вытягиваются в длину, а оставшаяся часть раствора углерода вызывает внутренние напряжения. Все это обеспечивает магнитную твердость постоянным магнитам, изготовленным из мартенситных
сталей.

В качестве мартенситных сталей применяют хромистые, вольфрамовые и кобальтовые. В хромистые стали в качестве легирующего компонента вводят хром (1, 3—
3, 6%), в вольфрамовые — вольфрам (5, 5—6, 5%) и хром (0, 3—0, 5%), в кобальтовые стали — кобальт (5—17%), молибден (1, 2—1, 7%) и хром (6—10%). Все эти стали
содержат (0, 9—1, 1%) углерода, остальное — железо.

Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мартенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают на мартенсит, а затем намагничивают. Для стабилизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусственному старению.

Лучшими материалами являются кобальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и вольфрамовых. Все стали находят ограниченное применение ввиду невысокого уровня их магнитных характеристик.

Железо — никель — алюминиевые сплавы. Сплавы этого состава, легированные кобальтом, титаном или ниобием, подвергнутые особой термической обработке,
обладают высоким уровнем магнитных характеристик. Эти сплавы обозначаются марками: ЮНД12; ЮНДК15, ЮНДК24, ЮНДК24Б, ЮНДК35Т5 и др. Буквы обозначают компоненты, входящие в состав сплавов на основе железа:
Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К—кобальт, Т — титан, Б — ниобий. Постоянные магниты из этих нековких сплавов можно получать только методом литья с последующей обработкой их шлифованием.

Высокий уровень характеристик магнитной твердости
магнитов из этих сплавов достигается специальной термообработкой, заключающейся в следующем. Вначале производят нагрев магнитов до температуры 900—
1200° С с последующим охлаждением на воздухе или в воде. При этом все составные части сплава (алюминий, никель и др.) будут растворены в железе, образуя пересыщенный раствор.

С течением времени растворенные в железе компоненты сплава начинают выпадать в виде мелкодисперсных частиц.

Последние вызывают внутренние напряжения в кристаллах железа, что обеспечивает материалу высокий уровень магнитной твердости. Чтобы ускорить этот процесс, производят отпуск закаленного магнита, т. е. его нагревают до температуры 500—650° С, при которой начинают выпадать растворенные в железе компоненты. При этом соблюдают критическую скорость охлаждения: 15—20° С в секунду.

Описанный процесс тепловой обработки магнитов из этих сплавов, называемый дисперсионным твердением, состоит из двух этапов — закалки и отпуска.

Уровень магнитных характеристик у сплавов с содержанием кобальта от 15% и выше можно повысить посредством термомагнитной обработки отлитых магнитов.
Для этого магнит нагревают до 1300° С и охлаждают в сильном магнитном поле со скоростью 10—15° С в секунду. Вследствие ориентации магнитных доменов в направлении действия внешнего магнитного поля, охлажденные магниты приобретают магнитную текстуру.

В результате этого их магнитная энергия возрастает в
среднем на 60—80% за счет резкого увеличения остаточной магнитной индукции. После закалки магнитов во внешнем магнитном поле их подвергают отпуску, т. е.
повторному нагреву до 600° С и охлаждению с оптимальной скоростью (15—20°С/с).

Магниты из этих сплавов значительно более стойки к старению, чем мартенситные стали.

Недостатком этих сплавов является то, что они не поддаются обычным
методам механической обработки вследствие большой твердости и хрупкости. Магниты из этих сплавов можно обрабатывать только шлифованием.

Нековкие металлокерамические материалы. Магниты очень малых размеров или сложной формы в массовом производстве стараются изготовлять из металлокерамических материалов.

Эти материалы получают из металлических порошков, которые берут в соотношениях, обеспечивающих магнитную твердость магнитам после их прессования и последующего спекания при высоких температурах.

Металлокерамические магниты изготовляют на основе порошков из сплавов: железо — никель — алюминий или железо — никель — алюминий — кобальт. Чистые металлы или их сплавы измельчают до частиц размером 10—75 мкм. Из порошкообразной исходной массы магниты прессуют при давлениях (10—15) · 10⁵ Н/м².

Отпрессованные магниты спекают в защитной атмосфере или вакууме при 1100—1300° С.

Спеченные магниты закаливают, а затем производят отпуск, охлаждая их
с заданной скоростью. Магниты, в состав которых входит кобальт, подвергают термомагнитной обработке под действием внешнего магнитного поля. Это заметно улучшает их магнитные характеристики.

Металлокерамические магниты в готовом виде имеют небольшую пористость (2—5%), которая несколько снижает их магнитные характеристики.

Достоинствами металлокерамических магнитов являются чистота их поверхности, не требующая дополнительной обработки, и точность заданных размеров.

Магниты из металлокерамических материалов могут обрабатываться только шлифованием.

Вопрос 38. Классификация, состав, характеристики и применение вспомогательных материалов. Применение смазочных и защитных материалов на транспорте

Вспомогательные материалы: припои, флюся, клеи, вяжущие составы.

Припои представляют собой чистые металлы или
сплавы, применяемые в качестве связующего вещества при пайке металлических частей. Всякий припой должен выбираться с таким расчетом, чтобы он имел температуру плавления значительно ниже, чем соединяемые им металлические части. Припои делятся на легкоплавкие и тугоплавкие.

Легкоплавкие, или мягкие, припои имеют температуру плавления ниже 500° С, а тугоплавкие, или твердые, выше 500° С.

В марках припоев буквы и цифры обозначают следующее: буква П, расположенная на первом месте, — припой; стоящие за ней буквы обозначают следующее:
О —олово, Су — сурьма, С — свинец, А — алюминии, Ср —серебро, М—медь, Кр — кремний, Ви —висмут, Зл — золото, К — кадмий. Цифры, располагающиеся за буквами, указывают процент содержания массы основного металла в припое.

Например:

ПОС-90: припой оловянно-свинцовый с содержанием олова 90% по массе;
ПОСК-50-18 содержит олова —50%, кадмия—18%, свинца — остальное по массе.

Наиболее широко применяют оловянно-свинцовые припои. Они обладают большой жидкотекучестью и хорошо проникают в самые тонкие швы, хорошо схватываются с большинством металлов, медью, латунью, сталями, цинком и обеспечивают достаточно высокую прочность паяных швов. Припои с содержанием олова менее
15% применяют для паяния деталей, где не требуется припои с большим содержанием висмута (50—57%) обладают наиболее низкой температурой плавления (79—
95°С), но паяные ими швы хрупки.

К тугоплавким припоям относятся медно-цинковые
(ПМЦ-54, ПМЦ-48 и др.) и медно-серебряные сплавы
(ПСр-72, ПСр-70, ПСр-50 и др.), а также сплавы алюминия с медью, цинком и кремнием. Наиболее широко применяются медно-серебряные припои. Они отличаются
малым удельным электрическим сопротивлением и поэтому широко применяются для пайки токоведущих частей из черных и цветных металлов, которые хорошо
смачиваются этими припоями. При этом образуются
механически прочные и коррозионно-стойкие паяные швы.

Припои на алюминиевой основе с добавками меди,
кремния и олова отличаются повышенной механической прочностью и стойкостью к атмосферной коррозии. Эти припои применяются для пайки алюминиевых проводов
и других деталей из алюминия и его сплавов.

Медно-цинковые припои обладают хрупкостью и не
стойки к вибрациям и ударным нагрузкам, но электрическое сопротивление швов очень мало. Эти припои применяются для пайки деталей из меди, латуни, бронзы и
сталей.

Кроме припоя для пайки необходимы флюсующие
вещества — флюсы. Их назначение заключается в очистке поверхности спаиваемых металлов от окислов и других загрязнений и в предохранении поверхностей спаиваемых металлов от окисления в процессе пайки.

Флюсы могут представлять собой твердые порошкообразные вещества (бура, борная кислота, канифоль и др.) или жидкости (водный раствор хлористого цинка,
спиртовый раствор канифоли и др.). Иногда применяют полужидкие флюсы-пасты.

При пайке меди, латуни и бронз легкоплавкими припоями на свинцовой основе применяют флюсы, не вызывающие коррозии паяных швов. К таким флюсам относятся канифоль, раствор канифоли в этиловом спирте и другие составы на основе канифоли. Канифоль является слабоактивным флюсом, поэтому поверхности спаиваемых металлов должны быть тщательно зачищены перед нанесением канифольного флюса.

При пайке тугоплавкими (твердыми) припоями, плавящимися при температуре выше 500° С, канифоль и другие легко распадающиеся при высокой температуре
флюсы применять нельзя. При высокотемпературной пайке стали, меди и медных сплавов (латуни, бронзы и др.) в качестве флюсов чаще всего используют буру
Na₂B₄0₇ или смеси ее с борной кислотой Н₃ВО₃ и другими солями. Для пайки алюминия, легко окисляющегося на воздухе, применяют особо активные флюсы, могущие растворять плотную пленку окислов на алюминии. К таким флюсам относится состав из хлористого лития, фтористого натрия, хлористого цинка и хлористого калия. Во всех случаях выбора флюса надо иметь в виду следующее: температура плавления твердого флюса
должна быть ниже температуры плавления припоя, а
температура пайки — ниже температуры термического разложения флюса. Во избежание коррозии паяных швов твердыми припоями остатки флюса должны быть удалены промывкой швов горячей водой с помощью волосяной щетки.

Клеи и вяжущие составы широко применяются в производстве электрических аппаратов, приборов и других видов электрооборудования. От клеев и вяжущих составов не всегда требуются хорошие электроизоляционные свойства. Эти материалы, в первую очередь, должны обладать свойством склеивания — прилипания к металлическим и неметаллическим материалам (адгезией).

Склеивание каких-либо двух материалов происходит
в результате сцепления пленки клея с поверхностями
склеиваемых материалов. В результате химических реакций, протекающих в пленке клея, последняя превращается в твердое вещество, прочно соединяющее склеенные части. Сцепление пленки клея с поверхностью склеиваемых материалов возникает не только вследствие химических реакций, но также в результате появления
межмолекулярных и электростатических сил между пленкой клея и поверхностями склеиваемых материалов.

На прочность клеевого шва оказывают влияние толщина и сплошность клеевой пленки, объемная усадка ее после склеивания, состав и структура склеиваемых материалов, а также степень подготовки склеиваемых поверхностей. Клей должен целиком заполнять зазор между склеиваемыми частями без воздушных включений.

Толщина клеевой пленки не должна быть очень большой, но она должна обеспечивать непрерывность клеевого слоя на всей площади склеивания. Для обеспечения
сплошной клеевой пленки оптимальной толщины и проникновения клея в поры склеиваемых поверхностей их нужно предварительно подогнать друг к другу и тщательно очистить от загрязнений с помощью растворителей. Для лучшего склеивания многие материалы (металлы, пластмассы) подвергают пескоструйной обработке
или ошкуриванию для получения некоторой шероховатости склеиваемых поверхностей. Это обеспечивает повышение прочности клеевого шва. С этой же целью
склеиваемые детали необходимо подвергать сжатию при определенных давлениях. Очень многие клеи для своего отвердевания требуют нагрева до температуры 90—
180° С и выше.

Клеи составляют большую группу веществ. В электротехническом производстве применяют клеи на основе синтетических смол, обладающих наибольшей клеящей
способностью. Многие из этих клеев обладают хорошими электроизоляционными свойствами. К таким клеям относятся глифталевые клеящие лаки, широко применяемые для склеивания листочков слюды в производстве слюдяной слоистой изоляции. Сюда же относятся бакелитовые лаки, широко применяемые в производстве слоистых электроизоляционных пластмасс (гетинакс, текстолит и др.).

Большое применение получили клеи БФ, представляющие собой спиртовые растворы бутварно-фенольных смол. Эти клеи выпускаются трех марок: БФ-2, БФ-4 и
БФ-6. Они отличаются друг от друга составом и имеют свои особенности, которые обусловливают области их применения. Так, клеи БФ-2 и БФ-4 применяют для
склеивания металлов, пластмасс, стекол, керамики, слюды и древесины. Клей БФ-4 обеспечивает высокую сопротивляемость клеевого шва вибрациям. Клей БФ-6
образует эластичный клеевой шов и поэтому рекомендуется для склеивания резин и тканей друг с другом и для приклеивания их к металлам и пластмассам.

Клеи БФ наносят в два-три слоя на каждую склеиваемую поверхность. Время сушки каждого слоя при комнатной температуре составляет 1 ч, после чего наносят следующий слой клея, который подсушивается тоже в течение 1 ч. После этого склеиваемые детали соединиют друг с другом и слегка притирают. Затем их помещают под пресс или в струбцину, чтобы обеспечить давление (4—12) • 10⁵ Н/м².

Отвердевание клея происходит при температурах 140—150° С (БФ-2 и БФ-4) и 90—100° С (БФ-6) в течение 0, 5—3 ч. Увеличение времени нагрева повышает прочность клеевого шва. Для выдержки клеевого шва при повышенных температурах склеиваемые детали помещают в термостат или применяют пресс с обогреваемыми плитами. Образующиеся при опрессовании соединяемых деталей подтеки клея удаляют шпателем (металлической лопаточкой) или тряпкой.

Клеевые швы, образуемые клеями БФ, стойки к воде,
минеральным маслам, керосину, бензину и многим спиртам. Они не вызывают коррозии металлов и могут работать в интервале температур от —60 до +80° С.

Широкое применение получили клеи на основе жидких и твердых эпоксидных смол. Как известно, эпоксидные смолы отличаются высокой адгезией к металлам, пластмассам, стеклам, керамике и другим материалам. Кроме того, эпоксидные смолы и клеи отличаются малой объемной усадкой при отвердевании, что повышает прочность клеевого шва. Эпоксидные клеи могут отвердевать при температуре 20° С и при повышенных температурах: 120—170°С (клеи горячего отвердевания), Эпоксидные жидкие смолы необходимо подвергать вакуумной обработке при 50—70° С с целью удаления из них воздушных включений, а затем смешивать с отвердителями.

Из эпоксидных клеев широко применяют клей на
смолах ЭД-15 и ЭД-16, представляющих собой жидкие сиропообразные массы, в которые вводят 15—20% отвердителя — полиэтиленполиамина. Исходные компоненты тщательно перемешивают. Приготовленный клей пригоден к применению в течение 2—6 ч, по истечении которых начинает сильно загустевать и постепенно превращаться в твердое вещество. Поэтому отвердитель (полиэтиленполиамин) необходимо вводить в смолу непосредственно перед применением клея. На предвари тельно подготовленные и очищенные поверхности наносят один слой клея, которому дают подсохнуть на воздухе в течение 15—30 мин. Затем склеиваемые поверхности соединяют друг с другом и сдавливают при давлении (1—2) • 10⁵ Н/м². Отвердевание клеевого шва происходит при 20° С в течение 18 ч. Для обеспечения более прочного клеевого шва необходима еще дополнительная обработка его при 100° С в течение 4 ч.

Если в смолу ЭД-15 или ЭД-16 ввести другой отвердитель — малеиновый ангидрид (30%), то получится клей горячего отверждения. В этом случае клеевой шов
отвердевает при 120° С в течение 16—24 ч.

Чаще применяют ступенчатый режим отвердевания клеевого шва: 6—8 ч

при 120° С, затем 4—6 ч при 150° С. В обоих случаях отвердевания клеевых швов соединяемые поверхности должны находиться под давлением
(0, 5—3) -10⁵ Н/м².

С целью повышения теплостойкости и снижения остаточных напряжений в клеевых швах в клеи вводят наполнители: пылевидный кварц, цемент и металлические
порошки (серебра, меди и др.) Последние позволяют получить клеевые швы с большой проводимостью. Это необходимо при склеивании токоведущих металлических
деталей в электрических аппаратах и приборах.

Основной характеристикой клеев (перед их применением) является вязкость, которая должна доводиться до значений, предписываемых технологической инструкцией
на данный клей. Для этого клеевую смесь приходится подогревать, а вязкость клея строго контролировать с помощью вискозиметров.

Эпоксидные клеи могут также представлять собой
порошки или прутки. Порошкообразный клей наносят тонким слоем на предварительно нагретые поверхности (100—120° С) склеиваемых металлических или пластмассовых деталей. При применении клея в виде прутка им натирают нагретые поверхности склеиваемых частей. В остальном технология склеивания не отличается от
описанной ранее для жидких эпоксидных клеев. Отверждение клеевых швов происходит при давлении (0, 5—0, 3) · 10⁵ Н/м² и при температурах 120—200° С в течение
от 10 до 0, 5 ч соответственно. Эпоксидные клеевые швы могут работать в интервале температур от —60до +100° С. Следует отметить, что отвержденные эпоксидные клеевые швы и клеи БФ обладают хорошими электрическими характеристиками.

Кроме клеев в электротехническом производстве и на монтажах широко применяют вяжущие составы (связки). Они представляют собой тестообразные текучие массы, которые с течением времени затвердевают. В отличие от клеев эти составы применяют не для склеивания, а для заделки (крепления) металлической арматуры на изоляторах, например фланцев на проходных и опорных изоляторах, для наклейки чугунных шапок на подвесные изоляторы, а также для закрепления в головках подвесных и штыревых изоляторов металлических стержней.

Для армирования изоляторов нашли наибольшее применение цементно-песчаные вяжущие составы. Они состоят из 2—3 частей высококачественного портландцемента (марки 500 или 600) и одной части промытого
кварцевого песка. Портландцемент представляет собой
тонкомолотый цементный клинкер, получаемый в результате обжига смеси исходных материалов, содержащих известь и глину, или цементных природных мергелей
(природных глинистых известняков).

В состав цемента вводят также гидравлические добавки (до 15%) в виде гранулированного доменного шлака и других минеральных веществ, способствующих увеличению механической прочности отвердевшего цемента (цементного камня). Наряду с гидравлическими добавками в цемент добавляют инертные породы. Плотность портландцемента составляет 3000—3200 кг/м³. Он имеет большое преимущество перед другими цементами — способность соединяться со сталью и чугуном без какого-либо вредного воздействия на них. Качество портландцемента определяется его химическим составом, режимом обжига исходных материалов и тониной помола
исходных компонентов.

Важнейшими характеристиками цемента являются скорость схватывания и скорость твердения.

Схватывание цемента — это превращение цементного теста в непластичную твердую массу. Твердение цемента— это процесс нарастания его механической прочности во времени. Твердение цемента может происходить
на воздухе и в воде.

Смазочные материалы классифицируются по происхождению, назначению, физической природе и т. д.

По происхождению смазочные материалы делят на растительные, животные, нефтяные и компаундированные.

Смазочные материалы растительного и животного происхождения (масла и жиры) обладают ценными смазочными свойствами, но так как они являются пищевыми продуктами, то их следует расходовать экономно.

В настоящее время их используют в очень ограниченном количестве, обычно в качестве компонентов каких-либо специальных смазочных материалов.

Основная масса смазочных материалов нефтяного происхождения.

Смазочные материалы нефтяного происхождения подразделяют
по способу производства и способу очистки.

По способу производства их делят на дистиллятные, остаточные и смешанные.

Большинство масел малой и средней вязкости являются дистиллятными, что позволяет получать материалы с малым содержанием асфальтосмолистых веществ, которые переходят в остаток от перегонки.

Большая группа технических масел (автотракторные, дизельные, компрессорные и др.) изготовляется смешиванием дистиллятных и остаточных масел.

Железнодорожный транспорт больше всего потребляет осевых масел, которые являются остаточными продуктами.

В зависимости от основного реагента, применяемого для очистки масел, различают масла сернокислотной и селективной очистки.

При очистке масел удаляют вредные примеси — асфадьтосмолистые вещества, нафтеновые кислоты, некоторые сернистые соединения и часть углеводородов (высокомолекулярных, полициклических, ароматических, нафтено-ароматических, непредельных). После сернокислотной очистки масло обрабатывают щелочью или
отбеливающими землями (или теми и другими) и затем несколько
раз промывают водой.

Масла, очищенные кислотой и щелочью с последующей промывкой, называют маслами сернокислотной очистки, очищенные кислотой и землей — маслами кислотно-контактной очистки. Масла, очищенные с помощью селективных растворителей, называют маслами селективной очистки.

В дистиллятных и остаточных фракциях содержатся парафины,
для удаления которых применяется депарафинизация. Для удаления высокосмолистых остатков производится деасфальтизация.

В некоторых случаях применяют компаундированные смазочные материалы, получаемые путем смешивания нефтяных продуктов с растительными или животными жирами.

За последнее время все большее количество смазочных материалов получается синтетическим путем.

По назначению различают масла:

- для двигателей внутреннего сгорания, в том числе для автомобилей и тракторов (автотракторные) и дизелей (дизельные);

- для механического оборудования — индустриальные легкие, средние и тяжелые; для специальных механизмов (трансмиссионные, судовые), поршневых паровых машин, паровых и водяных турбин, воздушных компрессоров, воздуходувок, холодильных машин.

Все виды транспорта, особенно железнодорожный, потребляют громадное количество смазочных масел.

Их роль заключается в уменьшении трения в подшипниках и опорах, уменьшении и предотвращении износа трущихся поверхностей и охлаждении деталей машин в узлах трения.

По физической природе смазочные материалы делятся на
жидкие, мазеподобные и полутвердые (консистентные).