Свойства технических материалов

Оловянные бронзы При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Эти сплавы очень склонны к ликвации из-за большого температурного интервала кристаллизации. Благодаря ликвации сплавы с содержанием олова выше 5 % имеют в структуре эвтектоидную составляющую Э(), состоящую из мягкой и твердой фаз. Такое строение является благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспечивает хорошую прирабатываемость, твердые частицы создают износостойкость. Поэтому оловянные бронзы являются хорошими антифрикционными материалами.

Оловянные бронзы имеют низкую объемную усадку (около 0,8 %), поэтому используются в художественном литье.

Наличие фосфора обеспечивает хорошую жидкотекучесть.

Оловянные бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 %, для обеспечения необходимой пластичности, БрОФ6,5-0,15.

В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упругими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изготавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

Литейные оловянные бронзы, БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17, применяются для изготовления пароводяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкладышей подшипников.

Алюминиевые бронзы, БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение - твердого раствора. При содержании алюминия 9,4…15,6 % сплавы системы медь - алюминий двухфазные и состоят из - и - фаз.

Оптимальными свойствами обладают алюминиевые бронзы, содержащие 5…8 % алюминия. Увеличение содержания алюминия до 10…11 % вследствие появления - фазы ведет к резкому повышению прочности и сильному снижению пластичности. Дополнительное повышение прочности для сплавов с содержанием алюминия 8…9,5 % можно достичь закалкой.

Положительные особенности алюминиевых бронз по сравнению с оловянными:

· меньшая склонность к внутрикристаллической ликвации;

· большая плотность отливок;

· более высокая прочность и жаропрочность;

· меньшая склонность к хладоломкости.

Основные недостатки алюминиевых бронз:

· значительная усадка;

· склонность к образованию столбчатых кристаллов при кристаллизации и росту зерна при нагреве, что охрупчивает сплав;

· сильное газопоглощение жидкого расплава;

· самоотпуск при медленном охлаждении;

· недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.

Для устранения этих недостатков сплавы дополнительно легируют марганцем, железом, никелем, свинцом.

Из алюминиевых бронз изготавливают относительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработкой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изготавливают медали и мелкую разменную монету.

Кремнистые бронзы, БрКМц3-1, БрК4, применяют как заменители оловянных бронз. Они немагнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря высокой устойчивости к щелочным средам и сухим газам, их используют для производства сточных труб, газо- и дымопроводов.

Свинцовые бронзы, БрС30, используют как высококачественный антифрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами имеют более низкие механические и технологические свойства.

Бериллиевые бронзы, БрБ2, являются высококачественным пружинным материалом. Растворимость бериллия в меди с понижением температуры значительно уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий методом дисперсионного твердения. Готовые изделия из бериллиевых бронз подвергают закалке от 800^oС, благодаря чему фиксируется при комнатной температуре пересыщенные твердый раствор бериллия в меди. Затем проводят искусственное старение при температуре 300…350^oС. При этом происходит выделение дисперсных частиц, возрастают прочность и упругость. После старения предел прочности достигает 1100…1200 МПа.

6. Композиционные материалы. Материалы порошковой металлургии: пористые, конструкционные, электротехнические

6.1 Композиционные материалы

Композиционные материалы - искусственно созданные материалы, которые состоят из двух или более компонентов, различающихся по составу и разделенных выраженной границей, и которые имеют новые свойства, запроектированные заранее.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку.

Компонент, непрерывный во всем объеме композиционного материала, называется матрицей.

Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиционного материала, называется арматурой.

Матрица придает требуемую форму изделию, влияет на создание свойств композиционного материала, защищает арматуру от механических повреждений и других воздействий среды.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные свойства: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Вместо термина армирующий компонент можно использовать термин наполнитель.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице, природе компонентов.

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:

· с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

· с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;

· с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

· с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

· с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;

· с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его расположении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

· композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;

· композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

· композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;

· композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.

Свойства композиционных материалов зависят не только от физико-химических свойств компонентов, но и от прочности связи между ними. Максимальная прочность достигается, если между матрицей и арматурой происходит образование твердых растворов или химических соединений.

В композиционных материалах с нуль-мерным наполнителем наибольшее распространение получила металлическая матрица. Композиции на металлической основе упрочняются равномерно распределенными дисперсными частицами различной дисперсности. Такие материалы отличаются изотропностью свойств.

В таких материалах матрица воспринимает всю нагрузку, а дисперсные частицы наполнителя препятствуют развитию пластической деформации. Эффективное упрочнение достигается при содержании 5…10 % частиц наполнителя.

Армирующими наполнителями служат частицы тугоплавких оксидов, нитридов, боридов, карбидов.

Дисперсионно упрочненные композиционные материалы получают методами порошковой металлургии или вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава.

Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами оксида алюминия (Al₂O₃). Их получают прессованием алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Преимущества САП проявляются при температурах выше 300^oС, когда алюминиевые сплавы разупрочняются. Дисперсионно упрочненные сплавы сохраняют эффект упрочнения до температуры 0,8 Т_пл.

Сплавы САП удовлетворительно деформируются, легко обрабатываются резанием, свариваются аргонодуговой и контактной сваркой. Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Из них изготавливают лопатки компрессоров, вентиляторов и турбин, поршневые штоки.

В композиционных материалах с одномерными наполнителями упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон, проволоки, которые скрепляются матрицей в единый монолит. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице. Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

Материалы, армированные нитевидными монокристаллами, были созданы в начале семидесятых годов для авиационных и космических конструкций. Основным способом выращивания нитевидных кристаллов является выращивание их из перенасыщенного пара (ПК-процесс). Для производства особо высокопрочных нитевидных кристаллов оксидов и других соединений осуществляется рост по П-Ж-К - механизму: направленный рост кристаллов происходит из парообразного состояния через промежуточную жидкую фазу.

Осуществляется создание нитевидных кристаллов вытягиванием жидкости через фильеры. Прочность кристаллов зависит от сечения и гладкости поверхности.

Композиционные материалы этого типа перспективны как высокожаропрочные материалы. Для увеличения к.п.д. тепловых машин лопатки газовых турбин изготавливают из никелевых сплавов, армированных нитями сапфира (Al₂O₃), это позволяет значительно повысить температуру на входе в турбину (предел прочности сапфировых кристаллов при температуре 1680^oС выше 700 МПа).

Армирование сопл ракет из порошков вольфрама и молибдена производят кристаллами сапфира как в виде войлока, так и отдельных волокон, в результате этого удалось удвоить прочность материала при температуре 1650^oС. Армирование пропиточного полимера стеклотекстолитов нитевидными волокнами увеличивает их прочность. Армирование литого металла снижает его хрупкость в конструкциях. Перспективно упрочнение стекла неориентированными нитевидными кристаллами.

Для армирования композиционных материалов применяют металлическую проволоку из разных металлов: стали разного состава, вольфрама, ниобия, титана, магния - в зависимости от условий работы. Стальная проволока перерабатывается в тканые сетки, которые используются для получения композиционных материалов с ориентацией арматуры в двух направлениях.

Для армирования легких металлов применяются волокна бора, карбида кремния. Особенно ценными свойствами обладают углеродистые волокна, их применяют для армирования металлических, керамических и полимерных композиционных материалов.

Эвтектические композиционные материалы - сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. В отличие от обычных композиционных материалов, эвтектические получают за одну операцию. Направленная ориентированная структура может быть получена на уже готовых изделиях. Форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. Способами направленной кристаллизации получают композиционные материалы на основе алюминия, магния, меди, кобальта, титана, ниобия и других элементов, поэтому они используются в широком интервале температур.

Полимерные композиционные материалы. Особенностью является то, что матрицу образуют различные полимеры, служащие связующими для арматуры, которая может быть в виде волокон, ткани, пленок, стеклотекстолита.

Формирование полимерных композиционных материалов осуществляется прессованием, литьем под давлением, экструзией, напылением.

Широкое применение находят смешанные полимерные композиционные материалы, куда входят металлические и полимерные составляющие, которые дополняют друг друга по свойствам. Например, подшипники, работающие в условиях сухого трения, изготовляют из комбинации фторопласта и бронзы, что обеспечивает самосмазываемость и отсутствие ползучести.

Созданы материалы на основе полиэтилена, полистирола с наполнителями в виде асбеста и других волокон, обладающие высокими прочностью и жесткостью.

6.2 Материалы порошковой металлургии

Порошковая металлургия - область техники, охватывающая процессы получения порошков металлов и металлоподобных соединений и процессы изготовления изделий из них без расплавления.

Характерной особенностью порошковой металлургии является применение исходного материала в виде порошков, из которых прессованием формуются изделия заданной формы и размеров. Полученные заготовки подвергаются спеканию при температуре ниже температуры плавления основного компонента.

Основными достоинствами технологии производства изделий методом порошковой металлургии являются:

1. возможность изготовления деталей из тугоплавких металлов и соединений, когда другие методы использовать невозможно;

2. значительная экономия металла за счет получения изделий высокой точности, в минимальной степени нуждающихся в последующей механической обработке (отходы составляют не более 1…3 %);

3. возможность получения материалов максимальной чистоты;

4. простота технологии порошковой металлургии.

Методом порошковой металлургии изготавливают твердые сплавы, пористые материалы: антифрикционные и фрикционные, фильтры; электропроводники, конструкционные детали, в том числе работающие при высоких температурах и в агрессивных средах.

6.3 Пористые порошковые материалы

Отличительной особенностью является наличие равномерной объемной пористости, которая позволяет получать требуемые эксплуатационные свойства.

Антифрикционные материалы (пористость 15…30 %), широко применяющиеся для изготовления подшипников скольжения, представляют собой пористую основу, пропитанную маслом. Масло поступает из пор на поверхность, и подшипник становится самосмазывающимся, не требуется подводить смазку извне. Это существенно для чистых производств (пищевая, фармацевтическая отрасли). Такие подшипники почти не изнашивают поверхность вала, шум в 3…4 раза меньше, чем от шариковых подшипников.

Подшипники работают при скоростях трения до 6 м/с при нагрузках до 600 МПа. При меньших нагрузках скорости скольжения могут достигать 20…30 м/с. Коэффициент трения подшипников - 0,04…0,06.

Для изготовления используются бронзовые или железные порошки с добавлением графита (1…3 %).

Разработаны подшипниковые спеченные материалы на основе тугоплавких соединений (боридов, карбидов и др.), содержащие в качестве твердой смазки сульфиды, селениды и гексагональный нитрид бора. Подшипники могут работать в условиях вакуума и при температурах до 500^oС.

Применяют металлопластмассовые антифрикционные материалы: спеченные бронзографиты, титан, нержавеющие стали пропитывют фторопластом. Получаются коррозионностойкие и износостойкие изделия. Срок службы металлопластмассовых материалов вдвое больше, чем материалов других типов.

Фрикционные материалы (пористость 10…13 %) предназначены для работы в муфтах сцепления и тормозах. Условия работы могут быть очень тяжелыми: трущиеся поверхности мгновенно нагреваются до 1200^oС, а материал в объеме - до 500…600^oС. Применяют спеченные многокомпонентные материалы, которые могут работать при скоростях трения до 50 м/с на нагрузках 350…400 МПа. Коэффициент трения при работе в масле - 0,08…0,15, при сухом трении - до 0,7.

По назначению компоненты фрикционных материалов разделяют на группы:

а) основа - медь и ее сплавы - для рабочих температур 500…600^oС, железо, никель и сплавы на их основе - для работы при сухом трении и температурах 1000…1200^oС;

б) твердые смазки - предотвращают микросхватывание при торможении и предохраняют фрикционный материал от износа; используют свинец, олово, висмут, графит, сульфиты бария и железа, нитрид бора;

в) материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения - асбест, кварцевый песок, карбиды бора, кремния, хрома, титана, оксиды алюминия и хрома и др.

Примерный состав сплава: медь - 60…70 %, олово - 7 %, свинец - 5 %, цинк - 5…10%, железо - 5…10 %, кремнезем или карбид кремния - 2…3 %, графит - 1…2 %.

Из фрикционных материалов изготавливают тормозные накладки и диски. Так как прочность этих материалов мала, то их прикрепляют к стальной основе в процессе изготовления (припекают к основе) или после (приклепывают, приклеивают и т.д.).

Фильтры (пористость 25…50 %) из спеченных металлических порошков по своим эксплуатационным характеристикам превосходят другие фильтрующие материалы, особенно когда требуется тонкая фильтрация.

Они могут работать при температурах от -273^oС до 900^oС, быть коррозионностойкими и жаропрочными (можно очищать горячие газы). Спекание позволяет получать фильтрующие материалы с относительно прямыми тонкими порами одинакового размера.

Изготавливают фильтры из порошков коррозионностойких материалов: бронзы, нержавеющих сталей, никеля, серебра, латуни и др. Для удовлетворения запросов металлургической промышленности разработаны материалы на основе никелевых сплавов, титана, вольфрама, молибдена и тугоплавких соединений. Такие фильтры работают тысячи часов и поддаются регенерации в процессе работы. Их можно продуть, протравить, прожечь.

Фильтрующие материалы выпускают в виде чашечек, цилиндров, втулок, дисков, плит. Размеры колеблются от дисков диаметром 1,5 мм до плит размерами 450 х 1000 мм. Наиболее эффективно применение фильтров из нескольких слоев с различной пористостью и диаметром пор.

6.4 Прочие пористые изделия

“Потеющие сплавы“ - материалы, через стенки которых к рабочей наружной поверхности детали поступает жидкость или газ. Благодаря испарению жидкости температура поверхности понижается (лопатки газовых турбин).

Сплавы выпускаются на основе порошка нихроми с порами диаметром до 10…12 мкм при пористости 30 %. Сплавы этого типа используются и для решения обратной задачи: крылья самолетов покрывают пористым медно-никелевым слоем и подают через него на поверхность антифриз, препятствующий обледенению.

Пеноматериалы - материалы с очень высокой пористьстью, 95…98 %. Например, плотность вольфрама 19,3 г/см³, а пеновольфрама - всего 3 г/см³. Такие материалы используют в качестве легких заполнителей и теплоизоляции в авиационной технике.

6.5 Конструкционные порошковые материалы

Спеченные стали. Типовыми порошковыми деталями являются кулачки, корпуса подшипников, ролики, звездочки распределительных валов, детали пишущих и вычислительных машин и другие. В основном это слабонагруженные детали, их изготавливают из порошка железа и графита. Средненагруженные детали изготавливают или двукратным прессованием - спеканием, или пропиткой спеченной детали медью или латунью. Детали сложной конфигурации (например, две шестерни на трубчатой оси) получают из отдельных заготовок, которые насаживают одну на другую с натягом и производят спекание. Для изготовления этой группы деталей используют смеси железо - медь - графит, железо - чугун, железо - графит - легирующие элементы.

Особое место занимают шестерни и поршневые кольца. Шестерни в зависимости от условий работы изготавливают из железо-графита или из железо-графита с медью или легирующими элементами. Снижение стоимости шестерни при переходе с нарезки зубьев на спекание порошка составляет 30…80 %. Пропитка маслом позволяет обеспечить самосмазываемость шестерни, уменьшить износ и снизить шум при работе.

Спеченные поршневые кольца изготавливают из смеси железного порошка с графитом, медью и сульфидом цинка (твердая смазка). Для повышения износостойкости делают двухслойные кольца: во внешний слой вводят хром и увеличивают содержание графита. Применение таких колец увеличивает пробег автомобильного двигателя, уменьшаеттего износ и сокращает расход масла.

Высоколегированные порошковые стали, содержащие 20 % хрома и 15 % никеля, используют для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах.

6.6 Спеченные цветные металлы

Спеченный титан и его сплавы используют в виде полуфабрикатов (лист, трубы, пруток). Титановый каркас пропитывают магнием. Такие материалы хорошо обрабатываются давлением.

Широко используются материалы на основе меди, например, изготавливают бронзо-графитные шестерни. Свойства спеченных латуней выше, чем литых, из-за большей однородности химического состава и отсутствия посторонних включений.

Спеченные алюминиевые сплавы используют для изготовления поршней тяжело нагруженных двигателей внутреннего сгорания и других изделий, длительное время работающих при повышенных температурах, благодаря их повышенной жаропрочности и коррозионной стойкости.

Керамикометаллические материалы (керметы) содержат более 50 % керамической фазы. В качестве керамической фазы используют тугоплавкие бориды, карбиды, оксиды и нитриды, в качестве металлической фазы - кобальт, никель, тугоплавкие металлы, стали.

Керметы отличаются высокими жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, прочностью. Они используются для изготовления деталей конструкций, работающих в агрессивных средах при высоких температурах (например, лопаток турбин, чехлов термопар). Частным случаем керметов являются твердые сплавы.

6.7 Электротехнические порошковые материалы

Электроконтактные порошковые материалы делятся на материалы для разрывных контактов и материалы для скользящих контактов.

Материалы разрывных контактов должны быть тепло- и электропроводными, эрозионностойкими при воздействии электрической дуги, не свариваться в процессе работы. Контактное сопротивление должно быть возможно меньшим, а критические сила тока и напряжение при образовании дуги - возможно большими. Чистых металлов, удовлетворяющих всем этим требованиям, нет. Изготавливают контактные материалы прессованием с последующим спеканием или пропиткой пористого тугоплавкого каркаса более легкоплавким металлом (например, вольфрам пропитывают медью или серебром).

Тяжелонагруженные разрывные контакты для высоковольтных аппаратов делают из смесей вольфрам - серебро - никель или железо - медь. В низковольтной и слаботочной аппаратуре широко используют материалы на основе серебра с никелем, оксидом кадмия и другими добавками, а также медно - графитовые материалы.

Скользящие контакты широко используют в приборах, коллекторных электрических машинах и электрическом транспорте (токосъемники). Представляют собой пары трения, должны обладать высокими антифрикционными свойствами, причем контакт должен быть мягче, чем контртело и не изнашивать его, так как заменить скользящий контакт проще, чем коллектор или привод. Для обеспечения антифрикционности, в состав смесей для скользящих контактов вводят твердые смазки - графит, дисульфид молибдена, гексагональный нитрид бора. Большинство контактов электрических машин изготавливают из меди с графитом. Для коллекторных пластин пантографов используют бронзографитовые контакты. Контакты приборов изготавливают из серебра с графитом, серебра с палладием, никелем, дисульфидом молибдена, вольфрама с палладием.

6.8 Магнитные порошковые материалы

Различают магнитомягкие и магнитотвердые материалы.

Магнитомягкие - это материалы с большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой, быстро намагничиваются и быстро теряют магнитные свойства при снятии магнитного поля. Основной магнитомягкий материал - чистое железо и его сплавы с никелем и кобальтом. Для повышения электросопротивления легируют кремнием, алюминием. Для улучшения прессуемости сплавов вводят до 1 % пластмассы, которая полностью испаряется при спекании. Пористость материалов должна быть минимальной.

Отдельно выделяется группа магнитодиэлектриков - это частицы магнитомягкого материала, разделенные тонким слоем диэлектрика - жидкого стекла или синтетической смолы. Таким материалам присущи высокое электросопротивление и минимальные потери на вихревые токи и на перемагничивание. Изготавливаются в результате смешивания, прессования и спекания, особенностью является то, что при нагреве частицы магнитного материала остаются изолированными и не меняют формы. За основу используют чистое железо, альсиферы.

Магнитотвердые материалы (постоянные магниты) - материалы с малой магнитной проницаемостью и большой коэрцитивной силой.

Магниты массой до 100 г изготавливают из порошковых смесей такого же состава, как литые магниты: железо - алюминий - никель (альни), железо - алюминий - никель - кобальт (альнико). После спекания этих сплавов обязательна термическая обработка с наложением магнитного поля.

Высокие магнитные свойства имеют магниты из сплавов редкоземельных металлов (церий, самарий, празеодим) с кобальтом.

7. Лакокрасочные материалы (ЛКМ)

Историки считают, что слово "лак" родилось на полуострове Индостан. Именно там был изобретен первый лак - шеллак, изготовленный на основе смолистых выделений насекомых, обитающих в огромных количествах на тропических деревьях. Буквально слово "лак" означало "сто тысяч".

7.1 Основы плёнкообразования

Переход пленкообразующего вещества из вязкожидкого состояния в твердую сплошную пленку, прочно прилипающую к поверхности покрываемого изделия, зависит от соотношения сил адгезин между молекулами пленкообразователя и сил адгезии между пленкообра-зователем и покрываемой поверхностью.

Пленкообразователи с сильным межмолекулярным взаимодействием (с высокой когезией) обычно обладают слабой адгезией и, наоборот, при относительно слабом межмолекулярном взаимодействии пленкообразователя адгезия выше. Объясняется это тем, что при сильном межмолекулярном взаимодействии молекулярные цепи пленкообразующего вещества (например, кристаллизующего полимера) менее гибки и хуже проникают в неровности и поры покрываемого изделия, что препятствует установлению молекулярного контакта на возможно большей площади касания пленки покрытия с поверхностью покрываемого тела.

Адгезия к покрываемой поверхности тем выше, чем большей способностью вытеснять адсорбированные газы и мономолекулярные слои влаги с поверхности покрываемого изделия обладают молекулы пленкообразующего вещества. Эта способность тем выше, чем большей гибкостью обладают макромолекулы пленкообразователя. Поэтому ослабление межмолекулярного взаимодействия пленкообразо-вателя растворителями, пластификаторами, повышением температуры всегда приводит к улучшению его адгезии к покрываемой поверхности. Рациональный выбор лакокрасочного состава позволяет обеспечивать хорошую адгезию и достаточно высокую когезию. При слабой когезии пленка покрытия может быть несплошной и недостаточно механически прочной.

Образование пленки в результате испарения растворителей из лака и краски и дисперсионной среды из водной эмульсии (водоэмульсионной краски) является процессом физическим. Исходное пленкообразующее вещество не претерпевает при этом, каких либо химических изменений и с помощью растворителей может быть вновь переведено в растворенное состояние. Такой процесс пленкообразо-вания является обратимым. По этому типу образуются пленки из растворов (спиртовых лаков, нитролаков и эмалей и др.) и эмульсий.

Пленкообразование из эмульсий имеет некоторые отличия от пленкообразования из растворов. При постепенном испарении дисперсионной среды (воды) из эмульсионной пленки частицы пленкообразующего вещества начинают слипаться (происходит процесс ауто-гезии). Хорошие защитные свойства такой пленки достигаются только при полном самослипании частиц пленкообразующего вещества эмульсии. Эмульгаторы, введение которых в эмульсию обязательно, затрудняют самосливание (аутогезию), поэтому эмульсионные покрытия более пористы, чем лаковые. Степень пористости (проницаемости) пленок часто регулируют соотношением растворителей и разбавителей. Если из лакокрасочного состава в первую очередь будет испаряться растворитель, а не разбавитель, то получаются более пористые пленки.

Пленкообразование во многих случаях идет в результате реакций полимеризации или поликонденсации между молекулами пленко-образователя под действием кислорода воздуха, тепла, катализаторов и инициаторов, а также специальных отвердителей. Это обусловлено необратимым переходом пленкообразующего вещества в неплавкое и нерастворимое состояние, с установлением поперечных химических связей в его структуре. Образование твердой пленки в этом случае является необратимым химическим процессом. Такие процессы происходят при пленкообразовании из масляных и алкидных лакокрасочных составов, ненасыщенных полиэфирных лаков, эпоксидных смол и др.

Процесс пленкообразования в ряде случаев происходит сначала в результате испарения растворителей, а затем вследствие происходящих химических реакций. Так образуются пленки из лакокрасочных составов, содержащих растворители, например на основе уплотненных олиф и алкидных смол.

Способность масляных лакокрасочных составов высыхать и образовывать твердые пленки, прочно прилипающие к поверхности различных тел, связана с содержанием и ненасыщенностью жирных кислот, входящих в их состав. Чем больше содержится в масле ненасыщенных жирных кислот и чем выше их ненасыщенность, т.е. чем больше их в молекулах двойных связей, тем быстрее идет высыхание масла и тем прочнее образующаяся пленка.

Процесс высыхания масляной пленки связан с интенсивным поглощением кислорода (масса пленки увеличивается), поэтому высыхание масла на воздухе рассматривается как процесс окисления и полимеризации, в результате которого мономерные молекулы масла постепенно укрупняются (полимеризуются) и превращаются в твердые неплавкие и нерастворимые трехмерные полимеры, называемые ли-ноксинами. Не растворяясь в органических растворителях, линоксины лишь набухают в них. Предполагается, что в начальной стадии высыхания идут реакции окисления благодаря присоединению кислорода воздуха по месту двойных связей молекул масла. Далее в результате реакций полимеризации происходит процесс постепенного укрупнения молекул масла, проявляющийся сначала в повышении его вязкости, а в конечном итоге в образовании неплавких и нерастворимых полимеров с трехмерной структурой.

7.2 Общая характеристика и классификация ЛКМ

Лакокрасочные материалы (ЛКМ) - это вещества и составы, которые наносятся тонким слоем на поверхность, подлежащую отделке, где они образуют достаточно прочную и твердую плёнку, хорошо сцепляющуюся с основанием. ЛКМ относятся к группе товаров бытовой химии, куда также входят клеи, средства для стирки и мытья, средства для чистки и ухода за предметами домашнего обихода и изделиями личного пользования, средства для ухода. Они предназначены для улучшения санитарно-гигиенических качеств помещений, создания определённой соответствующей цветовой среды и архитектурно-художественного оформления интерьера и фасада зданий, придания товарам определённой декоративности и удобства ухода за ними, улучшения санитарно-гигиенических качеств помещений, повышения хемо- и огнестойкости, защиты материалов конструкций от воздействий окружающей среды.

Лакокрасочные товары делят на:

-·основные (олифы, лаки, красочные составы);

-·вспомогательные (грунтовки, шпатлевки и др.).

Основой лакокрасочных составов являются пленкообразующие

вещества (пленкообразователи). Кроме того, в них могут входить пигменты, растворители и разбавители, пластификаторы, сиккативы, отвердители, химические добавки.

Пленкообразующие вещества (масла, смолы, эфиры целлюлозы) способны образовывать на поверхности твердую блестящую пленку, а также связывать и закреплять частицы других компонентов состава, например, пигмента в красках благодаря испарению растворителя или дисперсионной среды (у спиртовых лаков, нитролаков, водоэмульсионных красок) или химическим превращениям, сопровождаемым сшиванием цепных молекул и образованием полимера (у полиэфирных лаков). Превращение жидкого пленкообразователя в твердую пленку происходит под действием отвердителей, тепла, кислорода и других факторов.

Существует общепринятая отечественная система обозначений (маркировка) лакокрасочных материалов, которая указывает на их свойства, назначение и условия эксплуатации. По преимущественному назначению и применительно к условиям эксплуатации они обозначаются цифрами (см. таблицу 3).

Таблица 3. Индексация условий эксплуатации лакокрасочных

Обозначение	Условия эксплуатации
1	Атмосферостойкие
2	Ограниченно атмосферостойкие
3	Защитные, консервационные
4	Водостойкие,
5	Специальные (светящиеся, противообрастающие, терморегулирующие, стойкие к излучениям, пропиточные, отражающие и т.п.)
6	Маслобензостойкие
7	Химически стойкие
8	Термостойкие
9	Электроизоляционные
0	Лак, грунт, полуфабрикат
00	Шпатлёвка

В классификации тип пленкообразователя обозначается двумя буквами. Лаки, эмали, грунтовки и шпатлевки выпускаются на основе различных смол (см. таблицу 4).

Таблица 4. Унифицированные марки ЛКМ и маркировки плёнкообразующих основ

Обозначение Плёнкообразующая основа
Поликонденсационные смолы
КО	Кремнийорганические
ГФ	Глифталевые
ПФ	Пентафталевые
КС	Ксифталевые
МЛ	Меламино-алкидные
МЧ	Мочевинные (карбамидные)
АУ	Алкидно-уретановые
УР	Полиуретановые
ПЭ	Полиэфирные ненасыщенные
ПЛ	Полиэфирные насыщенные
ФЛ	Фенольные
ФА	Фенолальдегидные
ФМ	Фенольно-масляные
ЭТ	Этрифталевые (полиэтилен и др.)
ЭП	Эпоксидные
ЭФ	Эпоксидноэфирные
ЦГ	Циклогексановые
ФР	Фуриловые
На основе эфиров целлюлозы
АБ	Ацетобутиратцеллюлозные
АЦ	Ацетилцеллюлозные
НЦ	Нитроцеллюлозные
ЭЦ	Этилцеллюлозные
Полимеризационные смолы
КЧ	Каучуковые
ИК	Идиенкумароновые
НП	Нефтеполимерные
АС	Сополимеры олиакрила
АК	Полиакрилатные
ВН	Винилы и винилацетаты
ХВ	Перхлорвиниловые, поливиниловые
ВА	Поливинилацетатные
ВС	Сополимеры поливинилацетали
ВЛ	Поливинилацетальные
ПД	Полиамидные
ХС	Сополимеры винилхлорида
КС	Сополимеры карбинола
МС	Масляностирольные, алкидностирольные
ФП	Фторопластовые
ПС	Полистирольные
Природные смолы
БТ	Битумные и пековые
КФ	Канифольные
ШЛ	Шеллачные
КП	Копальные
ЯН	Янтарные
МА	Масляные

Например, обозначение ЛАК БТ-783 расшифровывается так: Лак - вид материала, БТ-обозначение по химическому составу (битумный), 7 - номер группы преимущественного назначения (химически стойкий), 83- порядковый номер, присвоенный данному материалу.

Каждый лакокрасочный материал имеет наименование и обозначение, состоящее из букв и цифр (обозначение лаков состоит из четырех, пигментированных материалов -- из пяти групп знаков).

Первая группа означает вид лакокрасочного материала и записывается словом - лак, краска, эмаль, грунтовка, шпатлевка.

Вторая группа указывает тип пленкообразующего, обозначаемый двумя буквами, указанными выше (ГФ - глифталевые, НЦ - нит-роцеллюлозные, эмаль МЛ-..., лак ПФ-...).

Третья группа указывает на назначение материала. Обозначение состоит из одной цифры (от 1 до 9): 1 означает - для наружных работ, 2 - для внутренних работ, 4 - водостойкие и т.д. (между второй и третьей группой знаков ставят дефис - эмаль МЛ-1..., лак ПФ-2...).

Четвертая группа - это порядковый номер, присвоенный лакокрасочному материалу при его разработке (его разновидности), обозначаемый одной, двумя или тремя цифрами (эмаль МЛ-1110, лак ПФ-283). В обозначении масляных красок вместо порядкового номера краски ставят цифру кода олифы, на основе которой она изготовлена.

Пятая группа (для пигментированных материалов) указывает цвет лакокрасочного материала полным словом (эмаль МЛ-1110 серо-белая). Например, лак НЦ-223 расшифровывается как нитроцеллю-лозный лак для внутренних работ (мебельный) с порядковым номером 23; краска МА-21 голубая - масляная краска (МА) для внутренних работ (2) на натуральной олифе (1) голубого цвета.

При обозначении первой группы знаков для масляных красок, содержащих в своем составе только один пигмент, вместо слова «краска» указывают наименование пигмента, например, «сурик», «мумия», «охра» и т.д. (сурик МА-15).

Для ряда материалов между первой и второй группой знаков ставятся индексы:

Б - без летучего растворителя;

В - для водоразбавляемых;

ВД - для водно-дисперсионных;

ОД - для органо-дисперсионных;

П - для порошковых.

Для лакокрасочных материалов, полученных на смешанных пленкообразователях, вторую группу знаков обозначают по пленкообразующему веществу, определяющему свойства материала.

Третью группу знаков для грунтовок и полуфабрикатных лаков обозначают одним нулем (грунтовка ГФ-021), а для шпатлевок - двумя нулями (шпатлевка ПФ-002). После дефиса перед третьей группой знаков для масляных густотертых красок ставится один нуль (сурик МА-015).

В четвертой группе знаков для масляных красок вместо порядкового номера ставят цифру, указывающую, на какой олифе изготовлена краска: 1 - натуральная олифа, 2 - олифа «Оксоль», 3 - глифта-левая олифа, 4 - пентафталевая олифа, 5 - комбинированная олифа.

В некоторых случаях для уточнения специфических свойств лакокрасочного покрытия после порядкового номера ставят буквенный индекс в виде одной или двух прописных букв, например: В - высоковязкий, М - матовый, Н - с наполнителем, ПМ - полуматовый, ПГ - пониженной горючести и т.д.

Кроме того, предприятие-изготовитель может на основании внутризаводских ТУ выпускать продукцию, имеющую дополнительные символы.

За рубежом вся информация о лакокрасочном материале или изделии содержится в их техническом описании (условия и сроки применения, нанесения на окрашиваемую поверхность, условия эксплуатации) и может содержать следующие обозначения:

· T - ядовитое;

· O - пожароопасное;

· F - легко воспламеняющееся;

· E - взрывоопасное;

· C - едкое;

· Xl - вызывающее раздражение;

· Xn - вредное для здоровья.

Имеющийся на маркировке «голубой ангел» указывает на то, что данный маркированный лакокрасочный материал является менее опасным для здоровья человека и окружающей среды.

В зависимости от состава пленкообразующего вещества различают красочные составы:

· масляные;

· эмалевые;

· водоэмульсионные;

· клеевые.

Классифицируют готовые окрашивающие составы по виду, химическому составу и назначению. По виду их делят на:

· краски;

· лаки;

· эмали;

· грунтовки и шпаклевки, которые могут содержать различные добавки (пластификаторы, сиккативы) и др.

7.2.1 Масляные краски

Масляные краски - это суспензии пигментов или смеси пигментов с наполнителями в олифах (связующее вещество), тщательно протёртых до получения однородной смеси. Допускается добавка наполнителей к масляным краскам для экономии пигмента (тальк, сернокислый барий, барит).

Масляные краски разделяются на:

· цветные;

· белила.

Белила изготовляют цельными (без наполнителя) и с наполнителем (тогда в их сокращенном обозначении после пятого знака добавляется буква «Н»). Цветные масляные краски для внутренних работ по сравнению с красками для наружных работ выпускают в более широком ассортименте: под слоновую кость, палевую, бежевую, желтую, голубую, синюю, серую, фисташковую, зеленую, красную, бордо, коричневую и др. цветов.

По консистенции краски подразделяют на:

· густотертые (пасты);

· жидкотертые (готовые к употреблению).

Густотертые краски - пастообразная масса из пигментов, затертых на олифе, а также готовых к употреблению, разведенных до рабочей вязкости олифой, скипидаром или уайт-спиритом. Перед употреблением разводят олифами до рабочей вязкости; иногда добавляют растворитель и немного жидкого сиккатива.

К группе масляных густотертых красок общего применения относятся:

· белила свинцовые;

· цинковые;

· титановые и литопонные;

· цветные краски одного пигмента (зелень свинцовая и цинковая, киноварь искусственная, сурик железный, мумия, охра и др.) либо их смеси (голубая, палевая, бежевая и др.).

По назначению густотертые краски делят на красочные составы:

· для наружных;

· для внутренних работ.

В зависимости от вида пленкообразующего вещества выпускают краски следующих марок: для внутренних работ - МА-021 (на натуральной олифе), МА-025 (на комбинированной олифе), ГФ-023 (на глифталевой олифе) и ПФ-024 (на пентафталевой олифе); для наружных работ - МА-011, МА-015, ГФ-013 и ПФ-014, где вид (наименование) краски определяется видом использованного пигмента, а в случае применения смеси пигментов - цветом.

Степень перетира (измельчения) пигмента обозначается номерами. Чем меньше номер, тем тоньше помол и укрывистей краска.

До рабочей вязкости густотертые масляные краски разбавляют олифой, количество которой зависит от тонкости помола пигмента. В разбавленные олифой краски для ускорения высыхания вводят от 5 до 10% сиккатива. Для улучшения способности к розливу в масляные краски можно добавлять скипидар или уайт-спирит, но это приводит не только к снижению вязкости краски, но и к уменьшению прочности покрытия и его блеска.

Часть масляных красок (белила титановые, свинцовые и лито-понные, охра, сурик, мумия натуральная, зелень свинцовая) выпускают на минеральных пигментах и готовыми к употреблению. Для получения дополнительных колеров (оттенков) большинство масляных красок можно смешивать между собой. Краски выпускают 17 цветов: темно-красного, красного, кремового, темно-желтого, зеленого, фисташкового, желто-зеленого, голубого разных оттенков, синего, серого, бежевого и т.д. Время их высыхания - 24 ч при температуре 18-22°С.

Краски следует хранить в плотно закрытой таре, предохраняя от действия тепла, влаги и прямых солнечных лучей, а также с учетом того, что краски являются пожароопасными и токсичными материалами. Применяются масляные краски в строительстве, но и здесь они постепенно вытесняются эмалями.

Жидкотертые краски подразделяют по назначению (для наружных и внутренних работ), цвету (как и густотертые), и видам олифы. Краски для наружных работ готовят на алкидных, комбинированных и натуральных олифах, а краски для внутренних работ - на уплотненных и комбинированных олифах.

Масляные краски образуют прочные, водо- и атмосферостойкие покрытия высокой адгезии и умеренного блеска. Применяют их для наружных и внутренних работ по дереву, металлу и штукатурке. Приготовление масляных красок производится в краскотерочных машинах, в которых пигмент диспергирует в связующем под действием давления и сил трения, возникающих между валками машины при их вращении, а также в шаровых, песочных краскотерочных и кинетических мельницах и др.

7.2.2 Эмалевые краски (эмали)

Эмалевые краски (эмали) - это суспензии пигментов в лаках (глифталевые, пентафталевые и др.) с добавлением пластификаторов и сиккативов, т.е. эмали - это пигментированные (окрашенные) лаки, которые после высыхания образуют непрозрачную твердую пленку с различным блеском или матовую и с различной фактурой поверхности. Назначение эмалей - непрозрачная отделка изделий из древесины и древесных материалов: деревянных строительных конструкций, мебели, окон, дверей, полов, судов, прошпаклеванных штукатурных поверхностей и т.д. Они являются токсичными и пожароопасными материалами.

Выпускают их готовыми к употреблению; они легко наносятся кистью и распылителем; сравнительно быстро высыхают. При загустении к ним добавляют скипидар или уайт-спирит.

Эмали должны обладать следующими свойствами:

· высокой укрывистостью;

· тонким перетиром пигментов;

· хорошим розливом по поверхности;

· хорошей адгезией к древесине, древесным материалам и грунтовочному составу;

· достаточной твёрдостью;

· эластичностью;

· свето- и водостойкостью.

В зависимости от состава основных пленкообразующих веществ эмали подразделяются на:

· масляные;

· алкидные;

· кремнийорганические;

· спиртовые;

· нефтеполимерные;

· нитроцеллюлозные;

· пентафталевые;

· алкидно-стирольные;

· алкидно-карбамидные (алкидно-мочевинные);

· полиэфирные;

· перхлорвиниловые;

· полиуретановые;

· эпоксидные и др.

Масляные эмали - смеси пигментов с масляными лаками. Для отделки изделий из древесины применяют следующие эмали этой группы:

· масляноглифталевые;

· пентафталевые;

· муар;

· фиксоль;

· спиртовые;

· эмульсионные.

Масляноглифталевые эмали различных цветов применяют для отделки изделий, эксплуатируемых внутри помещений. Покрытия на основе этих эмалей имеют недостаточно гладкую поверхность. Время их сушки при температуре 20^оС составляет 48-72 ч.

Пентафталевые эмали марки ПФ различных цветов изготавливают на жирных пентафталевых лаках. Эмали образуют гладкие, прочные и эластичные покрытия, имеющие повышенную атмосферо-стойкость. При температуре 20°С покрытие высыхает за 48 ч. Эмали ПФ рекомендуется применять для наружных и внутренних работ, в том числе для окрашивания древесных материалов с образованием глянцевого слоя, с хорошей адгезией, высокой эластичностью. Время высыхания 48 ч при 20°С.

Эмали муар после высыхания образуют сложный (муаровый) узор. Предназначены для декоративной отделки изделий простой конструкции. До рабочей вязкости эмали разбавляют уайт-спиритом или ксилолом. Время сушки покрытий 12-14 ч.

Эмали фиксоль изготавливают на жирном масляном лаке, содержащем не менее 40% тунгового или льняного масла. Покрытия, образованные эмалью фиксоль, имеют высокую атмосферостойкость и полузеркальный блеск. До рабочей вязкости эмали разбавляют составом, который состоит из 33% скипидара и 67% лака фиксоль. Время сушки эмали при температуре 20°С - 24 ч.

Эмульсионные эмали - суспензия пигментов и эмульсии, состоящей из лако-масляной основы и воды с добавлением органических растворителей и сиккативов. Применяются для внутренней отделки помещений по штукатурке и дереву. Срок сушки покрытий при температуре 20°С - 24 ч.

Спиртовые эмали изготавливают на основе спиртового лака; они имеют короткий срок высыхания и хороший розлив, но вследствие недостаточной влагостойкости применяются редко.

Нитроцеллюлозные эмали (нитроэмали) - суспензии пигментов в нитролаке, которые быстро сохнут (в течение 15-45 минут), имеют хороший розлив и достаточную укрывистость, образуют блестящие стойкие покрытия, которые хорошо шлифуются и полируются. Пленка эмалей обладает сильным полузеркальным блеском и большой твердостью. Нитроцеллюлозные эмали нашли широкое применение при отделке мебельных изделий.

Нитроэмаль выпускается 19 цветов (белого, кремового, бежевого, серого, синего, красного и др.). Ее применяют для окраски предварительно зашпатлеванной или загрунтованной поверхности распылением или обливом внутри помещений. Разводят эмали до рабочей вязкости растворителями № 645, 646. Время высыхания эмали при температуре 18-20°С - 1 ч.

Глифталевую эмаль НЦ-132 применяют для окрашивания грунтованных деревянных деталей и изделий, эксплуатируемых в атмосферных условиях и внутри помещений. Эмаль НЦ-132 выпускают белого, желтого, синего, красного, черного и других цветов. Время полного высыхания при температуре 18-22°С - 3 ч.

Эмали НЦ-11 и НЦ-11А выпускают 52 цветов. Они представляют собой суспензию СВП (пигмент с нитроцеллюлозой, пластификатором, диспергатором) в растворе коллоксилина и алкидной смолы в смеси летучих органических растворителей. Добавляют пластификаторы. Предназначаются для окраски предварительно загрунтованных или зашпатлеванных поверхностей изделий, которые эксплуатируются в атмосферных условиях или внутри помещений. Гарантийный срок хранения эмалей - 6 месяцев со дня изготовления. Время сушки каждого слоя при температуре 18-22°С не менее 10 мин., а последнего слоя - не менее 1 ч.

Пентафталевые эмали применяют для окраски металлических и деревянных строительных конструкций и изделий, эксплуатируемых в атмосферных условиях. Они имеют 40-50 % нелетучих компонентов, хорошую адгезию к древесине, высокую атмосферостойкость и эластичность, более низкую по сравнению с нитроэмалями горючесть. В обычных условиях высыхают за 8-12 ч «от пыли» и за 24-48 ч полностью.

Промышленность выпускает пентафталевые эмали различных марок: ПФ-14 (белая, кремовая, голубая, салатная), ПФ-15, ПФ-56 (белая), ПФ-57 (кремовая), ПФ-68 (черная), ПФ-64 (серая), ПФ-115 (разных цветов). Перед нанесением разбавляют до рабочей вязкости сольвентом, ксилолом, смесью сольвента или ксилола с уайт-спиритом, разбавителями РЭ- 4В, РЭ-ЗВ.

Алкидно-стирольные эмали применяют для отделки изделий из древесины, предназначенных для временного использования, так как эти покрытия нестойки и быстро разрушаются. Эмаль МС-226 серого и белого цвета, модифицированная стиролом, служит для отделки изделий из древесины, эксплуатируемых внутри помещений. Наносят ее краскораспылителем или кистью в два слоя; разводят до рабочей вязкости ксилолом или сольвентом. Сиккатив вводят в эмаль непосредственно перед нанесением в количестве 2-5% от массы эмали. Покрытие имеет высокий блеск и хорошую водостойкость. Продолжительность полного высыхания - около 3 ч.

Полиэфирные эмали - смеси полиэфирных лаков с пигментами. По декоративным и прочностным характеристикам превосходят другие эмали, так как обладают высокой водо-, свето-, тепло- и морозостойкостью, повышенной т...