ГРМ грузового автомобиля Skania 114L

Провернуть коленчатый вал по часовой стрелке на два оборота с отпущенным стопорным болтом натяжного устройства для устранения всех зазоров в приводе распределительного вала, затем стопорный болт завернуть до упора.

Проверка упругости пружин клапанов производится как без снятия их с двигателя, так и после разборки клапанного механизма. Для контроля пружин на двигателе необходимо снять клапанную крышку, установить поршень соответствующего цилиндра в верхнюю мертвую точку такта сжатия прибором КИ-723 измерить усилие, необходимое для сжатия пружин. Если оно окажется меньше предельно допустимого, пружину заменяют или подкладывают под нижнюю опорную тарелку дополнительную шайбу.

Регулировка тепловых зазоров в приводе клапанов необходима для обеспечения эффективной работы и долговечности двигателя. Тепловой зазор в клапанном механизме обеспечивает плотную посадку клапана на седло и компенсирует при работе двигателя тепловое расширение деталей механизма. При увеличенном тепловом зазоре появляется частый металлический стук клапанов, который хорошо прослушивается при малой частоте вращения на холостом ходу. При этом быстро изнашиваются торцы стержней клапанов, наконечников стержней или регулировочных шайб, происходит падение мощности двигателя. Причиной является сокращение времени нахождения клапанов в открытом положении, и как следствие - ухудшение наполнения топливом и очистка цилиндров от отработанных газов.

Если зазор мал или отсутствует, у выпускных клапанов хлопки появляются из глушителя, а у впускных клапанов они появляются из карбюратора. При этом дефекте клапаны садятся в седла неплотно, что приводит к снижению компрессии, уменьшению мощности двигателя и обгоранию головок клапанов и седел. Причинами этой неисправности могут быть также отложения нагара на седлах клапанов.

Чтобы избежать этих неисправностей, необходимо проверять и своевременно регулировать тепловые зазоры, а при износах клапанов и седел притирать их к седлам или заменять. Регулировку тепловых зазоров можно выполнять только на холодном двигателе при температуре охлаждающей жидкости в системе охлаждения двигателя 15-25 °С. Зазоры между торцами регулировочных коромысел и наконечниками стержней должны быть 0,15 мм для впускных и выпускных клапанов.

При достижении нормального теплового режима на работающем двигателе при температуре охлаждающей жидкости в рубашке головки блока цилиндров 80 °С зазоры станут нормальными. Для регулировки зазоров клапанов двигателя необходимо:

- вывернуть свечи зажигания;

- отвернуть гайки крепления крышки головки цилиндров и снять крышку;

- установить поршень первого цилиндра в верхнюю мертвую точку такта сжатия, когда оба клапана закрыты, провернув коленчатый вал так, чтобы метка на обводе шкива коленчатого вала совместилась с установочным приливом нижней крышки звездочек привода газораспределения;

- отрегулировать зазоры между торцами регулировочных винтов коромысел и наконечников стержней клапанов;

- гаечным ключом отпустить контргайку регулировочного винта коромысла и вращать его головку специальным торцевым ключом до получения необходимого зазора;

- плоским щупом проверить зазоры между торцами регулировочных винтов коромысел и наконечниками стержней клапанов первого цилиндра;

- затянуть контргайки регулировочных винтов коромысел;

- проверить вновь плоским щупом зазоры;

- отрегулировать зазоры между торцами регулировочных винтов коромысел и наконечниками стержней клапанов третьего цилиндра, при таком положении коленчатого вала клапаны третьего цилиндра полностью закрыты и их коромысла освобождены;

- поворотами коленчатого вала на половину оборота установить поршни четвертого цилиндра, а затем второго цилиндра в верхнюю мертвую точку такта сжатия;

- отрегулировать и проверить зазоры между торцами регулировочных винтов коромысел и наконечниками стержней клапанов указанных цилиндров;

- крышку головки блока цилиндров установить на место;

- проверить состояние ее уплотнительной прокладки и, если необходимо, прокладку заменить.

При проверке тепловых зазоров клапанов в приводе клапанного механизма любого типа измерительный щуп должен входить с легким защемлением. Для того чтобы убедиться в точности проверки, можно использовать щупы немного толще или немного тоньше номинального. Щуп с большей толщиной входить не должен, а щуп с меньшей толщиной должен входить свободно. Для удаления нагара из цилиндров можно снять головку блока цилиндров и механически очистить нагар с днищ поршней и клапанов, с поверхностей головки блока. Для этого используют деревянные скребки и металлические щетки. Чтобы нагар удалялся легче, предварительно его размягчают керосином. Нагар можно удалить, залив в каждый цилиндр прогретого двигателя 20 мл смеси, состоящей из 80 % керосина и 20 % масла. В этом случае двигатель можно не разбирать. Залив смесь, необходимо провернуть коленчатый вал двигателя пусковой рукояткой на 8 оборотов. Через 20-24 ч необходимо запустить двигатель на 30 мин. За это время размягченный нагар выгорит. Однако после удаления нагара данным способом нужно заменить масло в двигателе и масляный фильтр.

3.3 Порядок регулировки теплового зазора

Тепловой зазор между стержнем клапана и толкателем регулируют в соответствии с указаниями завода-изготовителя. Тепловой зазор регулируют на холодном двигателе или после его остановки не ранее чем через 30 мин.

Для этого снимают крышку клапанов, проворачивают коленчатый вал двигателя так, чтобы в цилиндре был конец такта сжатия, что можно определить по проскакиванию искры между электродами вывернутой свечи. В этом положении коромысло 3 должно свободно покачиваться на осях в пределах зазора.

Пластинчатым щупом 6 проверяют зазор между стержнем клапана 4 и носком коромысла 3. Гаечным ключом отвертывают контргайку 1 и, вращая регулировочный винт 2, добиваются требуемого зазора. Затем, удерживая винт от проворачивания, затягивают контргайку и обязательно проверяют зазор. Пластина требуемой толщины щупа должна входить между стержнем клапана и носком коромысла с небольшим усилием. Таким путем проверяют и регулируют остальные клапаны.



Рисунок 10. Регулировка теплового зазора между стержнем клапана и коромыслом.

При нижнем расположении клапанов зазоры регулируют в той же последовательности, но ключом вращают регулировочный болт при отпущенной контргайке, удерживая за лыски толкатель.

3.4 Дефектовка деталей привода газораспределительного механизма

В предыдущих материалах мы рассказывали о дефектовке основных деталей двигателя. Многие сочли бы, что на этом можно и завершить наш цикл статей. Но любой профессионал скажет: детали привода газораспределительного механизма сбрасывать со счетов нельзя - без них мотор никогда не заработает. Именно они синхронизируют движение поршней и вращение коленвала с положением кулачков распределительного вала (или валов) и открытием или закрытием клапанов. Если данные детали неисправны, то в лучшем случае мотор просто не заработает, а в худшем... Загнутые клапана и развалившиеся поршни - еще не все возможные поломки.

Прежде чем взяться за описание надо сделать пару уточнений.

Во-первых, на моторах встречается разное расположение распредвала:

- распредвал находится в блоке цилиндров и приводит клапана через толкатели, штанги и коромысла (как это сделано на старых Волгах или УАЗах). Такую схему принято обозначать английской аббревиатурой OHV;

- распредвал установлен в головке блока и приводит клапана через промежуточное звено: коромысла или цилиндрические толкатели. Такую схему обозначают аббревиатурой OHC, а если распредвалов два - DOHC.

Во-вторых, для привода распредвалов применяют три типа передач:

- шестеренчатые, обычно парой зубчатых колес, но бывают такие передачи и с большим количеством шестерен;

- цепные: две, три и даже более, звездочки соединены приводной цепью. Кроме этих элементов здесь есть так называемые натяжители (для поддержания постоянного натяжения цепи) и успокоители (препятствуют вибрациям).

- передача зубчатым ремнем. Принципиальная схема такого типа привода подобна цепному с той разницей, что цепь заменена плоским резиновым армированным ремнем с зубьями на внутренней стороне, а звездочки гораздо шире цепных. Самое существенное отличие этого привода - работа "всухую", то есть без смазки - попадание моторного масла на ремень обычно приводит к фатальным последствиям.

Итак, начнем с толкателей, поскольку они есть практически во всех типах привода. Кстати говоря, толкатели тоже можно разделить на две группы: механические и гидравлические. Первые представляют собой цельную деталь, вторые - сложный и весьма "нежный" узел.

Сильный износ, задиры и царапины на боковой поверхности толкателя или гидрокомпенсатора.

Причины:

Работа двигателя с недостаточным уровнем масла в картере.

Применение некачественного или грязного масла.

Сильный перегрев, приводящий к разжижению масла.

Попадание в масло топлива (бензина или дизтоплива) и, как следствие, разжижение масла.

Сборка двигателя без соблюдения требований по чистоте собираемых деталей.

Действия: Замена толкателей или гидрокомпенсаторов. Проверка системы смазки, масляного насоса и при необходимости ремонт или замена масляного насоса. Чистка, промывка и продувка масляных каналов блока цилиндров и головки блока. Применение моторного масла надлежащего качества и регулярная, в предписанные производителем сроки, замена моторного масла и фильтра. Проверка и при необходимости ремонт системы питания.

Примечание: Иногда, при сильном износе толкателей, происходит и повреждение посадочных мест под них в головке блока. Практически всегда это требует замены головки блока, поскольку нормально отремонтировать ее невозможно. В редких случаях возможна установка ремонтных толкателей, с увеличенным наружным диаметром. Для этого растачиваются посадочные места под толкатели.

Износ (выработка и раковины) на торцевой поверхности толкателя.

Причины: Неотрегулированный зазор в клапанном механизме.

Неверно установленные фазы газораспределения.

Большой пробег двигателя (выработка ресурса).

Действия: Замена толкателей или гидрокомпенсаторов. Проверка, регулировка и при необходимости ремонт или замена других деталей газораспределительного механизма.

"Стук" гидрокомпенсаторов.

Причины:

Применение некачественного или грязного масла.

Сильный перегрев, приводящий к разжижению масла.

Попадание в масло топлива (бензина или дизтоплива) и, как следствие, разжижение масла.

Сборка двигателя без соблюдения требований по чистоте собираемых деталей.

Большой пробег двигателя (выработка ресурса).

Действия:

Замена гидрокомпенсаторов. Проверка системы смазки, масляного насоса и при необходимости ремонт или замена масляного насоса. Чистка, промывка и продувка масляных каналов блока цилиндров и головки блока. Применение моторного масла надлежащего качества и регулярная, в предписанные производителем сроки, замена моторного масла и фильтра. Проверка и при необходимости ремонт системы питания. Проверка и при необходимости ремонт системы охлаждения.

Примечание: Кратковременный "стук" гидрокомпенсаторов при запуске двигателя не следует считать неисправностью.

Повреждения (износ и деформация) толкающих штанг привода клапанов.

Причины:

Неотрегулированный зазор в клапанном механизме.

Дефекты гидрокомпенсаторов.

Неверно установленные фазы газораспределения.

Разрушение цепи, зубчатого ремня или шестерен привода распредвала.

Действия: Замена толкающих штанг. Проверка и при необходимости замена или ремонт других деталей газораспределительного механизма.

Примечание: Подобные повреждения, как правило, происходят при соударении поршней с клапанами. Поэтому необходима дефектовка и других деталей газораспределительного механизма, а также поршней.

Повреждения (износ, деформация или поломки) коромысел привода клапанов. Износ втулок коромысел.

Причины: Неотрегулированный зазор в клапанном механизме.

Дефекты гидрокомпенсаторов.

Дефекты и повреждения других деталей привода клапанов.

Неверно установленные фазы газораспределения.

Разрушение цепи, зубчатого ремня или шестерен привода распредвала.

Большой пробег двигателя (выработка ресурса)

Действия: Замена коромысел. Проверка, регулировка и при необходимости замена или ремонт других деталей газораспределительного механизма. Изношенные втулки можно заменить, при условии, что прочие элементы коромысла находятся в работоспособном состоянии.

Повреждения оси коромысел. Износ втулок коромысел.

Причины: Неотрегулированный зазор в клапанном механизме.

Дефекты гидрокомпенсаторов.

Дефекты и повреждения других деталей привода клапанов.

Неверно установленные фазы газораспределения.

Применение некачественного или грязного масла.

Большой пробег двигателя (выработка ресурса).

Действия: Замена оси коромысел. Изношенные втулку можно заменить, при условии что прочие элементы коромысла находятся в работоспособном состоянии. Проверка, регулировка и при необходимости замена или ремонт других деталей газораспределительного механизма.

Шестеренчатые, обычно парой зубчатых колес. Но такие передачи бывают и с большим количеством шестерен.

Цепные: две, три и, даже более, звездочки соединены приводной цепью. Кроме этих элементов здесь есть так называемые натяжители (для поддержания постоянного натяжения цепи) и успокоители (препятствуют вибрациям).

Зубчатым ремнем. Принципиальная схема такой передачи подобна цепной, с той лишь разницей, что цепь заменили плоским резиновым армированным ремнем с зубьями на внутренней стороне, а звездочки гораздо шире цепных. Но самое существенное отличие - работа "всухую", то есть без смазки. Наоборот, попадание моторного масла на ремень обычно приводит к фатальным последствиям.

Основным признаком неисправности привода газораспределительного механизма является повышенный шум при его работе. Причины, вызывающие шум, могут быть различными. Об этом и пойдет речь.

Износ зубьев шестерен и звездочек.

Причины: Работа двигателя на некачественном или грязном масле (для цепного или шестеренчатого привода).

Попадание посторонних частиц в механизм привода.

Нарушение технологии сборочных работ.

Длительная работа двигателя (естественный износ).

Действия: Ремонт привода газораспределительного механизма: обычно заключается в полной замене всех элементов привода. Чистка, промывка и продувка масляных каналов блока цилиндров и головки блока. Применение моторного масла надлежащего качества и регулярная, в предписанные производителем сроки, замена моторного масла и фильтра.

Примечание: Замена одной изношенной шестерни или звездочки обычно не дает эффекта, поскольку работа привода в таком виде вызывает сильный износ и прочих деталей.

Износ посадочных мест ("разбитые" отверстия и шпоночные пазы) звездочек и шестерен.

Причины: Несоблюдение предписанных моментов затяжки болтов, крепящих звездочки и шестерни на валах.

Длительная работа двигателя (естественный износ).

Неверно установленные фазы газораспределения.

Действия: Замена поврежденных элементов. Замена соответствующих валов (поскольку при этом, как правило, повреждаются и шпоночные пазы на валах). Проверка, регулировка и при необходимости ремонт или замена других деталей газораспределительного механизма. Точное соблюдение предписанных моментов при затяжке болтов. Использование новых болтов (когда это указано производителем).

Повреждения (увеличенный зазор в шарнирах и износ роликов) приводных цепей.

Причины: Работа двигателя на некачественном или грязном масле.

Длительная работа двигателя (естественный износ).

Неверно установленные фазы газораспределения.

Действия: Замена цепи. Проверка, регулировка и при необходимости замена или ремонт других деталей клапанного механизма. Применение моторного масла надлежащего качества и регулярная, в предписанные производителем сроки, замена моторного масла и фильтра.

Повреждения (деформация и надрывы зубьев и поверхности) зубчатых ремней.

Причины: Попадание посторонних частиц в механизм привода.

Попадание моторного масла на поверхность ремня.

Биение приводных звездочек.

Дефекты и повреждения натяжных и направляющих роликов.

Неверно установленные фазы газораспределения.

Действия: При любых повреждениях поверхности и зубьев ремня - его немедленная замена! Проверка и при необходимости замена других деталей привода газораспределительного механизма. Точное соблюдение технологии сборочных работ. При попадании масла на ремень - проверка и замена всех сальников и прокладок, находящихся в непосредственной близости от привода ГРМ.

Примечание: Зубчатые ремни требуют периодической замены. Срок службы этих элементов обычно оговаривается производителем. Однако на моторах с пробегом можно рекомендовать сокращенные на 25-30 % сроки замены зубчатых ремней. Не следует допускать работу ременного привода без установленных на место защитных кожухов или крышек.

Повреждения (люфты или шум) натяжных и направляющих роликов для зубчатых ремней.

Причины: Нарушение технологии сборочных работ.

Длительная работа двигателя (естественный износ).

Действия: При любых повреждениях - замена натяжных и направляющих роликов, а также всех сопутствующих элементов.

Примечание: Настоятельно рекомендуется одновременная замена зубчатых ремней и прочих элементов привода в комплекте.

Повреждения (люфты или заедание) натяжных устройств для цепей.

Причины: Нарушение технологии сборочных работ.

Длительная работа двигателя (естественный износ).

Работа двигателя на некачественном или грязном масле.

Действия: При любых повреждениях - замена натяжителей. Проверка и при необходимости замена других деталей привода ГРМ. Применение моторного масла надлежащего качества и регулярная, в предписанные производителем сроки, замена моторного масла и фильтра.

Повреждения (износ поверхности, изломы) направляющих элементов (успокоителей) для приводных цепей.

Причины: Неправильная регулировка натяжения приводных цепей.

Длительная работа двигателя (естественный износ).

Работа двигателя на некачественном или грязном масле.

Действия: При любых повреждениях - замена успокоителей. Проверка и при необходимости замена других деталей привода ГРМ. Точное соблюдение технологии сборочных работ. Применение моторного масла надлежащего качества и регулярная, в предписанные производителем сроки, замена моторного масла и фильтра.

4. Материалы изготовления деталей и их технологические свойства. Автомобильные эксплуатационные материалы

4.1 Специальные чугуны

При производстве автомобильных деталей используются антифрикционные и различные специальные легированные чугуны. Из легированных чугунов изготовляются, как правило, гильзы цилиндров двигателей, а вставки в верхнюю часть некоторых из них - из высоколегированного чугуна. Поршневые кольца современных автомобильных двигателей в большинстве случаев изготовляются из низколегированных или высокопрочных чугунов (ЧШГ). Серый низколегированный чугун по прочностным качествам значительно уступает высокопрочному. Легированные и высоколегированные чугуны, а также марганцевые чугуны аустенитного класса применяются для изготовления клапанных гнезд и коромысел клапанов; для производства последних используют также ЧШГ; для наплавки толкателей применяют низколегированный отбеленный чугун. Некоторые чугунные детали (направляющие втулки клапанов, подшипниковые втулки, поршневые кольца и др.) могут изготовляться не литьем, а спеканием из порошкообразных шихтовых материалов (при температуре около 1100 °С под давлением 6,5* 103 кгс/смІ в течение примерно 2 ч). В качестве исходных материалов при этом используются железный, графитовый, хромовый и медный порошки. Металлокерамические детали обладают высокой износостойкостью благодаря способности впитывать смазку в имеющиеся поры.

Марки сталей, чугунов и цветных сплавов, применяемых при изготовлении основных деталей отечественных автомобилей

Для изготовления корпусных деталей - блоков, картеров сцеплений, головок блока, а также трубопроводов применяются в основном алюминиевые сплавы разных марок и чугуны с пластинчатым графитом, модифицированные и специальные. Блоки и картеры сцепления отливают из магниевого сплава. Большинство деталей автомобилей семейства МАЗ изготовляют из материалов по ТУ завода. Поршни изготовляют из жаростойких алюминиевых сплавов, в ряде случаев негостированных, клапаны - из жаростойких высоколегированных сталей. Коленчатые и распределительные валы изготавливают из конструкционных сталей или высокопрочных чугунов. Для других деталей применяются качественные и высококачественные стали или модифицированные и специальные чугуны.

Корпусные детали изготовляются из чугуна или алюминиевых сплавов. Материалом валов и шестерен являются легированные конструкционные стали, как правило, низкоуглеродистые. Только вторичный вал автомобилей МАЗ изготовляется из углеродистой стали пониженной прокаливаемости марки 60ПП.

Материалом корпусных деталей является чаще всего ковкий чугун. Вместе с тем в последние годы картеры стали часто изготовлять сварными; в этом случае их материалом являются низколегированные стали. Валы и шестерни задних мостов, так же как и у коробок передач, изготовляют обычно из легированных малоуглеродистых конструкционных сталей. Также как и аналогичные детали коробок, они подвергаются обычно цементации или клонированию, закалке и низкотемпературному отпуску. Наиболее распространенным материалом деталей карданных передач являются углеродистые качественные стали. Корпусные детали рулевых механизмов изготовляют из ковкого чугуна или цветных сплавов, остальные детали - из конструкционных сталей легированных или углеродистых.

4.2 Цветные сплавы на медной и цинковой основе

Чистая медь имеет в автомобилестроении и авторемонтном производстве ограниченное применение, в основном в электроприборах и электролитических ваннах. Зато широко применяются медно-цинковые сплавы (латуни), оловянистые и безоловянистые бронзы.

Латуни подразделяются на литейные (ГОСТ 17711-80) и деформируемые (ГОСТ 15527-70); последние в свою очередь подразделяются на томпаки, полутомпаки, латуни, трехкомпонентные и многокомпонентные латуни различного качественного и количественного состава.

При практическом использовании следует иметь в виду, что повышение процентного содержания меди в составе латуни улучшает ее пластичность, теплопроводность, электропроводность и коррозионную стойкость. Относительное повышение содержания цинка улучшает обрабатываемость латуни резанием, прирабатываемость, повышает износостойкость, снижает себестоимость латуни. Включение в состав латуни свинца увеличивает ее антифрикционные свойства. Наличие в латуни олова, марганца, кремния, железа повышает ее прочность и способствует улучшению антикоррозионных свойств.

Ремонт деталей и узлов, изготовленных из латуней, обычно производят пайкой.

В автомобилестроении и авторемонтном производстве широко применяются бронзы: оловянистые литейные (ГОСТ 613-79 и ГОСТ 614-73); оловянистые, обрабатываемые давлением (ГОСТ 5017-74); безоловянистые литейные (ГОСТ 493-79); безоловянистые, обрабатываемые давлением (ГОСТ.18175-78). Наиболее распространены для изготовления деталей оловянистые бронзы. Они характеризуются достаточной прочностью, высокими антифрикционными качествами, коррозионной стойкостью, хорошей теплопроводностью. Деформируемые оловянистые бронзы отличаются, кроме того, хорошими упругими свойствами. Повышение содержания олова в оловянистых бронзах увеличивает их прочность и твердость, но уменьшает пластичность и ударную вязкость.

В качестве легирующих добавок в оловянистую бронзу вводят цинк, свинец, никель, фосфор. Цинк и никель улучшают механические свойства бронзы, причем никель способствует измельчению зерна и улучшению структуры сплава; свинец и фосфор улучшают антифрикционные свойства и, кроме того, обрабатываемость резанием (фосфор) и износостойкость (свинец). Вместе с тем увеличение содержания фосфора более 0,35-0,40 % снижает механические свойства сплава. Из всех марок бронз следует, в частности, отметить кремнистые бронзы марки БрКМцЗ-1 и бериллиевые бронзы марок БрБ 2, БрБНТ 1,7; БрБНТ 1,9, обладающие упругостью, прочностью, химической стойкостью, высоким значением усталостной выносливости. Эти бронзы применяются для изготовления ответственных пружин: термостатов, пробок бензобаков, клапанов бензонасосов, пружин карбюраторов и т. п.

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%.

Чугун - дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали. Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.

Получение чугуна - сложный химический процесс. Он состоит из трех стадии: восстановления железа из окислов, превращения железа в чугун и шлакообразования. Подробно этот процесс рассматривается в курсе химии.

Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).

Углерод - один из главных элементов в чугуне. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом - в химически связанном с железом или в виде механической примеси в форме мелких пластинок графита.

Кремний - важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким.

Марганец повышает прочность чугуна.

Сера в чугуне - вредная примесь, вызывающая красноломкость (образование трещин в горячих отливках). Она ухудшает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму.

Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках). В зависимости от состояния, в котором углерод находится в чугуне, чугун подразделяется на белый (углерод в химическом соединении с железом в виде цементита FeC) и серый (свободный углерод в виде графита).

Белый чугун очень твердый и хрупкий, плохо поддается отливке, трудно обрабатывается режущим инструментом. Он обычно идет на переплавку в сталь или на получение ковкого чугуна и поэтому называется передельным.

Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ. Серый чугун с высоким содержанием фосфора (0,3-1,2%) жидкотекуч и используется для художественного литья.

Серый чугун маркируется буквами и двумя числами, например СЧ 120-280. Буквы СЧ обозначают серый чугун, первое число - предел прочности (в МПа) при испытании на разрыв, а второе число - предел прочности (также в МПа) при испытании на изгиб.

В зависимости от химического состава и назначения чугуны подразделяют на легированные, специальные, или ферросплавы, ковкие и высокопрочные чугуны.

Легированный чугун наряду с обычными примесями содержит элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износостойкость. Различают хромистые, титановые, никелевые чугуны. Их применяют для изготовления деталей машин с повышенными механическими свойствами, работающих в водных растворах, в газовых и других агрессивных средах.

Специальный чугун, или ферросплав, имеет повышенное содержание кремния или марганца. К нему относятся ферромарганец, содержащий до 25% марганца, и ферросилиций, содержащий 9-13% кремния и 15-25% марганца. Эти чугуны применяются при плавке стали для ее раскисления, т.е. для удаления из стали вредной примеси - кислорода.

Ковкий чугун получают термообработкой из белого чугуна. Он получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число-предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число - относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун специальных добавок. Он применяется для изготовления более ответственных изделий, заменяя сталь (коленчатых валов, поршней, шестерен и др.). Маркируется высокопрочный чугун также двумя буквами и двумя числами, например ВЧ 450-5. Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун, а числа имеют то же значение, что и в марках ковкого чугуна

Сталью называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода до 2,1%.

Как и чугун, сталь имеет примеси кремния, марганца, серы и фосфора. Основное отличие стали от чугуна - это то, что сталь содержит меньшее количество углерода и примесей.

Сталь получают переплавкой металлолома или из передельного чугуна. Процесс получения стали из чугуна сводится к удалению излишнего углерода и понижению количества входящих в чугун примесей.

В зависимости от химического состава стали делятся на углеродистые и легированные.

В состав углеродистой стали кроме углерода входит небольшое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, Р), попадающих в нее при выплавке. Главным элементом, определяющим свойства углеродистой стали, является углерод. Он повышает твердость, упругость, прочность, уменьшает пластичность и сопротивление ударным нагрузкам,.

Кремний и марганец в небольшом количестве особого влияния на свойства стали не оказывают. Сера и фосфор считаются вредными примесями. Сера вызывает красноломкость, хрупкость при высоких температурах, уменьшает коррозионную стойкость. Фосфор увеличивает хрупкость и хладноломкость стали, т. е. хрупкость при обычных температурах. Однако в определенных дозах они необходимы для получения специальных свойств стали.

Углеродистая сталь, в свою очередь, подразделяется по назначению и качеству. По назначению она делится на конструкционную и инструментальную.

Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,6% углерода (как исключение допускается содержание углерода до 0,85%).

По качеству конструкционная углеродистая сталь делится на сталь обыкновенного качества и качественную.

На металлургических заводах для различения этих сталей на торцах стальных прутков выбивают клеймо марки, условным цветом окрашивают торцы или наносят метки по окружности прутка

Инструментальная углерод и стая сталь содержит углерода 0,7% и более. Она отличается твердостью и прочностью. В легированной стали наряду с обычными примесями имеются один или несколько специальных элементов, улучшающих ее свойства: хром, вольфрам, молебден и др., а также кремний и марганец в сравнительно большом количестве.

Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали,- например, хром повышает твердость и коррозионную стойкость; вольфрам увеличивает твердость и красностойкость; молибден увеличивает красностойкость, прочность и сопротивление окислению при высоких температурах; марганец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износостойкость, стойкость против ударных нагрузок.

По назначению легированная сталь делится на три группы: конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физическими и химическими свойствами.

Широкое применение в металлообработке имеет один из видов инструментальной легированной стали - быстрорежущая сталь. Главные достоинства этой стали - твердость и красностойкость (она не теряет твердости до 600°С). Легирующими элементами в ней служат вольфрам (в количестве не менее 6%), хром (не менее 4%), а также кобальт, ванадий, молибден. Содержание углерода 0,7-1,1%. Наиболее распространенные марки быстрорежущей стали: Р9, Р18, Р6МЗ, Р6М5.

К сталям с особыми физическими свойствами относятся: магнитная и немагнитная стали, сталь, обладающая высоким электрическим сопротивлением, и сталь с особыми тепловыми свойствами.

Стали и сплавы с особы ми химическими свойствами - коррозионностойкие, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные.

Особые физические и химические свойства сталей достигаются главным образом благодаря введению в них различных легирующих элементов. Например, стойкость против коррозии обеспечивается введением в нержавеющую сталь не менее 12% хрома.

Алюминий (лат. Aluminium; от "alumen" - квасцы), Al, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154.

Природный алюминий состоит из одного нуклида ²⁷Al. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s²p¹. Практически во всех соединениях степень окисления алюминия +3 (валентность III).

Радиус нейтрального атома алюминия 0,143 нм, радиус иона Al³⁺ 0,057 нм. Энергии последовательной ионизации нейтрального атома алюминия равны, соответственно, 5,984, 18,828, 28,44 и 120 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность алюминия 1,5.

Простое вещество алюминий - мягкий легкий серебристо-белый металл.

Свойства: алюминий - типичный металл, кристаллическая решетка кубическая гранецентрированная, параметр а = 0,40403 нм. Температура плавления чистого металла 660°C, температура кипения около 2450°C, плотность 2,6989 г/смі. Температурный коэффициент линейного расширения алюминия около 2,5·10^-5 К^-1. Стандартный электродный потенциал Al³⁺/Al - 1,663В.

Химически алюминий - довольно активный металл. На воздухе его поверхность мгновенно покрывается плотной пленкой оксида Al₂О ₃, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода (O) к металлу и приводит к прекращению реакции, что обусловливает высокие антикоррозионные свойства алюминия. Защитная поверхностная пленка на алюминии образуется также, если его поместить в концентрированную азотную кислоту.

С остальными кислотами алюминий активно реагирует:

6НСl + 2Al = 2AlCl₃ + 3H₂,

3Н₂SO₄ + 2Al = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂.

Алюминий реагирует с растворами щелочей. Сначала растворяется защитная оксидная пленка:

Al₂О₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄].

Затем протекают реакции:

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂,

NaOH + Al(OH)₃ = Na[Al(OH)₄],

или суммарно:

2Al + 6H₂O + 2NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3Н₂,

и в результате образуются алюминаты: Na[Al(OH)₄] - алюминат натрия (Na) (тетрагидроксоалюминат натрия), К[Al(OH)₄] - алюминат калия (K) (терагидроксоалюминат калия) или др. Так как для атома алюминия в этих соединениях характерно координационное число 6, а не 4, то действительные формулы указанных тетрагидроксосоединений следующие:

Na[Al(OH)₄(Н ₂О)₂] и К[Al(OH)₄(Н₂О)₂].

При нагревании алюминий реагирует с галогенами:

2Al + 3Cl₂ = 2AlCl₃,

2Al + 3Br₂ = 2AlBr₃.

Интересно, что реакция между порошками алюминия и иода (I) начинается при комнатной температуре, если в исходную смесь добавить несколько капель воды, которая в данном случае играет роль катализатора:

2Al + 3I₂ = 2AlI₃.

Взаимодействие алюминия с серой (S) при нагревании приводит к образованию сульфида алюминия:

2Al + 3S = Al₂S₃,

который легко разлагается водой:

Al₂S₃ + 6Н₂О = 2Al(ОН)₃ + 3Н₂S.

С водородом (H) алюминий непосредственно не взаимодействует, однако косвенными путями, например, с использованием алюминийорганических соединений, можно синтезировать твердый полимерный гидрид алюминия (AlН ₃)_х - сильнейший восстановитель.

В виде порошка алюминий можно сжечь на воздухе, причем образуется белый тугоплавкий порошок оксида алюминия Al₂О ₃.

Высокая прочность связи в Al₂О ₃ обусловливает большую теплоту его образования из простых веществ и способность алюминия восстанавливать многие металлы из их оксидов, например:

3Fe₃O₄ + 8Al = 4Al₂O₃ + 9Fe и даже 3СаО + 2Al = Al₂О₃ + 3Са.

Такой способ получения металлов называют алюминотермией.

Амфотерному оксиду Al₂О ₃ соответствует амфотерный гидроксид - аморфное полимерное соединение, не имеющее постоянного состава. Состав гидроксида алюминия может быть передан формулой xAl₂O₃·yH₂O, при изучении химии в школе формулу гидроксида алюминия чаще всего указывают как Аl(OH)₃.

В лаборатории гидроксид алюминия можно получить в виде студенистого осадка обменными реакциями:

Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃ + 3Na₂SO₄,

или за счет добавления соды к раствору соли алюминия:

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H2O = 2Al(OH)₃ + 6NaCl + 3CO₂,

а также добавлением раствора аммиака к раствору соли алюминия:

AlCl₃ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃ + 3H₂O + 3NH₄Cl.

Название и история открытия: латинское aluminium происходит от латинского же alumen, означающего квасцы (сульфат алюминия и калия (K) KAl(SO₄)₂·12H₂O), которые издавна использовались при выделке кож и как вяжущее средство. Из-за высокой химической активности открытие и выделение чистого алюминия растянулось почти на 100 лет. Вывод о том, что из квасцов может быть получена "земля" (тугоплавкое вещество, по-современному - оксид алюминия) сделал еще в 1754 немецкий химик А. Маргграф. Позднее оказалось, что такая же "земля" может быть выделена из глины, и ее стали называть глиноземом. Получить металлический алюминий смог только в 1825 датский физик Х.К. Эрстед. Он обработал амальгамой калия (сплавом калия (K) с ртутью (Hg)) хлорид алюминия AlCl₃, который можно было получить из глинозема, и после отгонки ртути (Hg) выделил серый порошок алюминия.

Только через четверть века этот способ удалось немного модернизировать. Французский химик А.Э. Сент-Клер Девиль в 1854 году предложил использовать для получения алюминия металлический натрий (Na), и получил первые слитки нового металла. Стоимость алюминия была тогда очень высока, и из него изготовляли ювелирные украшения.

Промышленный способ производства алюминия путем электролиза расплава сложных смесей, включающих оксид, фторид алюминия и другие вещества, независимо друг от друга разработали в 1886 году П. Эру (Франция) и Ч. Холл (США). Производство алюминия связано с высоким расходом электроэнергии, поэтому в больших масштабах оно было реализовано только в 20-ом веке. В Советском Союзе первый промышленный алюминий был получен 14 мая 1932 года на Волховском алюминиевом комбинате, построенном рядом с Волховской гидроэлектростанцией.

Нахождение в природе: по распространенности в земной коре алюминий занимает первое место среди металлов и третье место среди всех элементов (после кислорода (O) и кремния (Si)), на его долю приходится около 8,8% массы земной коры. Алюминий входит в огромное число минералов, главным образом, алюмосиликатов, и горных пород. Соединения алюминия содержат граниты, базальты, глины, полевые шпаты и др. Но вот парадокс: при огромном числе минералов и пород, содержащих алюминий, месторождения бокситов - главного сырья при промышленном получении алюминия, довольно редки. В России месторождения бокситов имеются в Сибири и на Урале. Промышленное значение имеют также алуниты и нефелины. В качестве микроэлемента алюминий присутствует в тканях растений и животных. Существуют организмы-концентраторы, накапливающие алюминий в своих органах, - некоторые плауны, моллюски.

Промышленное получение: при промышленном производстве бокситы сначала подвергают химической переработке, удаляя из них примеси оксидов кремния (Si), железа (Fe) и других элементов. В результате такой переработки получают чистый оксид алюминия Al₂O₃ - основное сырье при производстве металла электролизом. Однако из-за того, что температура плавления Al₂O₃ очень высока (более 2000°C), использовать его расплав для электролиза не удается.

Выход ученые и инженеры нашли в следующем. В электролизной ванне сначала расплавляют криолит Na₃AlF₆ (температура расплава немного ниже 1000°C). Криолит можно получить, например, при переработке нефелинов Кольского полуострова. Далее в этот расплав добавляют немного Al₂О ₃ (до 10% по массе) и некоторые другие вещества, улучающие условия проведения последующего процесса. При электролизе этого расплава происходит разложение оксида алюминия, криолит остается в расплаве, а на катоде образуется расплавленный алюминий:

2Al₂О₃ = 4Al + 3О₂.

Так как анодом при электролизе служит графит, то выделяющийся на аноде кислород (O) реагирует с графитом и образуется углекислый газ СО ₂.

При электролизе получают металл с содержанием алюминия около 99,7%. В технике применяют и значительно более чистый алюминий, в котором содержание этого элемента достигает 99,999% и более.

Применение: по масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа (Fe) и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физических, механических и химических свойств: малой плотностью, коррозионной стойкостью в атмосферном воздухе, высокой тепло- и электропроводностью, пластичностью и сравнительно высокой прочностью. Алюминий легко обрабатывается различными способами - ковкой, штамповкой, прокаткой и др. Чистый алюминий применяют для изготовления проволоки (электропроводность алюминия составляет 65,5% от электропроводности меди, но алюминий более чем в три раза легче меди, поэтому алюминий часто заменяет медь в электротехнике) и фольги, используемой как упаковочный материал. Основная же часть выплавляемого алюминия расходуется на получение различных сплавов. Сплавы алюминия отличаются малой плотностью, повышенной (по сравнению с чистым алюминием) коррозионной стойкостью и высокими технологическими свойствами: высокой тепло- и электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью. На поверхности сплавов алюминия легко наносятся защитные и декоративные покрытия.

Разнообразие свойств алюминиевых сплавов обусловлено введением в алюминий различных добавок, образующих с ним твердые растворы или интерметаллические соединения. Основную массу алюминия используют для получения легких сплавов - дуралюмина (94% - алюминий, 4% медь (Cu), по 0,5% магний (Mg), марганец (Mn), железо (Fe) и кремний (Si)), силумина (85-90% - алюминий, 10-14% кремний (Si), 0,1% натрий (Na)) и др. В металлургии алюминий используется не только как основа для сплавов, но и как одна из широко применяемых легирующих добавок в сплавах на основе меди (Cu), магния (Mg), железа (Fe), никеля (Ni) и др.

Сплавы алюминия находят широкое применение в быту, в строительстве и архитектуре, в автомобилестроении, в судостроении, авиационной и космической технике. В частности, из алюминиевого сплава был изготовлен первый искусственный спутник Земли. Сплав алюминия и циркония (Zr) - циркалой - широко применяют в ядерном реакторостроении. Алюминий применяют в производстве взрывчатых веществ.

4.3 Резины и эластомеры (эластопласты) классификация, свойства, хранение

Резина - эластичный материал, образующийся в результате вулканизации натурального (НК) и синтетических каучуков (СК). Представляет собой сетчатый эластомер-продукт поперечного сшивания молекул каучуков химическими связями. Свойства определяются как применяемым каучуком, так и ингредиентами резиновой смеси (подробнее ниже). Резины, в общем, имеют более высокую теплостойкость, чем каучуки. Современная физическая теория упрочнения каучука объясняет повышение его прочности наличием сил связи (адсорбции и адгезии), возникающих между каучуком и наполнителем, а также образованием непрерывной цепочно-сетчатой структуры наполнителя вследствие взаимодействия между частицами наполнителя. Возможно и химическое взаимодействие каучука с наполнителем.

Производство резины

Пластикация. Одно из важнейших свойств каучука - пластичность - используется в производстве резиновых изделий. Чтобы смешать каучук с другими ингредиентами резиновой смеси, его нужно сначала умягчить, или пластицировать, путем механической или термической обработки. Этот процесс называется пластикацией каучука. Открытие Т. Хэнкоком в 1820 возможности пластикации каучука имело огромное значение для резиновой промышленности. Его пластикатор состоял из шипованного ротора, вращающегося в шипованном полом цилиндре; это устройство имело ручной привод. В современной резиновой промышленности используются три типа подобных машин до ввода других компонентов резиновой смеси в каучук. Это - каучукотерка, смеситель Бенбери и пластикатор Гордона.

Использование грануляторов - машин, которые разрезают каучук на маленькие гранулы или пластинки одинаковых размеров и формы, - облегчает операции по дозировке и управлению процессом обработки каучука. Каучук подается в гранулятор на выходе из пластикатора. Получающиеся гранулы смешиваются с углеродной сажей и маслами в смесителе Бенбери, образуя маточную смесь, которая также гранулируется. После обработки в смесителе Бенбери производится смешивание с вулканизующими веществами, серой и ускорителями вулканизации.

Приготовление резиновой смеси. Химическое соединение только из каучука и серы имело бы ограниченное практическое применение. Чтобы улучшить физические свойства каучука и сделать его более пригодным для эксплуатации в различных применениях, необходимо модифицировать его свойства путем добавления других веществ. Все вещества, смешиваемые с каучуком перед вулканизацией, включая серу, называются ингредиентами резиновой смеси. Они вызывают как химические, так и физические изменения в каучуке. Их назначение - модифицировать твердость, прочность и ударную вязкость и увеличить стойкость к истиранию, маслам, кислороду, химическим растворителям, теплу и растрескиванию. Для изготовления резин разных применений используются различные составы.

Ускорители и активаторы. Вещества, называемые ускорителями, при использовании вместе с серой уменьшают время вулканизации и улучшают физические свойства каучука. Примерами неорганических ускорителей являются свинцовые белила, свинцовый глет (монооксид свинца), известь и магнезия (оксид магния). Органические ускорители гораздо более активны и являются важной частью почти любой резиновой смеси. Они вводятся в смесь в относительно малой доле: обычно бывает достаточно от 0,5 до 1,0 части на 100 частей каучука. Большинство ускорителей полностью проявляет свою эффективность в присутствии активаторов, таких, как окись цинка, а для некоторых требуется органическая кислота, например стеариновая. Поэтому современные рецептуры резиновых смесей обычно включают окись цинка и стеариновую кислоту.

Мягчители (пластификаторы). Мягчители и пластификаторы обычно используются для сокращения времени приготовления резиновой смеси и понижения температуры процесса. Они также способствуют диспергированию* ингредиентов смеси, вызывая набухание или растворение каучука. Типичными мягчителями являются парафиновое и растительные масла, воски, олеиновая и стеариновая кислоты, хвойная смола, каменноугольная смола и канифоль, вазелин, битумы и дибутилфталат**. Количество мягчителей составляет 8-30 % массы каучука.

*Диспергирование - тонкое измельчение твердых и жидких тел в какой-либо среде для получения порошков, суспензий и эмульсий.

**Дибутилфталат, ди-н-бутиловый эфир о-фталевой кислоты, С₆Н₄(СООС₄Н₉)₂, бесцветная маслянистая жидкость со слабым фруктовым запахом; t_kип 206°С (10 мм рт. ст.); плотность 1047-1050 кг/мі (25°С); показатель преломления n²⁵_D 1,490-1,493; растворимость в воде 0,1% (20°С). Д. получают из н-бутилового спирта и фталевого ангидрида в присутствии кислотных катализаторов. Д. - пластификатор поливинилхлорида, полистирола и многих др. пластмасс и синтетических каучуков (БСЭ).

Наполнители. Вещества добавляемые к каучуку для удешевления получаемых из него продуктов (наполнители или инертные наполнители). Некоторые вещества усиливают каучук, придавая ему прочность и сопротивляемость износу, они называются упрочняющими наполнителями (или активными, или усиливающими наполнителями). Углеродная (газовая) сажа в тонко измельченной форме - наиболее распространенный упрочняющий наполнитель; она относительно дешева и является одним из самых эффективных веществ такого рода. Протекторная резина автомобильной шины содержит приблизительно 45 частей углеродной сажи на 100 частей каучука. Другими широко используемыми упрочняющими наполнителями являются окись цинка, карбонат магния, кремнезем, карбонат кальция и некоторые глины, однако все они менее эффективны, чем газовая сажа. Следует упомянуть, что часто в состав резиновой смеси вводят регенерат - продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению.

Антиоксиданты и противостарители. Использование антиоксидантов для сохранения нужных свойств резиновых изделий в процессе их старения и эксплуатации началось после Второй мировой войны. Как и ускорители вулканизации, антиоксиданты - сложные органические соединения, которые при концентрации 1-2 части на 100 частей каучука препятствуют росту жесткости и хрупкости резины. Воздействие воздуха, озона, тепла и света - основная причина старения резины. Некоторые антиоксиданты также защищают резину от повреждения при изгибе и нагреве. Упрощенно, действие антиоксидантов заключается в том, что они задерживают окисление каучука посредством окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука применяются альдоль, неозон Д и др.). Противостарители (парафин, воск) же образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже.

Пигменты. Хотя упрочняющие и инертные наполнители и другие ингредиенты резиновой смеси часто называют пигментами, хотя используются и настоящие пигменты, которые придают цвет резиновым изделиям. Оксиды цинка и титана, сульфид цинка и литопон применяются в качестве белых пигментов. Желтый крон, железоокисный пигмент, сульфид сурьмы, ультрамарин и ламповая сажа используются для придания изделиям различных цветовых оттенков. Некоторые красящие вещества (белые, желтые, зеленые) поглощают коротковолновую часть солнечного спектра и этим защищают резину от светового старения.