Текст книги "Современные системные технологии в отраслях экономики. Учебное пособие"

ТТ7К12 – черновая обточка в тяжелых условиях, по корке с раковинами при наличии песка и неметаллических включений.

ТТ10К8Б – черновая и чистовая обработка труднообрабатываемых материалов – нержавеющих сталей аустенитного класса, жаропрочных сталей, сплавов титана.

Пластинками из твердых сплавов оснащают резцы, сверла, фрезы, зенкеры и другие инструменты. Их или механически крепят к державкам, или напаивают на державки.

Основным преимуществом металлокерамики является возможность получения очень плотных или, наоборот, пористых изделий из тугоплавких металлов и сплавов (вольфрама, тантала, твердых сплавов), из металлов, не смешивающихся в расплавленном виде (железо – свинец, вольфрам – медь), из металлов и неметаллов (медь – графит и др.). Способом порошковой металлургии из металлокерамики изготовляют детали радиоламп, нити накаливания электроламп (из порошков тугоплавких металлов: вольфрама, молибдена, тантала); твердые сплавы, пористые вкладыши к подшипникам (из бронзо-графита, железо-графита и др.), фрикционные диски (из порошковых меди, олова, свинца и графита), применяемые в тормозных устройствах автобусов, тракторов и т. п.; мелкие детали для различных отраслей промышленности (например, зубчатые колеса, кулачки и т. п.), ряд деталей для электротехники (щетки для электрических машин, сварочные электроды) и многие другие детали.

4.8.4. Минералокерамические материалы

Это перспективные в современной технологии инструментальные материалы. В отличие от быстрорежущей стали и твердых сплавов не содержат дорогостоящих элементов (вольфрама, ванадия, кобальта и др.). Исходными материалами при изготовлении минералокерамических изделий служат тончайшие порошки разных веществ, в том числе минералов, представляющих главным образом оксиды, карбиды, нитриды и пр. В качестве связующего вещества для получения изделий служат тонко измельченные стекловидные составы, по объему не превышающие 1 % общего объема. Способы получения минералокерамических пластинок аналогичны способу порошковой металлургии.

Минералокерамические изделия не теряют твердости и могут работать при температурах до 1200 °C. Они применяются для оснащения режущих инструментов при чистовой обработке и безударной нагрузке, так как являются хрупкими.

При повышенных требованиях к стойкости на удар применяют керметы, представляющие минералокерамику с карбидами (TiC, SiC) на металлической связке – железной, никелевой или алюминиевой. Температуростойкость керметов около 950 °C.

Минералокерамические материалы изготовляются в форме пластинок и присоединяются к корпусам инструментов механическим путем, приклеиванием или припаиванием.

Инновационные образцы минералокерамических резцов представлены на рынке оборудования и инструментов в виде многослойных многогранников пластинчатой формы. Особенностью представленной на рис. 4.13 конструкции является наличие высокотвердых, износостойких покрытий из карбидов и цианидов титана, а основой резца служат твердые вольфрамовые карбиды. Это определяет высокие показатели стойкости и одновременно снижает такой недостаток минералокерамических резцов как хрупкость.

Минералокерамика успешно может применяться для чистового обтачивания чугуна, сталей, неметаллических материалов и цветных металлов с большими скоростями и ограниченным числом перерывов в работе.

Минералокерамику марки ВШ наиболее эффективно для чистового точения углеродистых и низколегированных сталей, а также чугунов с твердостью HB≤260. При прерывистом точении керамика марки ВШ дает неудовлетворительные результаты. В этом случае целесообразно использовать керамику марки В3.

Минералокерамику марок ВОК-60, ВОК-63 используют при фрезеровании закаленной стали и высокопрочных чугунов.

Новым инструментальным материалом, созданным на основе нитрида кремния, является силинит-Р. Он используется при чистовом точении сталей, чугуна, алюминиевых сплавов.

4.8.5. Сверхтвердые материалы (алмазы, эльбор)

Сверхтвердые материалы обладают высокой стойкостью. Вследствие этого, эффективность использования дорогостоящих инструментов из сверхтвердых материалов в массовом и крупносерийном производстве выражается в их малом износе. Одновременно обеспечиваются высокие показатели качества обработки (точность размеров деталей машин).

Сверхтвердые материалы (алмазы) широко применяют для оснащения лезвийных инструментов. Такие инструменты применяют для чистовой размерной обработки при высоких скоростях резания (100–200 м/мин и более).

АЛМАЗ. Среди сверхтвердых материалов первое место принадлежит алмазу, твердость которого (HV 100 000) в 6 раз превосходит твердость карбида вольфрама (НV 17 000) и в 8 раз – твердость быстрорежущей стали.

Алмаз теплостоек до температуры 800 °C (при большем нагреве он графитизируется), однако обладает высокой теплопроводностью, снижающей температуру режущей кромки. Алмаз обладает высокой адгезией к железу, что является причиной низкой износостойкости при точении сталей и чугуна. Алмазным инструментом обрабатывают цветные металлы и их сплавы, пластмассы, керамику.

Алмаз имеет твердость значительно большую, чем у твердых сплавов, а износостойкость – в десятки раз большую. Однако алмаз хрупок, поэтому кристаллы алмаза используют для тонкого так называемого алмазного точения деталей из цветных металлов и неметаллических материалов. Для изготовления резцов используют алмазы массой свыше 0,3 карата (карат равен 0,2 г).

ЭЛЬБОР. Большей универсальностью обладают инструменты из поликристаллического нитрида бора, называемого кубическим нитридом бора (КНБ), который получают спеканием микропорошков нитрида бора (BN). В зависимости от технологии получения КНБ выпускают под названием: эльбор, эльбор-Р, борозон.

Нитрид бора имеет такую же, как алмаз, кристаллическую решетку и близкие к нему свойства (HV 90 000), но превосходит его по теплостойкости (1200 °C) и химической инертности. Сочетание таких уникальных свойств позволяет с успехом применять его при чистовом и тонком точении закаленных сталей, чугунов и других труднообрабатываемых материаловв том числе цементованных и закаленных (HRC> 60). При этом износостойкость резцов со вставками из эльбора в 10 раз превосходит стойкость резцов с пластинками из твердых сплавов и минералокерамики.

Высокоскоростное точение сталей может заменить шлифование, сокращая в 2–3 раза время обработки и обеспечивая низкую шероховатость поверхности.

Порошки алмаза и эльбора применяют для изготовления шлифовальных кругов, брусков, а также в свободном виде для притирки и полирования.

Приведем обобщенную таблицу показателей качества инструментальных материалов (таблица 4.2).

Таблица 4.2

Сравнительные показатели инструментальных материалов

4.9. Сплавы цветных металлов

4.9.1. Сплавы на медной основе

Медь и ее сплавы – дорогостоящие материалы. Вместе с тем, высокая коррозионная стойкость, тепло – и электропроводность, жидкотекучесть определяет их востребованность в энергомашиностроении, изготовлении теплового и химического оборудования, а низкие фрикционные показатели (коэффициент трения) позволяют использовать сплавы меди в высокоэнергетических установках, в конструкциях подшипников трения.

В промышленности используют сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, бериллием, кремнием, марганцем, никелем, свинцом. Легирование меди обеспечивает повышение ее механических и технологических и антифрикционных свойств.

Сплавы меди с цинком называют латунями, все другие медные сплавы – бронзами.

ЛАТУНИ. Сплавы меди с цинком до 39 % однофазны и представляют а-твердый раствор цинка в меди; при большем содержании цинка в структуре латуни имеются также кристаллиты ß-фазы твердого раствора на базе электронного соединения Cu и Zn. С увеличением ß'-фазы (сверх 43 % Zn) прочность латуни уменьшается, а хрупкость увеличивается, поэтому применяют латуни,) содержащие до 43 % цинка.

По сравнению с чистой медью латуни прочнее и тверже. Кроме того, они жидкотекучи и устойчивее к коррозии. Следует также отметить, что цинк, а поэтому и латунь дешевле меди.

Кроме простой существуют специальные латуни, с добавками железа, марганца, никеля, олова, кремния и др. Содержание легирующих компонентов в специальных латунях не превышает 7–9 %. Некоторые специальные латуни по прочности не уступают среднеуглеродистой стали.

По ГОСТ у марки латуни обозначаются буквой Л и цифрой, указывающей содержание меди в сплаве. Например, марка Л90 обозначает латунь, содержащую около 90 % Сu, марка Л63 – латунь, содержащую около 63 % Сu, и т. д.

Легирующие компоненты (кроме свинца) увеличивают прочность латуни, но уменьшают ее пластичность. Свинец улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием латуни.

Латуни, как и все сплавы цветных металлов, принято разделять на литейные (для фасонного литья) и деформируемые, т. е. обрабатываемые давлением (прокаткой, прессованием, волочением и др.).

БРОНЗЫ. Важнейшими бронзами являются оловянные, алюминиевые, кремнистые, никелевые. Добавка к алюминиевой бронзе железа, марганца и др. еще больше повышает ее механические свойства. Например, алюминиево-железо-марганцевая бронза Бр. АЖМц10–3–1,5 имеет предел прочности σв ≥50.

КРЕМНИСТАЯ БРОНЗА. Содержит 2–3 % Si; относится к однородным сплавам – твердым растворам. Эта бронза прочная, хороша для литья и успешно заменяет во многих случаях оловянную бронзу. Ее свойства улучшают добавки марганца, никеля и др.

4.9.2. Легкие сплавы

К легким относятся сплавы, получаемые на основе алюминия, магния и титана.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ. Для алюминиевых сплавов характерна малая плотность y (до 2,85 г/см³) при удельной прочности (õ_в/y), которая для некоторых марок близка к удельной прочности высокопрочных сталей. Из сплавов на основе алюминия в технике получили распространение его сплавы с медью, марганцем, кремнием.

Для повышения прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности алюминиевых сплавов используют литий, никель, титан, бериллий.

АЛЮМИНИЕВЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ. Эти сплавы чаще всего содержат кремний, медь и магний.

Сплавы алюминия с кремнием называют силуминами. Чаще выплавляют силумины, содержащие от 0 до 13 % Si, близкие к эвтектическому составу (марки АЛ 2, АЛ 9, AЛ4). Эти сплавы жидкотекучи, с малой усадкой и прочнее чистого алюминия.

Упрочнение их достигается модифицированием, состоящим в добавке к расплавленному силумину модификаторов – натрия или смеси фтористых солей натрия и калия. Даже 0,01 % Na повесу резко меняет структуру силумина: зерна становятся мелкими, а излом бархатистым на вид. Силумины до модифицирования имеют грубозернистую структуру и худшие механические свойства. Механические свойства модифицированного силумина характеризуются следующими данными: НВ 50–70; õ _в= 15–20; δ=2–5 %. Добавки в силумин магния до 0,6 % и марганца до 0,3 % еще больше упрочняют сплав.

Литейные сплавы алюминия с медью содержат 4–11 % Сu. Сплавы двухфазные с твердым раствором a и алюминидом СuАl ₂. Фаза a пластична и по механическим свойствам сходна с алюминием; фаза СuАl ₂ твердая и хрупкая (сплав АЛ 7).

Сплавы алюминия с магнием для литья содержат 4,5–11 % Mg. Эти сплавы прочные, удовлетворительно сопротивляются коррозии. Для этих сплавов типичен сплав марки АЛ 8.

Сплав АЛ 32 является высокопрочным и используется для литья под давлением.

Упрочнение отливок из алюминиевых сплавов производят термической обработкой: закалкой н старением (например, сплавы АЛ 7, AЛ8, АЛ 9, АЛ 32); для снятия внутренних напряжений производят отжиг (АЛ 2).

4.10. Специальные конструкционные материалы. Полупроводники. Общие сведения

Полупроводники – основа для развития электроники, а значит, дальнейшей информатизации общества. Кроме того, на основе полупроводников возможно использование неисчерпаемого альтернативного источника энергии – солнечной энергии.

Из простых полупроводников, состав которых образован атомами одного химического элемента, наиболее распространены германий и кремний и частично селен.

Германий и кремний – элементы IV группы, имеют кристаллическую решетку алмаза с ковалентным типом межатомных связей. В такой решетке каждый атом расположен в центре правильного тетраэдра и имеет четырех соседей, с которыми он вступает в ковалентную связь, достраивая свою валентную зону до восьми электронов. В результате каждый валентный электрон становится общим для двух атомов и валентная зона каждого атома оказывается заполненной. Для перехода в зону проводимости электроны должны пройти зону запрещенных энергий, для чего необходима определенная энергия, которую полупроводник получает в виде света или теплоты. У кремния ширина запрещенной зоны (1,8·10^-19Дж) существенно выше, чем у германия (1,15·10^-19Дж), поэтому при нагреве кремний сохраняет высокие постоянные значения электрического сопротивления до больших температур, что позволяет использовать его для работы в приборах при более высоких температурах.

Полупроводники подразделяются на простые (их состав образован атомами одного химического элемента) и сложные композиции, основной состав которых образован атомами двух или большего числа химических элементов. Сложными полупроводниками являются соединения элементов различных групп таблицы Менделеева, соответствующие общим формулам A^IVB^IV(SiC), A^IIIB^V(ZnSb, GaAs, GaP), А^IIB^IV (Cd, ZnSe), а также некоторые оксиды.

Наиболее важными физическими эффектами в полупроводниках являются эффекты выпрямления, усиления (транзисторный эффект), фотоэлектрический, термоэлектрический и туннельный.

4.11. Полимерные материалы. Общие сведения. Классификация полимеров

Полимерные материалы – пластмассы – уникальная альтернатива всех видов конструкционных материалов во многих отраслях экономики. Современные полимерные материалы не уступают, а иногда и превосходят по технологическим и потребительским свойствам традиционные конструкционные материалы. Объемы производства пластмасс позволяют удовлетворить любой спрос. Следует отметить, что объемы производства и потребления полимерных материалов в России и изделий на их основе, во много раз меньше, чем в экономически развитых странах.

Характерными свойствами полимерных материалов являются прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость. Эти свойства делают их часто незаменимыми.

ПОЛИМЕРАМИ называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся групп атомов, которые называются звеньями полимера. Молекулярная масса их составляет от 5 000 до 1 000 000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Рассмотрим механизм образования и структуру полимеров на примере полиэтилена. Исходный продукт этилен С₂Н₄ – газ. Имеет строение молекулы (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Строение молекулы этилена

Если этилен подвергать воздействию давления и температуры, то он переходит в другую структурную форму (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Структурная формула полиэтилена

Образовавшиеся свободные валентные связи обладают способностью присоединять группы. Этот процесс называется полимеризацией:

n – число повторяющихся групп – степень полимеризации, определяет агрегатное состояние и свойства полимера.

n = 1 – С₂Н₄ – газ (мономер);

n = 50 – смазочная жидкость;

n = 150–200 – твердые маслянистые вещества типа парафина;

n = 1500–2000 – полиэтилен – твердое вещество.

Свойства полимеров во многом обусловлены строением их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делят на линейные и пространственные.

Линейные макромолекулы представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (рис. 4.15а). Пространственные макромолекулы могут быть разветвленными (рис. 4.15б), лестничными (рис. 4.15в) – обладают повышенной теплостойкостью, большой жесткостью, нерастворимы; бывают пространственными или сетчатыми (рис. 4.15 г) с различной густотой сетки. Редкосетчатые не растворяются и не плавятся, обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые отличаются большой твердостью и жесткостью, повышенной теплостойкостью, нерастворимы. Пространственные полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов

Рис. 4.15 Строение макромолекул полимеров.

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные.

Неполярные полимеры являются высококачественными высокочастотными диэлектриками, они обладают хорошей морозостойкостью. Полярные полимеры обладают более высокой жесткостью, теплостойкостью, но морозостойкость у них низкая. Полиэтилен, полипропилен, фторопласт-4 – неполярные полимеры.

Все полимеры по отношению к нагреванию делятся на термопластичные и термореактивные.

ТЕРМОПЛАСТИЧНЫЕ ПОЛИМЕРЫ (термопласты) при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают; этот процесс обратим (полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.).

ТЕРМОРЕАКТИВНЫЕ ПОЛИМЕРЫ (реактопласты) на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми (термореактивные смолы: фенолформальдегидная, глифталиевая, карбамидные, эпоксидные, полиэфирные).

Термопластичные полимеры в отличие от термореактивных нашли широкое применение и производятся в больших количествах. Их перерабатывают в пленку, волокна и изделия из волокна, которые трудно или вовсе невозможно изготовить из термореактивных полимеров.

Высокомолекулярные соединения в течение времени могут значительно изменять свои свойства. Явление называется старением. При этом снижается механическая прочность, уменьшается эластичность, повышается хрупкость.

Сущность старения заключается в разрыве химических связей в основной цепи макромолекул – деструкция. Обычно старение является результатом окисления полимера атмосферным кислородом. Процессы старения ускоряются под воздействием механических напряжений, облучений, при нагреве. Для замедления процесса старения в полимеры вводят различные стабилизаторы или термостабилизаторы (амины, фенолы), свето-стабилизаторы (сажа, салициловая кислота). Срок наступления хрупкости полиэтилена, стабилизированного сажей, составляет свыше пяти лет.

Пластификаторы добавляют в количестве 10–20 % для уменьшения хрупкости и улучшения формуемости.

Применение полимеров как конструкционного материала экономически целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоемка. Пластмассовые детали не нуждаются в отделочных операциях. Характерными особенностями полимеров являются малая плотность (1–2 т/м³), высокая химическая стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, невысокая теплопроводность.

Рассмотрим свойства некоторых полимеров.

ПОЛИЭТИЛЕН (– СН ₂ – СН ₂ – )_n – продукт полимеризации этилена, кристаллизующийся полимер. По плотности полиэтилен подразделяют на полиэтилен низкой плотности, получаемый в процессе полимеризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий 55–65 % кристаллической фазы; и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком давлении (ПЭНД) – кристалличность до 74–95 %.

Длительно полиэтилен можно использовать при температуре до 60–100 °C. Морозостойкость до -70 °C.

Полиэтилен – самый высококачественный термопластичный электроизоляционный материал. В электротехнике используют для изоляции жил кабелей, эксплуатируемых в воде, и как защитный материал. Применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, он служит покрытием для защиты металлов от коррозии, влаги, электрического тока.

ПОЛИПРОПИЛЕН (– СН 2 – СНСН 3 – )n является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами, сохраняет форму до температуры 150 °C. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Недостаток – невысокая морозостойкость (от -10 до -20 °C); изготавливают трубы, детали автомобилей, холодильников, корпусы насосов, различные емкости.

ПОЛИ ЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ (ПЭТФ) или лавсан представляет собой сложный термопластичный полиэфир терефталевой кислоты и этиленгликоля. По физическим свойствам это твёрдое вещество белого цвета без запаха. Полиэтилентерефталат прочный, жёсткий и лёгкий материал. Пластик не ядовит. Сегодня ПЭТФ используется для производства разнообразнейшей упаковки для продуктов и напитков, косметики и фармацевтических средств, материал незаменим при изготовлении рентгеновских пленок, автомобильных шин, бутылок для напитков, пленок с высокими барьерными свойствами (торговое название «лавсан»), волокон для тканей (торговое название «полиэстер»). Многообразно применение заготовок из ПЭТФ в машиностроении, химической промышленности, пищевом оборудовании, транспортных и конвейерных технологиях, медицинской промышленности, приборостроении и бытовой технике.

ПОЛИСТИРОЛ (– СН ₂ – СНС ₆Н₅ – )_n – твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер, хорошо обрабатывается и окрашивается, растворим в бензоле, наиболее стоек к ионизирующему излучению.

Недостатки – невысокая теплостойкость, склонность к старению, образованию трещин. Изготавливают детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов и др.

ФТОРОПЛАСТ-4 (политетрафторэтилен) (– CF ₂ – CF₂ – )_n – аморфно-кристаллический полимер. Считается самым высококачественным электроизоляционным материалом. Среди всех пластмасс имеет максимальную химическую стойкость, по которой он превосходит даже благородные металлы, высокую нагревостойкость и может применяться до температуры 250 °C, негорюч. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора, не смачивается водой. Обладает очень низким коэффициентом трения (f = 0,04), который не зависит от температуры.

Недостатки: труднообрабатываемость и низкая стойкость к электрическим разрядам и ионизирующему излучению.

Используют для изоляции высокочастотных проводов и кабелей в качестве диэлектрика специальных конденсаторов и прессованных деталей высокочастотного оборудования, а также изготавливают трубы, вентили, краны, насосы, мембраны, прокладки, манжеты сильфонов, антифрикционные покрытия на металлы (подшипники, втулки).

ОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО (полиметилметакрилат) более чем в 2 раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен, стойкий к действию разбавленных кислот и щелочей. При температуре 80 °C начинает размягчаться; при t = 105–150 °C, появляется пластичность, что позволяет формовать различные изделия. Из-за своей полярности используется чаще как конструкционный материал. Растворяется в эфирах, в органических кислотах, что используется для склеивания деталей из оргстекла (например, дихлорэтаном) с сохранением их прозрачности.

ПОЛИВИНИЛХЛОРИД (-СН₂ – СНС 1-)_n является аморфным полимером. Имеет хорошие электроизоляционные свойства, стойкий к химикатам, не поддерживает горение, используется для изоляции кабелей, проводов. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом; он имеет высокую прочность и упругость. Из винипласта изготавливают трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, строительные облицовочные плитки. Рабочая температура не выше 60–70 °C.

ПОЛИАМИДЫ – группа пластмасс: капрон, нейлон, анид, рилсан и др. Это твердые роговые продукты. Полиамиды – кристаллизующиеся полимеры, имеют низкий коэффициент трения, ударопрочны и способны гасить вибрации, стойки к щелочам, бензину, спирту. Изготовляют капроновые подшипники, которые могут работать как без смазки, так и при смазке водой и маслами. Полиамиды гигроскопичны: капрон поглощает до 12 % воды; наиболее водостоек рилсан. Изготавливают шестерни, втулки, болты, гайки, шкивы, детали ткацких станков, масло-бензопроводы, уплотнители гидросистем, колеса центробежных насосов, турбин, парашютные ткани, шинный корд и др.

ПОЛИУРЕТАНЫ содержат уретановую группу (-NH – СОО – ) _n. Кислород в молекулярной цепи сообщает полимерам гибкость, пластичность; они атмосферостойки и морозостойки (от -60 до -70 °C). Верхний температурный предел 120–170 °C. Свойства близки к свойствам полиамидов. Вырабатывают пленочный материал и волокна. В зависимости от исходных веществ могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными.

Кроме перечисленных, используются также поликарбонат (шестерни, подшипники, авто– и радиодетали); полиарилаты (подшипники для глубокого вакуума без смазки, уплотнения в буровой технике); пентапласт (трубы, клапаны, детали насосов и точных приборов, емкости, пленки); полиформальдегид (зубчатые передачи, шестерни, подшипники, детали автомобилей); термостойкие пластики – температура эксплуатации до 400 °C: ароматический полиамид (250–260 °C), полисульфон (-100–175 °C – в инертной атмосфере до 400 °C) и др.

4.11.1. Пластические массы

ПЛАСТМАССЫ – это искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Они состоят из связующего вещества и наполнителя. Основным компонентом всех пластмасс является связующее вещество. Это обычно органический полимер, обладающий способностью деформироваться под воздействием давления и, затвердевая, сохранять полученную форму.

Чаще в качестве связующего в пластмассах применяют синтетические смолы. Основными требованиями к связующим веществам являются: высокая клеящая способность (адгезия), высокие теплостойкость, химическая стойкость и электроизоляционные свойства, простота технологической переработки, небольшая усадка и отсутствие токсичности.

В производстве пластмасс широко используют фенолформальдегидные и эпоксидные смолы. Более высокой адгезией к наполнителю обладают эпоксидные смолы, которые позволяют получать армированные пластики с высокой механической прочностью.

Наполнители вводят для повышения механической прочности, теплостойкости, электроизоляционных и других свойств. Они после пропитки связующим веществом спрессовываются в однородную массу. Кроме того, в состав пластмасс вводят пластификаторы, пигменты и другие добавки.

В зависимости от формы частиц наполнителя пластмассы подразделяются на порошковые, волокнистые и слоистые.

В пластмассах с порошковым наполнителем в качестве наполнителя используют органические (древесная мука, порошкообразная целлюлоза) и минеральные порошки (молотый кварц, тальк, цемент, графит, слюдяная мука).

СТЕКЛОВОЛОКНИТЫ – это композиции из синтетической смолы и стекловолокнистого наполнителя. Чем тоньше стекловолокно, тем оно прочнее. Для практических целей используют волокно диаметром 5–20 мкм (σв=600–3800 МПа, δ=2–5–3,5 %).

Неориентированные стекловолокниты содержат короткое волокно, что позволяет прессовать детали сложной формы и с металлической арматурой. Обладают изотропными свойствами, по прочности превышают прочность пресс-порошков и даже волокнитов. Представителями их являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ, которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машиностроения (золотники, уплотнения насосов и т. д.).

Ориентированные стекловолокниты имеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентировано отдельными прядями, что обеспечивает более высокую прочность стеклопластика.

Стекловолокниты могут работать при температурах от –60 до 200 °C, в тропических условиях. Из них изготавливают детали высокой прочности, с арматурой и резьбой.

УГЛЕПЛАСТИКИ или УГЛЕВОЛОКНО (КАРБОН) – по лимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность – от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³.

Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь. Начиная с 1980-х гг., оно получает все возрастающее применение в высокопрочных композитных материалах. Благодаря своим великолепным свойствам является идеальным материалом для армирования сильнонагруженных компонентов в аэрокосмической области, спорте, медицине, а также в ветроэнергетике, шельфовой нефтедобыче и химической промышленности. Нити углерода, как основная часть карбона, являются очень устойчивыми к растяжению волокнами, на одном уровне со сталью. Однако при сжатии они могут поломаться. Для решения этой проблемы в итоге и придумали переплетать их между собой под определенным углом, добавляя в них резиновые нити. Далее некоторое количество таких слоев ткани соединяются между собой эпоксидными смолами.

В итоге получается тот самый материал – карбон. Основным достоинством карбона является его высокая прочность при небольшом весе. Карбон легче стали на 40 % и легче алюминия на 20 %, а по прочности не уступает большинству металлов. Именно из-за этого карбон стали использовать в деталях гоночных автомобилей, ведь для них такие характеристики актуальны. Еще один из плюсов – это внешний вид карбона. Он смотрится очень престижно и красиво.

ГЕТИНАКС получают на основе смол и различных сортов бумаги. По назначению подразделяют на электротехнический и декоративный различных цветов с текстурой, имитирующей древесные породы. Можно применять при температуре 120–140 °C. Используют для облицовки пассажирских кабин самолетов, вагонов, кают судов.

МАТЕРИАЛ СВАМ – стекловолокнистый анизотропный материал. Как конструкционный материал обладает большой жесткостью и высокой ударной вязкостью (0,4–0,6 МДж/м²). Длительно стеклопластик может работать при температуре 200–400 °C, а в течение нескольких десятков секунд – несколько тысяч градусов. Применяют в авиационной и ракетной технике.

4.12. Композиционные материалы. Общая характеристика и классификация

КОМПОЗИЦИОННЫМИ называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые друг в друге компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Принцип создания конструкционных материалов заимствован у природы. Примером естественных композиционных материалов могут служить стволы и стебли растений (в дереве волокна целлюлозы соединены пластичным лигнином), кости человека и животных (в костях тонкие прочные нити фосфатных солей соединены пластичным коллагеном).

Композиционные материалы по удельной прочности и жесткости, прочности при высоких температурах, сопротивлению усталостному разрушению и др. значительно превосходят все известные конструкционные сплавы. При этом уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления, а материалу придают форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей и даже отдельных узлов конструкций.