Магнитные свойства сплавов системы Fe—Cо—Cr после деформационного старения

Высокая коэрцитивная сила в сплавах системы Fe—V—Co (викаллой) возникает в результате γ → α-превращения. Магнитные свойства формируются благодаря холодному деформированию и последующему отпуску. В сплавах этой системы γ → α-превращение происходит при холодном деформировании. Увеличение степени деформирования (обычно не менее 80–90 %) приводит к полному γ → α-превращению и созданию в сплаве кристаллической текстуры. Рост Н_с происходит в процессе последующего отпуска в двухфазной α + γ-области вследствие обратного превращения.

Сплавы, содержащие 12 % Co и 10–20 % Mo, называют комол. Эти сплавы деформируются только в горячем состоянии, так как высокое значение коэрцитивной силы достигается в результате распада пересыщенного твердого раствора.

Постоянные магниты по порошковой технологии изготовляют как из хрупких сплавов систем Fe—Ni—Al и Fe—Co—Ni—Al, так и из пластичных сплавов систем Cu—Ni—Co, Fe—Co—Mo и др. Как правило, в качестве исходных материалов используют порошки чистых металлов и лигатур. Порошки смешивают в пропорции, необходимой для получения порошкового сплава заданного состава. Полученную смесь прессуют в виде магнитов нужной формы и проводят высокотемператур-ное спекание в защитной атмосфере или вакууме.

В настоящее время созданы новые магнитные материалы с применением таких редкоземельных элементов, как неодим и самарий. В России широко осуществляют производство магнитов на основе химического соединения Nd₂Fe₁₄B, полученные методом порошковой металлургии с последующим прессованием и спеканием в атмосфере аргона при 1370 °С.

Необходимость расширения области применения магнитотвердых материалов позволила разработать принципиально новые материалы: магнитопласты и магнитоэласты. В них используется смесь резины и пластмассы с размолотым порошком магнитотвердого феррита. Вместо феррита применяют порошки «альнико», соединений РЗМ, например Nd₂Fe₁₄B.

Существенное преимущество формообразова-ния магнитов с помощью различных связующих веществ — возможность получения сложных магнитных текстур, например, в многополюсных кольцевых магнитах с количеством полюсов от двух до нескольких десятков.

Магнитотвердые стали необходимы для изготовления постоянных магнитов, которые устанавливаются в ряде измерительных приборов, радиоаппаратуре, магнето и т. д. Эти стали должны обладать высокой коэрцитивной силой Нс и высокой остаточной индукцией.

Высокие магнитные свойства и их стабильность в магнитотвердых сталях достигаются не только введением необходимого количества легирующих элементов, но и соблюдением специальных режимов термической обработки. Закалка магаитотвердых деталей ведется три высоких температурах (около 1300°) с медленным охлаждением в магнитном поле и последующим отпуском при 000°.

Стали с большим количеством никеля (35 — 44%) и низким содержанием углерода (до 0,35%) имеют аустенитную структуру, что обеспечивает низкий коэффициент теплового расширения при нагреве.

Коэффициент линейного расширения инвара в пределах от -50° до +100° близок к нулю. Однако при повышении температуры сверх 100° этот коэффициент быстро увеличивается и при температурах 275° превосходит коэффициент линейного расширения обыкновенных сталей. Инвар применяется в точном приборостроении, например для геодезических и оптических приборов.

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. Они характеризуются величинами остаточной индукции, коэрцитивной силы и магнитной анергии. В настоящее время разработаны материалы, обладающие коэрцитивной силой до 360 кА/м, остаточной магнитной индукцией до 1,6 Т и магнитной энергией до 40— 50 кДж/м8. В качестве магнитотвердых материалов используют: пар-тенситовые стали ЕХЗ, ЕВ6, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 (ГОСТ 6862—71) (буквы означают! Е—сталь магнитотвердая, X — хром, В — вольфрам; К — кобальт, М — молибден), сплавы на основе меди, железа, кобальта, никеля, алюминия и других металлов: ЮНД4, ЮНД8, ЮНДС, ЮНДК15, ЮНДК18, ЮНДК35Т5, ЮНДК34Т5, ЮН14ДК24, ЮН13ДК246, ЮН13ДК25А, ЮН13ДК25БА и т. д. (ГОСТ 17809—72)1 деформируемые сплавы Викаллой 1 и II, Кунифе I и II, Кунико I и II, бариевые сплавы (магнитотвердые ферриты), 1БИ, 1БИ1, 1БИ2, 2БА, 2БА1, ЗБА, 1.5КА, 2КА (ОСТ 11 ПО 707.002); высококоэрцитивные сплавы на основе благородных металлов PtFe, PtCo и AgMnAl.

65. Инструментальные стали и сплавы

Инструмента́льная углеро́дистая сталь — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали — 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной — 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.

К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А (в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов — марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У — углеродистая, следующая за ней цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г — повышенное содержание марганца.

Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую теплостойкость.

Инструментальные стали делятся на следующие категории:

Сталь инструментальная углеродистая

Сталь инструментальная легированная

Сталь инструментальная валковая

Сталь инструментальная штамповая

Сталь инструментальная быстрорежущая

Применение инструментальной углеродистой стали

У7, У7А Для инструментов по дереву: топоров колунов, стамесок, долот; пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимок, бойков; кузнечных штампов; игольной проволоки; слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.

У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых; накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек. Для калибров простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.

У10А, У12А Для сердечников.

У10, У10А Для игольной проволоки.

У10, У10А, У11, У11А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению; калибров простой формы и пониженных классов точности; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др. Для напильников, шаберов холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.

У12, У12А Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных; штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности.

У13, У13А Для инструментов с повышенной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов.

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, а также ряда деталей точных механизмов и приборов: пружин, подшипников качения, шестерен и др. Часто из таких сталей изготавливают только рабочую (режущую) часть инструмента, а крепежные части выполняют из конструкционных сталей.

Основными потребительскими требованиями к инструментальным сталям являются высокие твердость, износостойкостъ и прочность при высокой (500...800°С) теплостойкости. Кроме эксплуатационных свойств, для инструментальных сталей большое значение имеют технологические свойства: прокаливаемость, малые объемные изменения при закалке, обрабатываемость давлением, резанием, шлифуемостъ.

Необходимые свойства инструментальным сталям придают карбидные фазы, так как именно их присутствие обуславливает высокие прочностные показатели и твердость (рис. 4).

Рис. 4. Влияние содержания хрома и типа карбидов в хромистых сталях на твердость НВ и износостойкостъ при трении по абразиву. Штриховые линии - сплавы, содержащие 0,4% С; сплошные линии - сплавы, содержащие 1% С; 1 -Fe,C; 2 - Cr₇C₃ ; 3 - Cr₂₃C₆

Для обеспечения необходимых свойств применяют специальное легирование и термическую обработку. Так обеспечение теплостойкости достигается легированием стали вольфрамом, молибденом, ванадием, а легирование хромом и марганцем повышают ее прокаливаемость.

Термическая обработка инструментальных сталей, как правило, включает закалку и низкий отпуск. В результате такой обработки достигаются твердость стали 60...65 HRC и предел прочности при изгибе s = 250...350 МПа. Режимы термической обработки в зависимости от химического состава сталей и требований к их твердости и прочности установлены ГОСТ 5950-73 и ГОСТ 19265-73.

Инструментальные стали классифицируются (ГОСТ 1435-74 и ГОСТ 5950-73) по основному потребительскому свойству на стали высокой твердости, стали повышенной вязкости и теплостойкие стали. Стали высокой твердости и повышенной вязкости используются как нетеплостойкие.

Инструментальные стали высокой твердости по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (0,68...1,35% С) и низколегированными (Mn, Si, Cr и др.). Структура после термообработки - мартенсит и перлит. Температура эксплуатации для изделий из таких сталей до 190... 225°С; при этом их твердость - 60...68 HRC.

Инструментальные стали высокой твердости (У10...У13, У10А...У13А, 13Х, ХВСГ, 9ХФ, 7ХГ2ВМ и др.) классифицируются по прокаливаемости на стали небольшой, повышенной и высокой прокаливаемости. Величина прокаливаемости определяет размер изделия. Так инструментальные стали небольшой прокаливаемости используют для изготовления тонкого инструмента диаметром менее 12...15 мм, а стали высокой прокаливаемости - для массивного инструмента и инструмента сложной формы.

Стали повышенной вязкости по химическому составу - среднеуглеродистые (0,60...0,74% С), среднелегированные (Mn, Si, Cr и др.). Для изделий из этих сталей температура эксплуатации, как правило, менее 200°С, а их твердость - 62 HRC. Стали повышенной вязкости (У7, У7А, 7ХФ, 6ХС) используются для изготовления инструментов для обработки древесины (пилы, ножи и др.).

Инструментальные теплостойкие стали по температуре эксплуатации в свою очередь делят на собственно теплостойкие (500...800°С) и полутеплостойкие (до 500°С). По химическому составу эти стали являются углеродистыми (0,22...1,65% С), высоколегированными (Мп, Si, Cr, W, Мо и др.).

Теплостойкие стали высокой твердости объединяют в группу так называемых быстрорежущих сталей, маркируемых по ГОСТ 19265-73, буквой Р (режущие). После буквы Р в марке следует цифра, указывающая среднее содержание в процентах вольфрама - главного легирующего элемента этих сталей (буква В - его условное обозначение - пропускается): затем указываются принятыми для обозначения как и в остальных сталях буквами другие легирующие элементы с цифрами, указывающими их содержания в процентах, если это содержание больше 1...2%. В состав всех быстрорежущих сталей непременно входят углерод (0,8...1,25%), хром (около 4%) и ванадий (1...2%), содержание которых в марке не указывается.

Фазовый состав быстрорежущих сталей в отожженном состоянии представлен легированным ферритом и карбидами МбС, МззСб, МС, МзС. Основным карбидом является М₆С. Количество карбидной фазы в стали Р18 достигает 25...30%, а в стали Р6М5 - 22%.

Обработка быстрорежущих сталей включает горячую ковку литых заготовок, отжиг,. закалку и многократный (чаще трехкратный) отпуск. Структура после закалки - мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. Отпуск вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение. Это сопровождается увеличением до % HRC 64 твердости (вторичная твердость) за счет выделения частиц цементита. Для улучшения режущих свойств и повышения износостойкости некоторые виды инструментов подвергают низкотемпературному (540...570°С) цианированию, в результате которого на поверхности стали образуется тонкий слой высокой твердости (1000...1100 HV).

Полутеплостойкие (Х12М, 5ХНМ) и теплостойкие (Р12, Р6М5, Р18; Р12ФЗ, Р13Ф4К5, Р9М4К8, Bl 1M7K23, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС, 4Х4ВМФС, 45ХЗВЗМФС, 2Х8В8М2К8) стали используются для изготовления режущих инструментов (например, фрезы, сверла) и штампов, пуансонов. Для инструментальных сталей при температуре эксплуатации до б50°С твердость должна быть 60...62 HRC, a для штамповых - 45...52 HRC до 700°С.

Инструментальные стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8...У12, X, ХВГ, Х12Ф1. Необходимые требования обеспечивают применением обработки холодом до - 60°С (нередко многократной) и отпуска при 120...130°С непосредственно после закалки.

Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

66. Твердые сплавы их маркировка свойства и область применения

Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из высокотвёрдых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля.

Твёрдые сплавы различают по металлам карбидов, в них присутствующих: вольфрамовые — ВК2, ВК3,ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титано-вольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титано-тантало-вольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б.Безвольфрамовые ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30

По химическому составу твёрдые сплавы классифицируют:

вольфрамокобальтовые твёрдые сплавы (ВК);

титановольфрамокобальтовые твёрдые сплавы (ТК);

титанотанталовольфрамокобальтовые твёрдые сплавы (ТТК).

Твёрдые сплавы по назначению делятся (классификация ИСО) на:

Р — для стальных отливок и материалов, при обработке которых образуется сливная стружка;

М — для обработки труднообрабатываемых материалов (обычно нержавеющая сталь);

К — для обработки чугуна;

N — для обработки алюминия, а также других цветных металлов и их сплавов;

S — для обработки жаропрочных сплавов и сплавов на основе титана;

H — для закаленной стали.

Из-за дефицита вольфрама разработана группа безвольфрамовых твёрдых сплавов, называемых керметами. Эти сплавы содержат в своём составе карбиды титана (TiC), карбонитриды титана (TiCN), связанные никельмолибденовой основой. Технология их изготовления аналогична вольфрамосодержащим твёрдым сплавам.

Эти сплавы по сравнению с вольфрамовыми твёрдыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, ударную вязкость, чувствительны к перепаду температур из-за низкой теплопроводности, но имеют преимущества — повышенную теплостойкость (1000 °C) и низкую схватываемость с обрабатываемыми материалами, благодаря чему не склонны к наростообразованию при резании. Поэтому их предлагают использовать для чистового и получистового точения, фрезерования. По назначению относятся к группе Р классификации ИСО.

Твёрдые сплавы условно можно разделить на три основные группы:

вольфрамосодержащие твёрдые сплавы

титановольфрамосодержащие твёрдые сплавы

титанотанталовольфрамовые твёрдые сплавы

Каждая из вышеперечисленных групп твёрдых сплавов подразделяется в свою очередь на марки, разли­чающиеся между собой по химическому составу, физико-механическим и эксплуатационным свойствам.

Некоторые марки сплава, имея одинаковый химический состав, отличаются размером зёрен карбидных составляющих, что определяет различие их физико-механических и эксплуатационных свойств, а отсюда и областей применения.

Обозначения марок сплавов построено по следующему принципу:

1 группа - сплавы, содержащие карбид вольфрама и кобальт. Обозначаются буквами ВК, после которых цифрами указывается процентное содержание в сплаве кобальта. К этой группе относятся следующие марки:

ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК6ОМ, ВК6КС, ВК6В, ВК8, ВК8ВК, ВК8В, ВК10КС, ВК15, ВК20, ВК20КС, ВК10ХОМ, ВК4В.

2 группа - титановольфрамовые сплавы, имеющие в своем составе карбид титана, карбид вольфрама и кобальт. Обозначается буквами ТК, при этом цифра, стоящая после букв Т обозначает % содержание карбидов титана, а после буквы К - содержание кобальта. К этой группе относят­ся следующие марки: Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4.

3 группа — титанотанталовольфрамовые сплавы, имеющие в своем составе карбид титана, тантала и вольфрама, а также кобальт и обозначаются буквами ТТК, при этом цифра, стоящая после ТТ % содержание карбидов титана и тантала, а после буквы К - содержание кобальта. К этой группе относятся следующие марки: ТТ7К12, ТТ20К9.

4 группа — сплавы с износостойкими покрытиями. Имеют буквенное обозначение ВП. К этой группе относятся следующие марки: ВП3115 (основа ВК6), ВП3325 (основа ВК8), ВП1255 (основа ТТ7К12).

Твёрдые сплавы применяемые для обработки металлов резанием: ВК6, ВКЗМ, ВК6М, ВК60М, ВК8, ВК10ХОМ, Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, ТТ7К12, ТТ20К9.

Твёрдые сплавы применяемые для бесстружковой обработки металлов и древесины, быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений: ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК15, ВК20, ВК10КС. ВК20КС.

Твёрдые сплавы применяемые для оснащения горного инструмента: ВК6В, ВК4В, ВК8ВК, ВК8, ВК10КС, ВК8В,ВК11ВК,ВК15.

В России и бывшем СССР для обработки металлов резанием применяются следующие спечённые твёрдые сплавы

Правильным выбором марки твердого сплава обеспечивается эффективная эксплуатация режущих инструментов. Для конкретного случая обработки сплав выбирают исходя из оптимального сочетания его теплостойкости и прочности. Например, сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Инструменты, изготовленные из этих сплавов (ТК), могут использоваться при высоких скоростях резания, поэтому их широко применяют при обработке сталей.

Инструменты из твердых сплавов группы ВК применяют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости системы СПИД, при прерывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обусловлено повышенной прочностью этой группы твердых сплавов и невысокими температурами в зоне резания.

Такие сплавы используются также при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Кроме того, сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, чем сплавы ВК.

Сплавы группы ТТК занимают промежуточное положение между сплавами ТК и ВК. Сплавы ТТК по применимости - универсальны.

Основная область их применения - резание с очень большими сечениями срезаемого слоя, тяжёлыми ударами и малыми скоростями резания (строгание и долбление).

Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (Т30К4, ВК3, ВК4) обладают высокой твёрдостью, малой прочностью на изгиб и меньшей вязкостью. Применяются для чистовых операций. Наоборот, сплавы с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8, Т5К10) являются более вязкими, обладают высокой прочностью на изгиб и применяются при снятии стружек большого сечения на черновых операциях.

Работоспособность твердых сплавов значительно возрастает при нанесении на них износостойких покрытий.

Твёрдые сплавы в настоящее время являются распространенным инструментальным материалом, широко применяемым в инструментальной промышленности. За счет наличия в структуре тугоплавких карбидов твёрдосплавный инструмент обладает высокой твёрдостью HRA 80-92 (HRC 73-76), теплостойкостью (800—1000 °C), поэтому ими можно работать со скоростями, в несколько раз превышающими скорости резания для быстрорежущих сталей. Однако, в отличие от быстрорежущих сталей, твёрдые сплавы имеют пониженную прочность (σи = 1000—1500 МПа), не обладают ударной вязкостью. Твёрдые сплавы нетехнологичны: из-за большой твёрдости из них невозможно изготовить цельный фасонный инструмент, к тому же они ограниченно шлифуются — только алмазным инструментом, поэтому твёрдые сплавы применяют в виде пластин, которые либо механически закрепляются на державках инструмента, либо припаиваются к ним.

Твёрдые сплавы ввиду своей высокой твёрдости применяются в следующих областях:

Обработка резанием конструкционных материалов: резцы, фрезы, свёрла, протяжки и прочий инструмент.

Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического оборудования и опор весов.

Клеймение: оснащение рабочей части клейм.

Волочение: оснащение рабочей части волок.

Штамповка: оснащение штампов и матриц(вырубных, выдавливания и проч.).

Прокатка: твёрдосплавные валки (выполняются в виде колец из твёрдого сплава, одеваемых на металлическое основание)

Горнодобывающее оборудование: напайка спеченных и наплавка литых твёрдых сплавов.

Производство износостойких подшипников: шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь.

Рудообрабатывающее оборудование: оснащение рабочих поверхностей.

Газотермическое напыление износостойких покрытий

67. Антифрикционные материалы, структура, свойства и применение

Антифрикционные материалы (от англ. friction — трение) — это группа материалов, обладающих низким коэффициентом трения, или материалы способные уменьшить коэффициент трения других материалов.

Твердые антифрикционные материалы обладают повышенной устойчивостью к износу при продолжительном трении. Используется для покрытия трущихся поверхностей (например, в подшипниках скольжения). Например, такими материалами могут служить латунь, железо-графит, бронза или баббит.

Эти материалы должны иметь минимальный коэффициент трения, структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой приработки к контртелу, механические характеристики материала должны соответствовать эксплуатационным нагрузкам, должны быть достаточно износостойкими и пластичными.

материалы, применяемые для деталей машин (подшипники, втулки и др.), работающих при трении скольжения и обладающих в определённых условиях низким коэффициентом трения. Отличаются низкой способностью к адгезии (См. Адгезия), хорошей прирабатываемостью, теплопроводностью и стабильностью свойств. В условиях гидродинамической смазки, когда детали (не деформирующиеся под влиянием давления в смазочном слое) полностью разделены сравнительно толстым слоем смазочного материала, свойства материала этих деталей не оказывают влияния на трение. Антифрикционность материалов проявляется в условиях несовершенной смазки (или при трении без смазки) и зависит от физических и химических свойств материала, к которым относятся: высокие теплопроводность и теплоёмкость; способность образовывать прочные граничные слои, уменьшающие трение; способность материала легко (упруго или пластически) деформироваться или изнашиваться, что способствует равномерному распределению нагрузки по поверхности соприкосновения (свойство прирабатываемости). К антифрикционности относятся также микрогеометрическое строение поверхности, а именно определённая степень шероховатости или пористости, при которых масло удерживается в углублениях, и способность материала «поглощать» твёрдые абразивные частицы, попавшие на поверхность трения, предохраняя тем самым от износа сопряжённую деталь. Проявлению антифрикционности в условиях сухого трения способствует наличие в материале таких компонентов, которые, сами обладая смазочным действием и присутствуя на поверхности трения, обеспечивают низкое трение (например, графит, дисульфид молибдена и др.). Одним из важных свойств А. м., обусловливающих антифрикционность при всех условиях трения, является его неспособность или малая способность к «схватыванию» (адгезии) с материалом сопряжённой детали. Наиболее склонны к «схватыванию» при трении одноимённые пластичные металлы в паре, имеющие гранецентрированную и объёмноцентрированную кубической решётки. При трении по стали наименее склонны к «схватыванию» серебро, олово, свинец, медь, кадмий, сурьма, висмут и сплавы на их основе.

Наиболее распространены как А. м. подшипниковые материалы (ПМ), применяемые для подшипников скольжения. Кроме антифрикционных свойств, они должны обладать необходимой прочностью, сопротивлением коррозии в среде смазки, технологичностью и экономичностью. Вследствие различия в требованиях к материалу подшипника, образующему поверхность трения (антифрикционность), и к остальной части подшипника (достаточная прочность) получили распространение ПМ и подшипники, у которых основа состоит из прочного конструкционного материала (например, стали), а поверхность трения — из слоя А. м. (например, баббита). А. м. наносится литейным способом на заготовку подшипника или на непрерывно движущуюся стальную ленту; из полученной биметаллической калиброванной ленты (см. Биметалл) подшипники (вкладыши и втулки) изготовляются штамповкой.

ПМ делятся на металлические и неметаллические. К металлическим ПМ относятся: сплавы на основе олова, свинца, меди, цинка, алюминия, а также некоторые чугуны; к неметаллическим ПМ — некоторые виды пластмасс, материалы на основе древесины, графито-угольные материалы, резина. Некоторые ПМ представляют собой сочетание металлов и пластмасс (например, пористый слой, образованный спечёнными бронзовыми шариками, пропитанный фторопластом-4 или фторопластом-4 с наполнителями).

ПМ на основе олова или свинца (баббиты) применяются в подшипниках в виде слоя, залитого по стали (иногда по бронзе). Прочное сцепление достигается специальной очисткой стали; возможна также наплавка баббита (для больших подшипников) и заливка им поверхности подшипника, имеющего углубления или пазы для лучшего сцепления. Подшипники автомобилей изготовляются штамповкой из биметаллической ленты стальбаббит.

ПМ на медной основе — бронзы оловянистые, оловянно-свинцовистые, свинцовистые, некоторые безоловянные, а также некоторые латуни. Для наиболее напряжённых подшипников двигателей внутреннего сгорания применяются свинцовистые пластичные бронзы (25% свинца и более) в виде тонкого слоя, залитого по стали.

ПМ на цинковой основе (см. Цинковые сплавы) служат заменителями бронзы, например сплав ЦАМ 9—1,5 применяется в подшипниках паровозов как для изготовления вкладышей целиком, так и для заливки по стали; известен также метод плакирования (См. Плакирование) стали этим сплавом при производстве биметаллической ленты прокаткой.

ПМ на основе алюминия (см. Алюминиевые сплавы), широко применяемые для подшипников двигателей внутреннего сгорания, можно подразделить на 2 группы по степени пластичности (оцениваемой по твёрдости). По сравнению с баббитами пластичные алюминиевые сплавы обладают более высокой теплопроводностью и лучшими механическими свойствами при повышенных температурах; они гораздо дешевле, но хуже прирабатываются, менее способны «поглощать» твёрдые частицы и несколько сильнее изнашивают сопряжённый стальной вал. Их свойства улучшают нанесением на рабочую поверхность тонкого (25 мкм) слоя оловянно-свинцовистого сплава. Наиболее высокими антифрикционными свойствами обладает алюминиевый сплав с 20% олова, с микроструктурой, полученной в результате пластического деформирования и отжига. Сплавы с твёрдостью HB < 350 Мн/м2 (35 кгс/мм2) применяют для производства путём совместной прокатки со сталью биметаллических лент или полос, из которых в последующем штампуют вкладыши подшипников. Сплавы с более высокой твёрдостью (HB = 450 Мн/м2, или 45 кгс/мм2) применяют для изготовления подшипников дизелей.

Серый перлитный чугун при определённой микроструктуре (перлит средне- или крупнопластинчатый, графит средней крупности, фосфидная эвтектика в виде изолированных включений) обладает антифрикционными свойствами и используется для подшипников, работающих при невысоких нагрузках и малых скоростях.

ПМ на основе пластмасс с наполнителями из ткани (текстолит) древесного шпона, древесной крошки с успехом применяют в подшипниках, обильно смачиваемых водой, при невысоких частотах вращения вала. Всё большее распространение как ПМ получают пластмассы (полиамиды, политетрафторэтилен и др.), работающие со смазкой маслом или водой. Полиамиды используют также в виде тонкого покрытия (например, 0,3 мм) по металлической основе подшипника, что повышает допустимую нагрузку. Режим работы подшипников из пластмасс ограничивается температурой на поверхности трения (например, для полиамидов не более 80—100°C). Особенность некоторых подшипников из полиамидов — почти полное отсутствие изнашивания сопряжённого стального вала. Наилучшей антифрикционностью по сравнению с другими пластмассами при малой скорости скольжения без смазки обладает Фторопласт-4, причём низкое трение сохраняется у него в широком интервале рабочих температур от —200°С до 260°C.

ПМ на основе древесины. В качестве ПМ в основном используют натуральную древесину и прессованную древесину, древеснослоистые пластики. Пример натурального ПМ — гваяковое или бакаутовое дерево, применяемое при смазке водой. ПМ на основе древесины используют при обильной смазке водой в подшипниках прокатных станов, водяных турбин, валов корабельных винтов.

Графито-угольные ПМ представляют собой продукты прессования и термической обработки смеси нефтяного кокса и каменноугольной смолы с небольшим количеством натурального графита. Применяются как ПМ для работы без смазки при невысоких удельных нагрузках, температуре до 480°С, в воздушной среде. Изготовляются также графито-угольные ПМ, пропитанные жидкими металлами или смолой.

Резину как ПМ используют при хорошей смазке водой, малых удельных нагрузках и небольших скоростях скольжения. Режим работы ограничивается температурой на поверхности трения 50—70 °С.

Металло-керамические самосмазывающиеся ПМ применяют в виде пористых втулок (главным образом малого размера, работающих при низких скоростях без подвода смазки извне). Изготовляются спеканием предварительно спрессованных заготовок из порошков оловянистой бронзы (10% Sn) с примесью графита или железа с графитом. Степень пористости — около 25%. Втулки пропитываются маслом.

68. Порошковые материалы. Изготовление детали и порошков

ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения

Методы порошковой металлургии позволяют создавать принципиально новые материалы, которые сложно или даже невозможно получить другими способами. Порошковая металлургия дает возможность свести к минимуму отходы металла в стружку, упростить технологию изготовления деталей и снизить трудоемкость их производства.

Технологический процесс изготовления изделий из порошков включает получение порошков, подготовку шихты, формование, спекание, горячее прессование и штамповку. Иногда применяют дополнительную обработку, состоящую из пропитки деталей смазками, термической и химико-термической обработки, калибровки и обработки резанием.

Размеры частиц порошка обычно составляют от 0,1 мкм до 0,1 мм. Более крупные фракции называют гранулами, а более мелкие – пудрой.

Металлические порошки получают физико-механическими и химико-металлургическими способами. В основе физико-механических способов получения порошков лежат методы механического измельчения металлов в твердом и жидком состояниях. К ним относятся дробление и размол стружки в мельницах, распыление расплавленного металла струей сжатого воздуха, газа или жидкости, грануляция при литье расплавленного металла в жидкость и пр.

К химико-металлургическим способам относятся способы восстановления металлов из оксидов, электролитическое осаждение металлов из водных растворов солей, термическая диссоциация карбонильных соединений металлов.

При формовании заготовок из порошков определенного химического состава прессованием им придают форму и размеры готовых деталей, после чего направляют на спекание. При спекании непрочные прессованные заготовки превращаются в прочное спеченное тело со свойствами, приближающимися к свойствам беспористого компактного материала. Температура спекания деталей из конструкционных материалов на основе железа с добавками графита, никеля и других компонентов составляет 1100 – 1200°С. Температура спекания изделий антифрикционного назначения на основе железа составляет 1000 – 1050°С, на основе бронзы – 850 – 950°С. Спекание проводят в течение 0,5 – 1,5 ч в нагревательных печах, как правило, в защитной атмосфере или в вакууме для предотвращения окисления частиц порошка. Для получения более высоких характеристик механических и служебных свойств материалов и повышения точности размеров после формования и спекания дополнительно производят горячее прессование, штамповку, прокатку и термическую обработку.

В ряде случаев дополнительно проводят химикотермическую обработку деталей из порошковых материалов. Цементацию и нитроцементацию применяют для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя. Сульфидирование применяется с целью уменьшения коэффициента трения для повышения износостойкости и твердости железных и железографитовых изделий. Оксидирование обработкой паром применяется для повышения износостойкости и коррозионной стойкости порошковых деталей на железной основе.

П. м. классифицируют по назначению (жаропрочные, коррозионностойкие, магнитные, антифрикционные, контактные, фрикционные и др.), по плотности (плотные, пористые), по химическому составу (чистые материалы, сплавы) по технологии получения (спечённые, компактированные).

Для получения П. м. применяются следующие технологические методы: твердофазное спекание, спекание в присутствии жидкой фазы, пропитка, горячее прессование, горячее изостатическое прессование. Первые четыре метода основаны на получении порошковой шихты путём смешивания компонентов, их прессования и последующего горячего спекания (или только горячего прессования); в ряде случаев применяется дополнительная обработка спечённых изделий (повторное прессование и т. п.). Эта схема является основной для получения П. м. По такой технологии изготовляют многие изделия из П. м. (главным образом небольшие — массой 0,5—5 кг): пористые подшипники, фрикционные изделия, фильтры, твёрдые сплавы, магниты, контакты, изделия из тугоплавких металлов, изделия из жаропрочных сплавов (главным образом дисперсноупрочнённого типа на основе никеля и алюминия), ферриты, сварочные электроды, различные детали машин и приборов. Однако такая схема не может обеспечить получение абсолютно плотного (беспористого) П. м., для этого требуется дополнительная деформация. В последние годы интенсивно развивается новый технологический процесс получения авиационных материалов конструкционного назначения — металлургия гранул никелевых, титановых и алюминиевый сплавов (см. Гранулируемые сплавы). Процесс основан на получении микрослитков заданного химического состава, кристаллизирующихся с высокой скоростью охлаждения, и их последующем компактировании путём изостатического прессования. Полученные прессовки (массой до 0,5—2 т) могут быть использованы как готовые изделия или как заготовки для последующей деформации. Высокая скорость охлаждения при кристаллизации позволяет вводить в сплавы повышенные количества легирующих добавок, то есть создать новый класс П. м. Высоколегированные П. м. характеризуются равномерной мелкозернистой структурой, отсутствием пор, высоким уровнем механических свойств; применяются для изготовления деталей двигателя (диски из никелевых П. м. и др.) и фюзеляжа самолёта (детали кабины сверхзвуковых самолётов из алюминиевых П. м. и др.). Металлургия гранул позволяет значительно расширить объём применения П.

69. Алюминий и его сплавы

Алюминий и его сплавы

Алюминий – легкий металл с плотностью 2,7 г/см3 и температурой плавления 660oС. Имеет гранецентрированную кубическую решетку. Обладает высокой тепло- и электропроводностью. Химически активен, но образующаяся плотная пленка оксида алюминия Al2O3, предохраняет его от коррозии.

Механические свойства: предел прочности 150 МПа, относительное удлинение 50

%, модуль упругости 7000 МПа.

Алюминий высокой чистоты маркируется А99 (99,999 % Al), А8, А7, А6, А5, А0

(содержание алюминия от 99,85 % до 99 %).

Технический алюминий хорошо сваривается, имеет высокую пластичность. Из него изготавливают строительные конструкции, малонагруженные детали машин, используют в качестве электротехнического материала для кабелей, проводов.

Алюминиевые сплавы.

Принцип маркировки алюминиевых сплавов. В начале указывается тип сплава: Д – сплавы типа дюралюминов; А – технический алюминий; АК – ковкие алюминиевые сплавы; В – высокопрочные сплавы; АЛ – литейные сплавы.

Далее указывается условный номер сплава. За условным номером следует обозначение, характеризующее состояние сплава: М – мягкий (отожженный); Т – термически обработанный (закалка плюс старение); Н – нагартованный; П – полунагартованный

По технологическим свойствам сплавы подразделяются на три группы:

• деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой:

• деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой;

• литейные сплавы.

Методами порошковой металлургии изготовляют спеченные алюминиевые сплавы

(САС) испеченные алюминиевые порошковые сплавы (САП).

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Прочность алюминия можно повысить легированием. В сплавы, не упрочняемые термической обработкой, вводят марганец или магний. Атомы этих элементов существенно повышают его прочность, снижая пластичность. Обозначаются сплавы: с марганцем – АМц, с магнием – АМг; после обозначения элемента указывается его содержание (АМг3).

Магний действует только как упрочнитель, марганец упрочняет и повышает коррозионную стойкость.

Прочность сплавов повышается только в результате деформации в холодном состоянии. Чем больше степень деформации, тем значительнее растет прочность и снижается пластичность. В зависимости от степени упрочнения различают сплавы нагартованные и полунагартованные (АМг3П).

Эти сплавы применяют для изготовления различных сварных емкостей для горючего, азотной и других кислот, мало- и средненагруженных конструкций.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

К таким сплавам относятся дюралюмины (сложные сплавы систем алюминий – медь –магний или алюминий – медь – магний – цинк). Они имеют пониженную коррозионную стойкость, для повышения которой вводится марганец.

Дюралюмины обычно подвергаются закалке с температуры 500oС и естественному старению, которому предшествует двух-, трехчасовой инкубационный период.

Максимальная прочность достигается через 4…5 суток.

Широкое применение дюралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК:, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450oС, подвергаются закалке от температуры 500…560oС и старению при 150…165oС в течение 6…15 часов.

В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300oС.

Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

Литейные алюминиевые сплавы

К литейным сплавам относятся сплавы системы алюминий – кремний (силумины),

содержащие 10…13 % кремния.

Присадка к силуминам магния, меди содействует эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

Литейные сплавы маркируются от АЛ2 до АЛ20. Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.

70. Компоненты, классификация и свойства пластмас

Пластмассами называют органические материалы на основе высокомолекулярных веществ, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать определенную устойчивую форму. В большинстве своем это сложное многокомпонентные композиции. В более полном виде пластмассы состоят из полимера (связующего), наполнителя, пластификатора, красителя, стабилизатора, отвердителя, катализатора, смазывающего вещества.

Вводимые добавки придают пластмассам необходимые свойства. Так, наполнители, призваны, в основном, улучшать физико-механические свойства. Поскольку они дешевле высокомолекулярных веществ, то снижают стоимость пластмасс. Такие наполнители как сажа, графит, кроме прочности, повышают тепло и электропроводность материалов. В качестве наполнителей(40-70% по массе) могут применяться – кварцевая мука, асбестовое волокно, ткани, бумага и т.д.

Пластификаторы придают материалу пластичность и эластичность, облегчают переработку в изделия. Для этой цели используются низкомолекулярные высококипящие малолетучие жидкости, например, сложные эфиры фталевой, фосфорной кислоты или твердые низкомолекулярные каучукоподобные и воскоподобные смолы.

Стабилизаторы придают устойчивость к химическому разрушению высокомолекулярной основы под воздействием света, тепла, кислорода, влаги, механического воздействия.

Отвердители(амины) и катализаторы (перекисные соединения) в количестве нескольких процентов вводят в пластмассы для отверждения, т.е. создания межмолекулярных связей и встраивания молекул отвердителя в общую молекулярную сетку.

Красители(минеральные пигменты, спиртовые растворы органических красок) придают пластмассам определенную окраску и снижают их стоимость.

Полимер является основой любой пластмассы, он связывает все компоненты пластмассы в монолитное целое, придает ей главные свойства.

Состав компонентов, их сочетание и количественное соотношение позволяют изменять свойства пластмасс в широких пределах.

В зависимости от способа получения полимеры делятся на природные, искусственные и синтетические.

В настоящее время при производстве пластмасс наиболее часто используются синтетические полимеры (смолы) и значительно реже искусственные (эфиры, целлюлозы) и природные полимеры (каучук, асфальты и канифоль). В зависимости от поведения при повышенных температурах все синтетические полимеры делятся на термореактивные и термопластичные.

Существует несколько тысяч различных типов и марок пластмасс, различающихся входящими в их состав полимерами и различными добавками, их соотношением, физико-механическими и физическими свойствами.

Общепринятой единой научной классификации не существует, более того один и тот же пластик может иметь различные названия, не дающие каких либо представлений о свойствах материала.

В зависимости от наличия и количества наполнителя пластмассы делятся на простые (1-2% добавок по массе) и сложные (композиционные). К простым пластмассам относятся полиэтилен, поливинилхлорид. В свою очередь композиционные пластмассы подразделяются по виду наполнителя: с порошкообразным наполнителем (пресс - порошки), с волокнистым наполнителем (волокниты), с тканевым и листовым наполнителем (слоистые пластики), газо – наполненные и т.д. Различают композиционные пластмассы и по химической природе наполнителя: стеклопластики, углепластики, пластики с древесным наполнителем, хлопчатобумажным наполнителем, с минеральным наполнителем (кварцевая мука), синтетическими волокнами (капроновым, полипропиленовым и др.).

Существует деление пластмасс по типу связующего полимера. Так, пластики на основе фенольных и феноло-альдегидных смол носят название фенопластов, на основе эпоксидных смол – эпоксипласты, на основе полиамидных смол - амидопластов.

По отношению к нагреванию пластмассы подразделяются на термореактивные (при нагревании необратимо превращаются в твердые неплавкие и нерастворимые продукты) и термопластичные (способны обратимо размягчаться и затвердевать при охлаждении, при этом полимер химически не изменяется).

Основу термопластичных пластмасс составляют полимеры с линейной и разветвленной структурой (полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и др.). Помимо основы они иногда содержат пластификаторы.

Термореактивные пластмассы производят на основе термореактивных смол: фенолформальдегидных, аминоальгидных, эпоксидных, полиамидных, кремний- органических, ненасыщенных полиэфиров. Пластмассы на основе этих смол отличаются повышенной прочностью, не склонны к ползучести и способны работать при повышенных температурах. Смолы в пластмассах являются связкой и должны обладать высокой клеящей способностью, теплостойкостью, химической стойкостью в агрессивных средах, электроизоляционными свойствами, доступной технологией переработки, малой усадкой при затвердевании.

С точки зрения технологических свойств полимерных материалов (общность методов переработки в изделия, механическая обработка, способы соединения – сварка или склеивание) наиболее общей и удобной является классификация по отношению материала к нагреванию и по виду наполнителя.

71. Методы переработки пластмасс в изделия

Большинство процессов переработки пластмасс в изделия включает в себя три основные операции: а) нагревание и размягчение полимера; б) собственно формование изделий; в) охлаждение изделий.

Прессование, хотя и является старейшим методом переработки полимеров в изделия, все еще остается одним из основных. Технология процесса состоит в том, что материалу под давлением до 200 МПа придают заданную форму. Прессованием перерабатывают как термореактивные, так и термопластичные полимерные материалы.

Прессование — удобный способ, которым можно получать изделия хорошего качества с высокой точностью размеров. Однако н аппаратурном оформлении этот метод достаточно громоздок и малопроизводителен.

Прямое (компрессионное) прессование применяют главным образом для термореактивных пластмасс и резин, хотя в принципе оно применимо и для переработки термопластов. Но в последнем случае необходимость охлаждения формы перед извлечением из нее изделия удлиняет цикл, усложняет процесс и часто делает сто нерентабельным.

Дальнейшим логическим развитием прессования с предварительным нагревом полимерных материалов является метод литьевого прессования, при котором порция полимера расплавляется в камере перед формой, а затем расплав подается в форму, где осуществляют собственно прессование под давлением и отверждение.

Метод литья под давлением является развитием процесса литьевого прессования. По этой технологии полимер расплавляется в материальном цилиндре литьевой машины, а затем впрыскивается непосредственно в охлажденную форму. Процесс литья под давлением осуществляется на поршневых и шнековых машинах (9.2).

Использование шнекового (червячного) пластикатора с мозвратно-поступательным движением шнека вместо плунжера позволяет не только нагреть и пластицировать полимер перед ипрыском, но и улучшить гомогенизацию расплава и повысить точность дозирования.

Факторы, влияющие на качество конечного продукта при литье под давлением, сложны и взаимозависимы.

Экструзия — достаточно старый и хорошо известный тех нологический процесс. Ее применяют в различных отраслях промышленности для переработки самых разных материалов — oi изготовления макарон до производства керамических труб. Любой, кто выдавливал зубную пасту из тюбика или пользовался мясорубкой, воспроизводил экструзионные процессы. Методом экструзии изготавливают различные погонажные изделия (трубы, пленки) и формованные выдувные изделия.

Одно из основных достоинств одношнекового экструдера — относительная простота конструкции и, как следствие этого, низкая стоимость. В связи с этим одношнековые экструдеры широко используются в современной химической технологии.

Одношнековый экструдер обычно характеризуют основными параметрами шнека — диаметром и отношением длины к диаметру. Производительность экструдера зависит от его характеристик и от свойств перерабатываемого материала.

При конструировании формующего инструмента необходимо учитывать особенности течения расплавов полимеров.

Экструзионно-выдувной метод широко применяют для изготовления полых (объемных) изделий. С его помощью получают контейнеры различной емкости — от топливных баков до маленьких медицинских флаконов (9.4).

Вначале экструдируют тонкостенную трубу (шланг), которая затем разрезается на отрезки определенной длины. Отрезок трубы, называемый заготовкой, помещают между двумя частями полой раздувной формы. Форму смыкают, после чего заготовку раздувают.

Каландрование является одним из методов переработки полимеров. В процессе каландрования получают листы и пленки из

пластмасс. Каландр состоит из трех или более нагретых валком Проходя между ними, высоковязкая полимерная масса перерабатывается в пленку или лист. Масса материала подается в зазор между двумя первыми валками, оттуда она выходит уже в виде пленки. Затем материал проходит вокруг остальных валков, каждый из которых выполняет определенную функцию. В обычном четырехвалковом каландре имеются три формующих (рабочих) зазора; первый регулирует скорость подачи материала, второй действует как дозирующее устройство. Толщину листа определяет зазор между последней парой валков (9.5). Эти валки могут быть глянцевыми, матовыми или рифлеными. Каландрование часто сравнивают с экструзией, рассматривая последнюю пару валков как фильеру с вращающимися поверхностями.

Листы и пленки высокого качества можно с одинаковым успехом получать как каландрованием, так и экструзией. В общем случае нелегко оценить преимущества и недостатки этих процессов, и обычно приходится решать в каждом конкретном случае, какой метод следует выбрать. Можно, однако, констатировать, что пленки и листы из полиэтилена, полипропилена и полистирола чаще получают экструзией. Что касается переработки ПВХ, а также резины, то для этих целей почти всегда используют каландрование, так как при каландровании опасность деструкции полимера меньше, чем при экструзии.

Экструдеры легче размещать и удобнее обслуживать, чем каландры. Однако каландры обеспечивают более высокие рабочие скорости, чем экструдеры, что свидетельствует о преимуществе технологических линий на базе каландров, несмотря на то, что для их размещения необходимы большие производственные площади.

Термоформование изделий из листовых и пленочных полимерных материалов объединяет три основных метода: вакуум-формование, пневмоформование и формование с помощью сопряженных металлических форм. Всех их объединяет то, что ири этом изделия из листовых пластиков можно получать, ирижимая размягченный полуфабрикат к оформляющей внутренней или внешней полости формы.

Наибольшее распространение в промышленности имеет иакуум-формование (9.6). В этом процессе обычно используют листы, которые закрепляют в раме, а затем нагревают. По достижении необходимой температуры и состояния полимерного циста его нагрев прекращают и из полости между листом и формой откачивают воздух. Атмосферное давление прижимает лист к форме, на которой он охлаждается и затвердевает, точно воспроизводя се геометрию.

Одно из основных преимуществ процесса термоформования состоит в низкой стоимости форм. При изготовлении образцов или опытных партий изделий обычно используют формы из таких материалов, как дерево, бетон, пластмассы и металлонаподненные токсидные смолы. Формы, предназначенные для длительной эксплуатации, как правило, выполняют из стали или алюми ниевых сплавов.

Технология термоформования относительно проста и дешеви, при этом используется простое оборудование, а исходными материалами служат пленки в рулонах или листы. Недостаток это|| технологии состоит в большом количестве образующихся отходов, которое при формовании некоторых изделий достигают 40 %.

72. Композиционные материалы

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Одно из самых древних, по всей видимости, описаний изготовления композиционного материала приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5):

«И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили к фараону, говоря: «Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы не дают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют; грех народу твоему». Но он сказал: «Праздны вы, праздны; поэтому и говорите „Пойдем, принесем жертву Господу”. Пойдите же, работайте. Соломы не дадут вам, а положенное число кирпичей давайте».

Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала – древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.

Компонентами композитов являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Структура композиционных материалов. По структуре композиты делятся на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что матрицу наполняют частицами армирующего вещества, а различаются они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10–100 нм.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ). Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

А) Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Б) Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

В) Боропластики – композиционные материалы,

Поиск по сайту: