Зубч_механизмы, неразъемные соединения, констр_материалы. 1. Зубчатые механизмы
 Скачать 0.91 Mb.
|
|
3.2. Сплавы на основе меди и алюминия. Классификация, обозначение, достоинства и недостатки. Применение сплавов как конструкционных ма- териалов в механических устройствах (упругие элементы, опоры). Медь и ее сплавы. По применению в промышленности медь занимает среди цветных металлов второе место после алюминия. Это объясняется ее высокими тепло- и электропроводностью, пластичностью. Медь хорошо об- рабатывается давлением в холодном и горячем состоянии, у нее повышен- ная коррозионная стойкость. Как конструкционный материал медь не ис- пользуется из-за высокой стоимости и низких механических свойств. Широ- 27 кое использование в промышленности имеют сплавы меди с другими эле- ментами – латуни и бронзы. Латуни. Сплав меди с цинком называется латунью. Механические свойст- ва латуни – прочность и пластичность – выше, чем меди, она хорошо обраба- тывается резанием, давлением, характеризуется высокой коррозионной стойкостью, теплопроводностью, электропроводностью. Большим преиму- ществом латуней является сравнительно низкая их стоимость, так как входя- щий в состав сплава цинк значительно дешевле меди. Максимальную проч- ность имеет латунь, содержащая 45 % цинка, ее σ в = 350 МПа, а максималь- ную пластичность – латунь, содержащая 32 % цинка, ее δ = 55 % . При увели- чении содержания цинка выше 39 % резко падает пластичность, а выше 45 % и прочность. Поэтому латуни, содержащие более 45 % цинка, не применяют- ся. Подобное изменение свойств связано со структурой латуней. По химическому составу различают простую (двойную) латунь, в которой содержатся только медь и цинк, и сложную (специальную), в которой кроме цинка содержатся легирующие элементы: никель, свинец, олово, кремний и др. Специальная латунь отличается повышенной прочностью, лучшими анти- коррозионными и технологическими свойствами. По технологическому при- знаку латуни делятся на литейные и деформируемые (обрабатываемые дав- лением). Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях указыва- ется содержание меди и легирующих элементов, которые обозначаются со- ответствующими буквами (О – олово, А – алюминий, К – кремний, Н – ни- кель, Мц – марганец, Ж – железо, С – свинец.). Содержание элементов дает- ся в процентах после всех буквенных обозначений. Например, латунь Л63 содержит 63 % меди и 37 % цинка. Латунь ЛАЖ 60-1-1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка. В марках литейных латуней указыва- ется содержание цинка, а количество легирующих элементов (в %) ставится после букв, их обозначающих. Например, литейная латунь ЛЦ40Мц3А со- держит 40 % цинка, 3 % марганца, менее 1 % алюминия и 56 % меди. Бронзы. Сплав меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элемента- ми, среди которых цинк и никель не являются основными, называют брон- зой. По основному легирующему элементу бронзы делятся на оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, свинцовые и др. Бронзы облада- ют хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются давлением и резанием. Большинство бронз отличаются высокой коррозионной стой- костью и, кроме того, широко используются как антифрикционные сплавы. По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литей- ные. Маркируются бронзы буквами Бр, за которыми показывается содержа- ние легирующих элементов в %. Обозначения легирующих элементов и от- личия в марках деформируемых и литейных сплавов у бронз такие же, как у латуней. Например, деформируемая бронза БрОФ 6,5-0,4 содержит 6,5 % 28 олова и 0,4 % фосфора, а литейная бронза БрО3Ц7С5Н — 3 % олова, 7 % цин- ка, 5 % свинца, менее 1 % никеля. Особенно широкое применение в машиностроении имеют оловянные бронзы. Они обладают высокими механическими (σ в = 150–350 МПа; δ = 3– 15%; 60–90 НВ) и антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, хорошо отливаются и обрабатываются резанием. Деформируемые оловян- ные бронзы обладают высокой пластичностью и упругостью. Из них изготовляют прутки, трубы, ленты. Бронзу БрОФ6,5-1,5 применяют для изготовления пружин, мембран, антифрикционных деталей; БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5 для производства плоских и круглых пружин, антифрикцион- ных деталей. Олово — дорогостоящий и дефицитный материал, по этому стремятся ис- пользовать безоловянные бронзы, которые состоят из меди с алюминием или кремнием, бериллием, свинцом, железом и др. Алюминиевые бронзы обладают более высокими механическими свойст- вами и коррозионной стойкостью по сравнению с оловянными, но их литей- ные свойства ниже. Дополнительное легирование алюминиевых бронз желе- зом, никелем и марганцем повышает их механические свойства. Никель так- же увеличивает коррозионную и жаростойкость. Марганцовистые бронзы (БрМц5) менее прочны, но обладают высокой пластичностью и хорошей сопротивляемостью коррозии, сохраняют механи- ческие свойства при повышении температуры до 400 – 500 °С. Свинцовые бронзы марок БрС3О и с добавкой олова БрОС5-25, БрОС8-12 отличаются высокими антикоррозионными свойствами и теплопроводно- стью (в 4 раза больше, чем у оловянных). Бериллиевые бронзы марок БрБ2, БрБНТ 1,7, БрБНТ 1,9 являются диспер- сионно твердеющими сплавами. Они подвергаются закалке от 760 – 780 °С, при этом образуется однородный твердый раствор. В результате искусствен- ного старения при 300 - 350 °С из твердого раствора выделяются дисперсные частицы, упрочняющие сплав. Бериллиевые бронзы после термообработки имеют высокие механические свойства, высокий предел упругости, хорошую коррозионную стойкость, теплостойкость, не образуется искры при ударе. Бериллиевую бронзу легируют также титаном. Из нее изготовляют детали особо ответственного назначения: пружины, пружинящие контакты, детали, работающие на износ (кулачки полуавтоматов) и т. д. Кремнистые бронзы марок БрКМц3-1, БрКН1-3 заменяют дорогостоящие оловянные и бериллиевые бронзы. Они легко обрабатываются давлением, резанием, свариваются, обладают высокой упругостью, коррозионной стой- костью. Применяются для производствапружин и пружинящих деталей при- боров, эксплуатируемых при температурах до 250°С, а также в агрессивных средах. 29 Медно-никелевые сплавы. К медно-никелевым сплавам относятся сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является ни- кель, они маркируются буквой М, за которой следует обозначение и содер- жание легирующих элементов как в деформируемых латунях и бронзах. Ле- гирование меди никелем значительно повышает её механические свойства и коррозионную стойкость. Мельхиоры МНЖМц30-1-1, МН19 характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, пресной и морской воде, растворах солей, органи- ческих кислотах. Они хорошо обрабатываются давлением в холодном и горя- чем состоянии. Сплавы на основе системы Cu-Ni-Zn называются нейзильберами (МНЦ15- 20, МНЦС 16-29-1,8). Легирование цинком приводит к повышению механиче- ских свойств и удешевлению медно-никелевых сплавов, а также делает их внешне похожими на серебро. Свинец вводится в нейзильберы для улучше- ния обрабатываемости резанием. Нейзильберы характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Сплавы системы Cu-Ni-Al называются куниалями. Они характеризуются высокими механическими свойствами, упругостью, коррозионной стойкостью. Эти сплавы упрочняются в результате термиче- ской обработки, которая заключается в закалке от 900–1000 °С в воде и ста- рении при 500–600 °С. Куниаль А марки МНА13-3 используется для изделий повышенной прочности, а куниаль Б марки МНА 6-1,5 – для ответственных пружин и в электротехнической промышленности. Алюминий и его сплавы. Одним из наиболее легких конструкционных ма- териалов является алюминий. В отожженном состоянии алюминий обладает малыми прочностью (σ в = 80–120 МПа) и твердостью (25НВ), но большой пластичностью (δ = 35–45 %). Отличается высокой коррозионной стойкостью в пресной воде, атмосфере. Маркируется алюминий буквой А и числом, зависящим от количества примесей. Различают алюминий особой чистоты – А999 (99,999 % А1), высо- кой чистоты –А995 (99,995 % Al), А99 (99,99 % Al), А97 (99,97 % Al), А95 (99,95 % А1) и технической чистоты - А85, А8, А7, А6, А5 и АО (99,0 % А1). Благодаря высокой пластичности и электропроводности – алюминий ши- роко применяют в электротехнической промышленности для изготовления проводов, кабелей; в авиационной промышленности – труб, маслопроводов и бензопроводов; в легкой и пищевой промышленности – фольги, посуды. Алюминий используют как раскислитель при производстве стали. Ввиду низ- кой прочности и незначительной упрочняемости при пластической деформа- ции в холодном состоянии технически чистый алюминий как конструкцион- ный материал применяют сравнительно редко. В результате сплавления его с магнием, медью, цинком и другими металлами получены сплавы с доста- точно высокой прочностью, малой плотностью и хорошими технологически- 30 ми свойствами. Различают литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением) алюминиевые сплавы. Литейные сплавы алюминия маркируются буквами АЛ и числом, показы- вающим условный номер сплава. Чтобы сплав обладал хорошими литейны- ми свойствами, он должен иметь узкий температурный интервал кристалли- зации. Кроме того, желательно, чтобы он имел низкую температуру плавле- ния. Этим требованиям удовлетворяют эвтектические сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием, образующие эв- тектику при содержании 11,6 % кремния. Эти сплавы называются силумина- ми. Кроме силуминов используются литейные сплавы алюминия с медью и магнием. Они обладают значительно большей прочностью, чем силумины, но их литейные свойства хуже. Литейные сплавы алюминия с медью (АЛ 19 и др.) содержат до 6 % меди и небольшое количество других элементов. Они отличаются повышенной прочностью и жаропрочностью при температуре до 300 °С. Эти сплавы уп- рочняются закалкой и старением. Они хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Недостатком этих сплавов является низкая коррозионная стой- кость. Литейные сплавы алюминия с магнием (АЛ 8 и др.) содержат до 13 % маг- ния и небольшое количество других легирующих элементов. Они характери- зуются высокой коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах, обрабатываются резанием и свариваются. Эти сплавы упрочняются закалкой без старения. Деформируемые сплавы алюминия делят на неупрочняемые термообра- боткой и упрочняемые. К неупрочняемым относят сплавы алюминия с мар- ганцем и магнием. Они обладают высокой коррозионной стойкостью, уме- ренной прочностью, высокой пластичностью, хорошо свариваются. Их при- меняют для изделий, эксплуатируемых в агрессивной среде, а также изго- тавливаемых путем глубокой штамповки: рам и кузовов, перегородок зда- ний, переборок судов, бензиновых баков и т. п. Наиболее распространенным сплавом этой группы является дуралюмин. Основным компонентом, упрочняющим дуралюмин, является медь (до 5 %), в качестве дополнительных легирующих элементов используют магний (до 1 %), марганец (до 2 %), титан и др. Медь и магний способствуют дисперсному твердению сплава при термообработке, марганец усиливает упрочнение и повышает коррозионную стойкость. Дуралюмин маркируют буквой Д и по- рядковым номером: Д1, Д16, Д18. В результате термической обработки прочность повышается в два раза, а пластичность практически не меняется. Достоинством дуралюмина является высокая удельная прочность (отноше- ние предела прочности к плотности), что особенно важно в самолетострое- нии. Недостатком дуралюминов является пониженная коррозионная стой- кость, особенно по отношению к межкристаллитной коррозии. Для повыше- 31 ния коррозионной стойкости листы дуралюмина плакируют техническим алюминием марок А7, А8. Высокопрочные сплавы алюминия содержат кроме меди и магния допол- нительно цинк (до 10 %). Эти сплавы маркируются буквой В (В95, В96У). Эти сплавы обладают меньшей пластичностью, большей чувствительностью к концентраторам напряжений, чем дуралумины. Данные сплавы можно ис- пользовать при температуре до 100-200 °С, так как они не являются жаро- прочными. Применяются они для высоконагруженных деталей без концен- траторов напряжений, работающих в условиях сжатия. Ковочные сплавы алюминия предназначены для производства деталей ковкой и штамповкой. Маркируются буквами АК и числом, показывающим порядковый номер. По химическому составу близки к дуралюмину (сплав АК1 совпадает по составу с Д1), иногда отличаясь более высоким содержа- нием кремния (АК6, АК8). Ковочные сплавы характеризуются высокой пла- стичностью и трещиностойкостью при горячей обработке давлением. Ковоч- ные сплавы хорошо обрабатываются резанием, удовлетворительно свари- ваются. Их недостатком является склонность к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии. Коррозионностойкие сплавы повышенной пластичности АВ (авиаль), АД 31, АД 33 относятся к системе Al-Mg-Si. Эти сплавы удовлетворительно свари- ваются, обрабатываются резанием в закаленном и состаренном состоянии. Авиаль АВ обладает наибольшей прочностью, по наименьшей коррозионной стойкостью (склонен к межкристаллитной коррозии). Сплавы АД 31 и АД 33 обладают большей коррозионной стойкостью, способны работать во влаж- ной атмосфере и морской воде в интервале температур от -70 до +50 °С. Применяются данные сплавы для изготовления лопастей и кабин вертолетов, в судостроении, строительстве. К жаропрочным алюминиевым сплавам относятся дуралюмины Д20, Д21, легированные дополнительно титаном, и сплав АК 4-1, легированный желе- зом и никелем. Эти сплавы способны работать при температуре до 300 °С, они хорошо деформируются в горячем состоянии, удовлетворительно свари- ваются, хорошо обрабатываются резанием. Отличаются высокой износостой- костью. Сверхлегкие алюминиевые сплавы легируют литием, который имеет очень низкую плотность — 0,5 г/см 3 . Применение этих сплавов позволяет снизить массу деталей, что особенно важно в самолето- и ракетостроении. Сплав ВАД 23 относится к системе AI-Сu-Li, а сплав 1420 к системе Al-Mg-Li. Сплав 1420 характеризуется коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. По сравнению с дуралюмином Д16 сплав 1420 имеет пониженную на 11 % плот- ность и повышенный на 4 % модуль упругости. Это позволяет при его исполь- зовании снизить массу на 10–15 %. 32 3.3. Неметаллические материалы. Виды, свойства, применение термо- пластов и термореактивных пластмасс. Достоинства и недостатки пласт- масс. Применение резины, бумаги, композиционных (зубчатые ремни) ма- териалов. Высокие удельная прочность, коррозионная стойкость, тепло- и электро- проводность, а также комплекс других достоинств металлических материа- лов не могут полностью удовлетворить постоянно возрастающие требования специалистов, занимающихся разработкой принципиально новых видов тех- ники и технологий. Кроме того, конструкторам и технологам приходится учи- тывать фактор истощения сырьевых запасов традиционных машинострои- тельных материалов, увеличение энерго- и трудозатрат, связанных с их раз- ведкой, добычей, транспортировкой и переработкой. По этой причине важными проблемами современного материаловедения являются разработка неметаллических конструкционных материалов и оп- тимизация их структуры с целью придания комплекса не характерных для металлов, необычных, часто противоречивых свойств. Актуальное направле- ние решения этих проблем состоит в создании машиностроительных мате- риалов на основе пластических масс, резины, древесины и керамики. Пластмассами (пластиками) называют искусственные материалы, полу- чаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти мате- риалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными, и то- гда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем со- храняется. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагреве, или при последующем охлаждении. По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термо- пластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных поли- меров, и термореактивные (реактопласты), получаемые на основе термо- реактивных смол. Термопласты удобны для переработки в изделия, дают не- значительную усадку при формовании (1–3 %). Материал отличается боль- шой упругостью, малой хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты изготовляют без наполнителя. В последние годы стали при- менять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты). Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10–15 %) при их переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители. Термопласты делят на неполярные и полярные. К неполярным пластикам относятся полиэтилен, полипропилен, полисти- рол и фторопласт-4. 33 Полиэтилен — продукт полимеризации бесцветного газа этилена, отно- сящийся к кристаллизующимся полимерам. По плотности полиэтилен под- разделяют на полиэтилен низкой плотности, получаемый в процессе поли- меризации при высоком давлении (ПЭВД), содержащий 55–65 % кристалли- ческой фазы, и полиэтилен высокой плотности, получаемый при низком дав- лении (ПЭНД), имеющий кристалличность до 74–95 %. Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Длительно полиэтилен можно применять при температуре до 60–100 °С. Морозостойкость достигает -70 °С и ниже. Поли- этилен химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Под действием ионизирующего излуче- ния полиэтилен твердеет: приобретает большую прочность и теплостойкость. Недостатком полиэтилена является его подверженность старению. Для за- щиты от старения в полиэтилен вводят стабилизаторы и ингибиторы (2—3 % сажи замедляют процессы старения в 30 раз). Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных не- силовых деталей, пленок, он служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока. Полипропилен является производной этилена. Применяя металлооргани- ческие катализаторы, получают полипропилен, содержащий значительное количество стереорегулярной структуры. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиле- ном этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150 °С. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем поли- этиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Нестабилизи- рованный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостатком про- пилена является его невысокая морозостойкость (от -10 до -20 °С). Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных дета- лей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые. Полистирол — твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Удо- бен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензо- ле. Полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по сравнению с другими термопластами. Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образованию трещин. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции. Фторопласт-4 (фторлон-4) политетрафторэтилен является аморфно- кристаллическим полимером. До температуры 250 °С скорость кристаллиза- ции мала и не влияет на его механические свойства, поэтому длительно экс- плуатировать фторопласт-4 можно до температуры 250 °С. Разрушение мате- 34 риала происходит при температуре выше 415 °С. Аморфная фаза находится в высокоэластическом состоянии, что придает фторопласту-4 относительную мягкость. При весьма низких температурах (до -269°С) пластик не охрупчива- ется. Фторопласт-4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окис- лителей. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора, кроме того, пластик не смачи- вается водой. Политетрафторэтилен малоустойчив к облучению. Это наибо- лее высококачественный диэлектрик. Фторопласт-4 обладает очень низким коэффициентом трения (f = 0,04), который не зависит от температуры (до 327 °С когда начинает плавиться кристаллическая фаза). Недостатками фторопла- ста-4 являются хладотекучесть (результат рекристаллизации), выделение токсичного фтора при высокой температуре и трудность его переработки (вследствие отсутствия пластичности). Фторопласт-4 применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насо- сов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрора- диотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах (подшип- ники, втулки). К полярным пластикам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поли- карбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид. Фторопласт-3 (фторлон-3) — полимер трифторхлорэтилена. Атом хлора нарушает симметрию звеньев макромолекул, материал становится поляр- ным, диэлектрические свойства снижаются, но появляется пластичность и облегчается переработка материала в изделия. Интервал рабочих темпера- тур от -105 до 70 °С. При температуре 315 °С начинается термическое разру- шение. Хладотекучесть у полимера проявляется слабее, чем у фторопласта-4. По химической стойкости он уступает политетрафторэтилену, но все же об- ладает высокой стойкостью к действию кислот, окислителей, растворов ще- лочен и органических растворителей. Фторопласт-3используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия ме- таллов и др. Органическое стекло — это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Чаще всего применяется полиметилметакрилат, иногда пластифицированный дибутилфталатом. Ма- териал более чем в 2 раза легче минеральных стекол (1180 кг/м 3 ), отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен (светопрозрачность 92 %), пропускает 75 % ультрафиолетового излучения (силикатные – 0,5 %). При температуре 80 °С органическое стекло начинает размягчаться; при темпера- туре 105–150 °С появляется пластичность, что позволяет формовать из него различные детали. Критерием, определяющим пригодность органических стекол для эксплуатации, является не только их прочность, но и появление на 35 поверхности и внутри материала мелких трещин, так называемого серебра. Этот дефект снижает прозрачность и прочность стекла. Причиной появления «серебра» являются внутренние напряжения, возникающие в связи с низкой теплопроводностью и высоким коэффициентом расширения. Увеличение термостойкости и ударной вязкости органического стекла достигается ориен- тированием; при этом увеличивается в несколько раз ударная вязкость и стойкость к «серебрению»; сополимеризацией или привитой полимеризаци- ей полиметилметакрилата с другими полимерами получают частично сши- тую структуру (термостабильные стекла); применением многослойных стекол («триплексов»). Органическое стекло стойко к действию разбавленных ки- слот и щелочей, углеводородных теплив и смазочных материалов. Старение органического стекла в естественных условиях протекает медленно. Недос- татком органического стекла является невысокая поверхностная твердость. Органическое стекло используют в самолетостроении, автомобилестрое- нии. Из него изготовляют светотехнические детали, оптические линзы и др. На основе полиметилметакрилата получают самоотверждающиеся пластмас- сы: ACT, стиракрил, АКР. Указанные материалы применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного инструмента. Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хо- рошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не под- держивают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый по- ливинилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую проч- ность и упругость. Недостатками этого материала являются низкая длитель- ная прочность и низкая рабочая температура (не свыше 60–70 °С) под нагруз- кой, большой коэффициент линейного расширения, хрупкость при низких температурах (t хр = -10 °С). Из винипласта изготовляют трубы, детали вентиляционных установок, теп- лообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строитель- ные облицовочные плитки. При введении пластификатора получают полихлорвиниловый пластикат, имеющий морозостойкость до -50 °С и температуру размягчения 160–195 °С применяется для изоляции проводов и кабелей, уплотнительных прокладок. Полиамиды — это кристаллизующиеся полимеры с известными названия- ми: капрон, нейлон, анид и др. Отдельные цепочки макромолекул распола- гаются таким образом, что между группами СО и NH, принадлежащими раз- личным цепочкам, возникает водородная связь, повышающая температуру плавления до 210–264 °С и способствующая образованию регулярной струк- туры. При одноосной ориентации получаются полиамидные волокна, нити, пленки. Свойства разных видов полиамидов довольно близки. Они имеют низкий коэффициент трения (f <0,05), продолжительное время могут рабо- тать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны погло- щать вибрацию. Стойки к щелочам, бензину, спирту; устойчивы в тропиче- 36 ских условиях. К недостаткам полиамидов относятся некоторая гигроскопич- ность и подверженность старению вследствие окисляемости при переработ- ке. Водопоглощение зависит от содержания амидных групп и структуры и со- ставляет от 1,75 % (полиамид П-12) до 11–12% (капрон, П-54). Устойчивость полиамидов к свету повышается введением стабилизатора, а антифрикци- онные свойства – введением наполнителя (графита и др.). Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы и др. Полиамиды используют в электротехнической промышленно- сти, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов. Полиуретаны содержат уретановую группу. Кислород в молекулярной це- пи сообщает полимерам гибкость, эластичность; им присуща высокая атмо- сферостойкость и морозостойкость (до -70°С). Верхний температурный пре- дел составляет 120–170 °С. Свойства полиуретана в основном близки к свой- ствам полиамидов. В зависимости от исходных веществ, применяемых при получении полиуретанов, они могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными. Из полиуретана вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки. Полиэтилентерефталат — сложный полиэфир, известен под названием лавсан, майлар, терилен. Полиэтилентерефталат является кристаллическим полимером; при быстром охлаждении расплава можно получать аморфный полимер, который при нагреве свыше 80 °С начинает кристаллизоваться. Присутствие кислорода в основной цепи сообщает хорошую морозостой- кость ( -70 °С). Бензольное кольцо повышает теплостойкость (температура плавления 255–257 °С). Полиэтилентерефталат является диэлектриком и об- ладает сравнительно высокой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки, волокна и др. Поликарбонат — сложный полиэфир угольной кислоты; выпускается под названием дифлон. Это кристаллический полимер, которому при плавлении и последующем охлаждении можно придать аморфную структуру. Такой ма- териал становится стеклообразным и прозрачным. Свойства поликарбонатов своеобразны — им присущи гибкость и одновременно прочность и жест- кость. По прочности при разрыве материал близок к винипласту и отличается высокой ударной вязкостью, он нехладотекуч. При длительном нагреве, вплоть до температуры размягчения, образцы сохраняют свои размеры и ос- таются эластичными при низких температурах. Поликарбонат химически сто- ек к растворам солей, разбавленным кислотам и щелочам, маслам; разруша- ется крепкими щелочами; выдерживает светотепловакуумное старение и те- пловые удары, тропикостоек. Поликарбонат имеет ограниченную стойкость к воздействию ионизирующего излучения. 37 Из поликарбоната изготовляют шестерни, подшипники, автодетали, ра- диодетали и т. д. Его можно использовать в криогенной технике для работы в среде жидких газов. Дифлон применяется также в виде гибких, прочных пле- нок. Полиарилаты — сложные гетероцепные полиэфиры. Полиарилатам при- сущи высокая термическая стойкость и морозостойкость (до -100 °С), хоро- шие показатели прочности и антифрикционные свойства (эстеран). Полиари- латы радиационно- и химически стойки. Применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без ис- пользования смазочного материала, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике. Пентапласт является хлорированным простым полиэфиром, относится к медленно кристаллизующимся полимерам. Пентапласт более устойчив к на- греву по сравнению с поливинилхлоридом. Прочность пентапласта близка к прочности винипласта, но он выдерживает температуру 180 °С и хорошо формуется, нехладотекуч, стоек к истиранию. Пентапласт, являясь веществом полярным, обладает удовлетворительными электроизоляционными свойст- вами. Кроме того, он водостоек. По химической стойкости занимает проме- жуточное положение между фторопластом и винипластом. Из пентапласта изготовляют трубы, клапаны, детали насосов и точных приборов, емкости, пленки и защитные покрытия на металлах. Полиформальдегид — простой полиэфир — линейный полимер. Повы- шенная кристалличность (75 %) и чрезвычайно плотная упаковка кристаллов дают сочетание таких свойств, как жесткость и твердость, высокая ударная вязкость и упругость. Температурный интервал применения полимера от -40 до 130 °С; он водостоек, стоек к минеральным маслам и бензину. Полиформальдегид используют для изготовления зубчатых передач, шес- терен, подшипников, клапанов, деталей автомобилей, конвейеров и т. д. Термопласты с наполнителями. В качестве полимерных матриц (связую- щего) применяют различные термопласты. В качестве армирующих наполни- телей можно использовать стеклянное волокно, асбест, органические волок- на и ткани. Волокнистые наполнители образуют в полимере как бы несущий каркас и этим упрочняют материал. В промышленном масштабе применяют полиамиды и поликарбонат, на- полненные мелкорубленым стекловолокном. По сравнению с ненаполнен- ными полимерами стекловолокниты обладают повышенными прочностью (σ в = 90–149 МПа; σ сж = 110–140 МПа; σ изг = 150–220 МПа) и теплостойко- стью, сопротивлением усталости и износостойкостью, небольшой ползуче- стью. Интервал рабочих температур от -60 до 180 °С. Термопласты с наполнителями в виде, синтетических волокон (пропиле- новое волокно, капрон, лавсан, винол) являются перспективными. Такие во- локна имеют близкую со связующими химическую природу, и упрочнение 38 получается хорошим (волокна и связующее работают совместно). Ползучесть волокнистых термопластов уменьшается почти в 5 раз, длительная прочность возрастает в десятки раз. Слоистые термопласты содержат в качестве наполнителей ткани из раз- личных волокон. Для получения высокопрочных пластмасс применяют поли- амиды, армированные стеклотканью. Капрон (П-6), армированный стекло- тканью, имеет высокие механические свойства: σ в = 400–430 МПа, σ сж = 280– 300 МПа, σ изг = 450–500 МПа; а = 250–300 кДж/м 2 и может работать до 220 °С. Из волокнистых термопластов изготовляют подшипники, зубчатые переда- чи, трубы, вентили, емкости для агрессивных сред и др. Термореактивные пластмассы. В качестве связующих веществ применяют термореактивные смолы, в ко- торые иногда вводятся пластификаторы, отвердители, ускорители или за- медлители, растворители. Основными требованиями к связующим вещест- вам являются высокая клеящая способность (адгезия), высокие теплостой- кость, химическая стойкость и электроизоляционные свойства, простота тех- нологической переработки, небольшая усадка и отсутствие токсичности (вредности). Смола склеивает как отдельные слои наполнителя, так и эле- ментарные волокна и воспринимает нагрузку одновременно с ними, поэтому связующее вещество после отверждения должно обладать достаточной прочностью на отрыв при расслаивании материала. Для обеспечения высо- кой адгезии связующее должно быть полярным. Необходимо, чтобы темпе- ратурные коэффициенты линейного расширения связующего и заполнителя были близки по величине. В производстве пластмасс широко используют фенолоформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы, непредельные полиэфиры и их различные модификации. Более высокой адгезией к наполнителю обладают эпоксидные связующие, которые позволяют получать армированные пласти- ки с высокой механической прочностью. Теплостойкость стеклопластиков на кремнийорганическом связующем при длительном нагреве составляет 260– 370 °С, на фенолоформальдегидном до 260 °С, на эпоксидном до 200 °С, на непредельном полиэфирном до 200 °С и на полиимидном связующем 280– 350 °С. Важным свойством непредельных полиэфиров и эпоксидных смол является их способность к отверждению не только при повышенной, но и при нормальной температуре без выделения побочных продуктов с минималь- ной усадкой. Из пластмасс на их основе можно получать крупногабаритные изделия. В зависимости от формы частиц наполнителя термореактивные пластмас- сы можно подразделить на следующие группы: порошковые, волокнистые и слоистые. 39 Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве наполнителей применяют органические (древесная мука) и минеральные (молотый кварц, асбест, слюда, графит и др.) порошки. Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысо- кой механической прочностью и низкой ударной вязкостью, удовлетвори- тельными электроизоляционными показателями. Их применяют для несило- вых конструкционных и электроизоляционных деталей. Минеральные на- полнители придают пластмассе водостойкость, химическую стойкость, по- вышенные электроизоляционные свойства, устойчивость к тропическому климату. Композиции на основе эпоксидных смол широко применяют в машино- строении для изготовления различной инструментальной оснастки, вытяж- ных и формовочных штампов, корпусов станочных, сборочных и контрольных приспособлений, литейных моделей, копиров и другой оснастки. Их приме- няют для восстановления изношенных деталей и отливок. Пластмассы с волокнистыми наполнителями. К этой группе пластмасс относятся волокниты, асбоволокниты, стекловолокниты. Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполните- ля в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидным связую- щим. По сравнению с пресс-порошками они имеют несколько повышенную ударную вязкость. Применяют для деталей общего технического назначения, работающих на изгиб и кручение (рукоятки, стойки, фланцы, направляющие втулки, шкивы, маховики и т. д.). Асбоволокниты содержат наполнителем асбест. Связующим служит в ос- новном фенолоформальдегидная смола. Преимуществом асбоволокнитов является повышенная теплостойкость (свыше 200 °С), устойчивость к кислым средам и высокие фрикционные свойства. Асбоволокниты используют в качестве материала тормозных устройств; из материала фаолита (разновидность асбоволокнитов) получают кислотоупор- ные аппараты, ванны, трубы. Стекловолокниты — это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя. В качестве на- полнителя применяют непрерывное или короткое стекловолокно. Прочность стекловолокна резко возрастает с уменьшением его диаметра (вследствие влияния неоднородностей и трещин, возникающих в толстых сечениях). Для практических целей используют волокно диаметром 5–20 мкм с σ р = 600– 3800 МПа и ε = 2–3,5 %. Свойства стекловолокна зависят также от содержания в его составе щело- чи; лучшие показатели у бесщелочных стекол алюмоборосиликатного соста- ва. 40 Неориентированные стекловолокнитысодержат в качестве наполнителя короткое волокно. Это позволяет прессовать детали сложной формы, с ме- таллической арматурой. Материал получается с изотропными прочностными характеристиками, намного более высокими, чем у пресс-порошков и даже волокнитов. Представителями такого материала являются стекловолокниты АГ-4В, а также ДСВ (дозирующиеся стекловолокниты), которые применяют для изготовления силовых электротехнических деталей, деталей машино- строения (золотники, уплотнения насосов и т. д.). При использовании в каче- стве связующего непредельных полиэфиров получают премиксы ПСК (пасто- образные) и препреги АП и ППМ (на основе стеклянного мата). Препреги можно применять для крупногабаритных изделий простых форм (кузова ав- томашин, лодки, корпуса приборов и т. п.). Ориентированные стекловолокнитыимеют наполнитель в виде длинных волокон, располагающихся ориентировано отдельными прядями и тщатель- но склеивающихся связующим. Это обеспечивает более высокую прочность стеклопластика. Стекловолокниты могут работать при температурах от -60 до 200 °С, а также в тропических условиях, выдерживать большие инерционные перегрузки. При старении в течение двух лет коэффициент старения К с = 0,5– 0,7. Ионизирующие излучения мало влияют на их механические и электриче- ские свойства. Из них изготовляют детали высокой точности, с арматурой и резьбой. Особенностями пластмасс являются малая плотность (1 - 2 т/м 3 ); низкая теплопроводность *0,1 - 0,3 Вт/(м∙К)+, значительное тепловое расширение, в 10 - 30 раз больше, чем у стали *(15 - 100) 10 -6 °C -1 +; хорошие электроизоляци- онные свойства; высокая химическая стойкость; фрикционные и антифрик- ционные свойства. Прочность силовых пластиков сопоставима с прочностью стали и выше. Пластмассы имеют хорошие технологические свойства. Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие мо- дуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс – склонность к старению. |