В., Шлыкова А. В. Технологические процессы машиностроительного
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
Особенностью литейных бериллиевых сплавов является высокая размерная стабильность в условиях возникновения температурных градиен- тов при эксплуатации изделий. Сплавы маркируются тремя буквами ЛБС (литейный бериллиевый сплав) и порядковым номером (ЛБС-1, ЛБС-2, ЛБС- 3). Химический состав и механические свойства сплавов приведены в таб- лице 5.13. Особенностью деформируемых бериллиевых сплавов является высокая жесткость при низкой плотности. Для повышения жаропрочных свойств бериллия используется сложное последовательное легирование: На первом этапе выбирается оптимальный состав двойного сплава (таблица 5.14). Далее выбранный двойной сплав легируют титаном, обра- зующим высокопрочные интерметаллиды TiBe 12 Например, на основе двойного сплава Be – Ni разработан сплав ВБД-1 (при изготовлении из порошкового бериллия – ВБД-1-П) со следующим хи- мическим составом: Ni - 7,5 … 8,5 %; Ti - 0,8 … 1,2 %; остальное - Be. Меха- нические свойства сплава ВБД–1П приведены в таблице 5.15. Сплав применяется в ракетостроении: фермы переходных отсеков и выносных приборов, кронштейны крепления солнечных батарей: детали от- секов и контейнеров (элементы обшивки, панели, каркасы, шпангоуты). 121 Таблица 5.13 Химический состав и механические свойства литейных сплавов Химический состав, %, ос- тальное бериллий Сплав ЛБС-1 Сплав ЛБС-2 Al – 24 … 34; Ni – 3 … 6; Zr, Sc, Y, Gd, - 0,06 … 0,21; Al -36 … 24; Ni -3,5 … 4,5; Mg -0,6 … 0,8; Zr, Sc, Y, Gd, - 0,03 … 0,12; Механические свойства σ в , МПа, при температуре, º С -100 255 274 0 225 255 100 186 235 300 112 118 σ 0,2 , МПа, при темпе- ратуре, º С -100 235 245 0 196 216 100 145 170 300 103 δ, %, при температуре, º С -100 2,8 2,0 0 2,4 2,1 100 2,5 2,1 300 1 … 2,4 3,0 Таблица 5.14 Механические свойства двойных бериллиевых сплавов Содержание ле- гирующих эле- ментов, % Средний размер зерна, мкм σ в , МПа, при температуре, º С 20 500 6,7 Cu 124 256 146 2,4 Ag 186 282 209 5,8 Ni 160 346 275 1,7 Co 96 301 218 0,2 Fe 347 307 125 Новые деформируемые бериллиевые сплавы (АБМ-1 и АБМ-40-3) об- ладают плотностью 2,2 … 2,35 т/м 3 ; модулем упругости -140 … 180 ГПа; те- плопроводностью – 121 … 138 Вт/м*град. Область применения сплавов: ги- роскопы (рамы подвеса, блоки чувствительных элементов, корпуса); орби- тальные телескопы (многоэлементные корпуса телескопов, детали подвеса телескопов, опытные корпуса зеркал; детали космических аппаратов (антен- ны наведения, рамы подвеса); компьютерная техника (отливки деталей пози- ционеров блока памяти на жестких дисках). Таблица 5.15 122 Механические свойства сплава ВБД-1П Температура испытаний, º С Состояние σ в , МПа σ 0,2 , МПа δ, % KCU, МДж/м 2 20 Деформированное 500 … 550 450 … 490 0,8 … 1,5 0,01 500 Отожженное 350 … 370 290 … 310 2,5 … 6,0 0,03 700 Отожженное 150 … 170 100 … 120 14 … 18 – 5.4. Биметаллы В условиях непрерывного удорожания производства легированной ста- ли, цветных металлов и их сплавов большое значение приобретает примене- ние биметаллов и многослойных покрытий. Биметалл – материал, состоящий из металла – основы и нанесенного на него одно или многослойного покры- тия. Биметаллы позволяют не только уменьшить расход дефицитных и доро- гостоящих цветных сплавов, но и получить материалы с новыми, уникаль- ными свойствами. Например: при изготовлении отвалов плугов используется трехслойная сталь «сталь60-сталь15-сталь60» - износостойкий материал, по- зволяющий резко повысить стойкость отвала. В Российском машиностроении применяется: o сталь листовая трехслойная коррозионно-стойкая (сталь08Х18Н10Т - сталь10 или сталь 08 - сталь08Х18Н10Т) - детали машин для подготовки и внесения в почву удобрений и химзащиты растений; o сталь листовая трехслойная износостойкая (сталь60 - сталь15 - сталь60) - рабочие органы почвообрабатывающих машин (лемехи, отвалы, полевые доски), ножи для резки сельскохозяйственной продукции, молоточки для мо- лотильных барабанов комбайнов; o трубы биметаллические (сталь10 - бронза БрОФ6,5-0,15) - подшипники скольжения; 123 o полосы биметаллические антифрикционные (сталь08 - бронза o БрОФ6,5-0,4) - вкладыши коренных и шатунных шеек двигателей; o листы рифленые плакированного дуралюмина (алюминий - дуралюмин Д1 - алюминий) - настилы полов сельхозмашин. 5.5. Полимерные материалы и пластмассы Общая характеристика полимерных материалов (полимеров) Полимеры - высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состо- ят из многочисленных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Их молекуляр- ная масса составляет 10 5 … 10 7 . Следовательно, свойства полимера определяется не только его химическим составом, но и строением и взаимным расположением мо- лекул. Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул, различают полимеры: линейные, разветвленные, плоские ленточные, плоские сетчатые, слоистые и пространственные (рис. 5.4). Гибкие длинные макромолекулы обладают высокой прочностью вдоль цепи и слабыми молекулярными связями, что обеспечивает их эластичность, способ- ность размягчаться при нагреве и затвердевать при охлаждении (полиэтилен, поли- амид). Разветвленные молекулы отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен). Плоские ленточные молеку- лы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями. Они обладают по- вышенной теплостойкостью и большей жесткостью. Пространственные молекулы образуются при соединении молекул ме- жду собой прочными химическими связями. Образуется сетчатая структура с различной густотой сетки. Молекулы с редкой сеткой (сетчатые) теряют спо- собность растворяться и плавиться, но обладают упругостью (мягкие рези- ны). Густосетчатые молекулы (пространственные) отличаются твердостью и большой теплостойкостью. 124 Рис. 5.4. Форма макромолекул. Эти полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических ма- териалов. Аморфные полимеры строятся из цепных молекул, и собраны в пачки. Пачки являются структурными элементами, и могут перемещаться от- носительно соседних элементов. Некоторые аморфные полимеры состоят из цепных молекул, свернутых в клубки (глобулы). Такая структура дает низкие механические свойства (хрупкое разрушение по границам глобул.). При по- вышении температуры, глобулы могут разворачиваться, что повышает меха- нические свойства. Квази кристаллические полимеры образуются только из достаточно гибких макромолекул с регулярной структурой. В этом случае возможно образова- ние пространственных решеток внутри пачки. Гибкие пачки складываются в ленты, многократно поворачиваются на 180 о и образуют пластины (рис. 5.5, а). Пластины, наслаиваясь, друг на друга, образуют правильные кристаллы. При затруднении наслоения образуются сферолиты (рис13.2, б), состоящие из лучей, чередованием кристаллических и аморфных зон. Кристаллические участки состоят из микрофибрилл (рис. 5.5, в). 125 Рис. 5.5. Структура квази кристаллических полимеров: а – пластина; б – сферолит; в – микрофибилла. По отношению к нагреву, полимеры разделяются на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры имеют линейную или раз- ветвленную структуру молекул. При нагреве они размягчаются, могут пла- виться, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактив- ные полимеры в начальной стадии образования имеют линейную структуру. При нагреве они размягчаются. Далее образуется пространственная структу- ра, полимер получает термостабильное твердое состояние. Особенности строения полимеров определяют их свойства. Высока мо- лекулярная масса, приводит к невозможности перехода в газообразное со- стояние или образованию низковязких жидкостей. Термостабильные поли- меры – не размягчаются. Полимеры могут находиться в трех стабильных со- стояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Стеклообразное – твердое аморфное состояние, движения звеньев и пе- ремещения макромолекул нет. Высокоэластическое состояние характеризу- ется способностью материала к большим обратимым изменениям формы под действием незначительных нагрузок. Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние с большой вязкостью. Полимеры стареют (самопроизвольно и необратимо изменяются их важнейшие механические свойства) под воздействием света, кислорода (озо- на), влажности, теплоты, длительного хранения. Процессы старения ускоря- ются под воздействием механических напряжений. Сущность старения за- ключена в сложной цепной реакции с образованием свободных радикалов (реже ионов) сопровождаемой деструктуризацией. Наиболее устойчивы к воздействию высоких атмосферных температур и влаги полиэтилен, поли- 126 тетрафторэтилен, полиамидные волокна. Для замедления старения, в поли- меры добавляют стабилизаторы (органические вещества, антиоксиданты). Например: срок службы полиэтилена, стабилизированного сажей увеличива- ется до 5 лет; поливинилхлорид имеет срок службы до 25 лет. Общая характеристика пластмасс Пластмассы – многокомпонентные искусственные материалы, изготов- ленные на основе полимеров. Простые пластмассы – это полимеры без добавок (полиэтилен, фторо- пласты, органическое стекло). Сложные пластмассы – это смеси полимеров (связка) с различными добавками (наполнители, стабилизаторы, пластифика- торы и так далее). В качестве связки используются: синтетические смолы; эфиры, целлю- лоза. Наполнитель – это органические или неорганические вещества в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, оксид кремния или титана, тальк, графит), волокон (хлопчатобумажные, стеклянные, полимерные, асбестовые) листов (бумага, ткани, древесный шпон). Наполнители добавляют в количе- стве от 40 до 70 % для повышения механических свойств, снижения расхода дорогостоящей связки, улучшения потребительских свойств пластмассы. Для повышения эластичности и облегчения обработки в пластмассу добавляют пластификаторы (олеиновая кислота, стеарин, дибутилфторат). Пластификаторы уменьшают межмолекулярное взаимодействие и должны быть хорошо совместимы со связкой. Стабилизаторы сохраняют структуру макромолекул и стабилизируют свойства пластмассы. Под воздействием внешней среды (влажность, газовая атмосфера, солнечная радиация) происходит разрыв макромолекул или раз- рыв поперечных связей макромолекул (старение пластмассы). Добавка ста- билизаторов замедляет старение. Стабилизаторами могут служить различные органические вещества. 127 Специальные добавки – смазочные материалы, красители, антистатики, добавки для уменьшения горючести, защиты от плесени и другие служат для повышения потребительских свойств пластмассы. Отвердители – добавляют в термореактивные пластмассы для отвер- ждения. Отвердитель встраивается в общую молекулярную сетку полимера с образованием поперечных связей. В качестве отвердителей используют орга- нические перекиси, серу и другие вещества. Основой классификации пластмасс служит химический состав связки (основного полимера). В зависимости от вида связки различают пластмассы фенолоформальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиамидные, полиуре- тановые, стирольные, фторопласты и другие. По характеру связки, различают термопластичные и термореактивные пластмассы. Термопластичные пластмассы (термопласты) – пластмассы, которые после формирования изделия сохраняют способность к повторной перера- ботке. Термореактивные пластмассы (реактопласты) – пластмассы, перера- ботка которых в изделие сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. По виду наполнителя, различают пластмассы: порошковые (карболи- ты)- с наполнителем в виде древесной муки, графита, талька … Волокнистые – с наполнителем из: очесов хлопка и льна (волокниты); стеклянных нитей (стекловолокниты); асбеста (асбоволокниты). Слоистые – с листовым напол- нителем: бумажные листы (гетинакс); хлопчатобумажные ткани, стеклотка- ни, асбестовые ткани (текстолит, стеклотекстолит, асботекстолит). Газона- полненные – с воздушным наполнителем (пенопласты, поропласты). Особенностями пластмасс являются: малая плотность; низкая тепло- проводность; большое тепловое расширение; хорошие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость; хорошие технологические свойст- ва. 128 Термопластичные пластмассы Под нагрузкой полимеры ведут себя как вязкоупругие вещества, их де- формация складывается из трех составляющих: упругой, высокоэластичной и вязкого деформационного течения. Вязкие аморфные термопласты при растяжении сильно вытягиваются. При разрыве, остаточная деформация составляет десятки и сотни процентов. Эта вынужденная высокоэластичная деформация возникает в результате вы- тягивания скрученных макромолекул под действием нагрузки. Пластическое течение на участке m – n (рис. 5.6, а) это постепенное распространение шей- ки на весь образец. Рис. 5.6. Диаграмма растяжения пластмасс: а – вязких аморфных и квази кристаллических термопластов; б – хруп- ких термопластов, тер- мопластов с молекула- ми, ориентированными вдоль направления растяжения и реактопластов; m – n – участок пластического течения; затемнена область допустимых нагрузок и удлинений. Сходная картина наблюдается при растяжении квази кристаллических полимеров. При растяжении этих полимеров исходная квази кристаллическая структура заменяется новой, в которой квази кристаллы имеют другую фор- му и преимущественно одинаково ориентированы (этот процесс называют рекристаллизацией). Рекристаллизация состоит из трех последовательных этапов: разрушения квази кристаллов под действием напряжения; вытягива- ние молекул по направлению растягивающей силы на участке с разрушен- ными квази кристаллами; появление новых квази кристаллов между парал- лельно расположенными макромолекулами. 129 Термопласты с ориентированной молекулярной структурой при растя- жении вдоль направления ориентации не обнаруживают пластического тече- ния (рис. 5.6, б). Для снижения ползучести в термопласты вводят наполнители, умень- шают содержание пластификаторов. При температурах ниже 20 … 25 º С прочность термопластов повышается при одновременном снижении вязко- сти. При отрицательных температурах возможно их хрупкое разрушение. Для предупреждения этого в термопласты добавляют пластификаторы, син- тетические каучуки. Модуль упругости термопластов в 10 … 100 раз меньше, чем у метал- лов и сплавов. Наибольший модуль упругости имеют полистирол (3,5 ГПа) и органическое стекло (3,3 ГПа), наименьший – полиэтилен (1,8 ГПа). Проч- ность термопластов лежит в пределах 10 … 100 МПа. Термопласты хорошо сопротивляются усталости (σ -1 = 0,2 …. 0,3 σ в ). Однако при переменных на- грузках с частотой более 20 Гц пластмассы поглощают энергию, разогрева- ются и разрушаются значительно быстрее. Наиболее применяемые в отечественной промышленности термопла- сты: o на полиформальдегидной (возможно с наполнителем из стеклянного волокна до 30 %); o поликарбонатной (возможно с наполнителем из стеклянного до 30 % или углеводородного волокна до 40 %); o полифиниленоксидной (возможно с наполнителем из полистирола до 10 % или стеклянного волокна до 30 %); o полиимидно (возможно с наполнителем из углеводородного волокна до 40 %); o полиамидоимдной (возможно с наполнителем из стеклянного волокна до 10 … 30 %) матрице. 130 Термореактивные пластмассы Реактопласты получают на основе эпоксидных, полиэфирных, поли- уретановых, фенолформальдегидных и кремнийорганических полимеров. Пластмассы имеют сетчатую структуру, поэтому при нагреве не плавятся, устойчивы против старения, водо- масло- бензостойки. Реактопласты после отверждения имеют низкую ударную вязкость, поэтому требуется примене- ние наполнителей. Важными свойствами реактопластов являются удельная жесткость и удельная прочность. При правильно выбранном наполнителе, реактопласты по эти свойствами превосходят многие стали, алюминиевые и титановые сплавы. Различают реактопласты с порошковым наполнителем, с волокнистым наполнителем (волокниты) и слоистые пластики. Пластмассы с порошковым наполнителем наиболее однородны по свойствам, хорошо прессуются. Их применяют для наиболее сложных по форме изделий. Но они имеют пониженную ударную вязкость. Волокниты отличаются повышенными прочностью и ударной вязко- стью (при использовании стеклянного волокна – до 20 … 30 кДж/м 2 ). Напол- нение асбестовыми волокнами повышает теплостойкость до 200 º С. Слоистые пластики – самая прочная и универсальная по применению группа реактопластов. По виду наполнителя различают: текстолиты (хлопча- тобумажная ткань); гетинаксы (бумага); древесно-слоистые (древесный шпон); стеклотекстолиты (ткань из стеклянного волокна). В текстолитах и стеклотекстолитах важен вид плетения полотна. При полотняном плетении (нити основы и утка равномерно переплетены) нет особого различия в проч- ности вдоль и поперек волокон. При кордовом плетении (нити утка располо- жены редко и предназначены только для сплетения основы) прочность вдоль основы максимальна. 131 5.6. Резиновые материалы Резина – продукт специальной обработки (вулканизации) каучука. От других материалом, резина отличается высокой эластичностью (относитель- ное удлинение до 1 000 %). Вулканизация - физико-химический процесс взаимодействия каучука с вулканизующим веществом, в результате которого происходит изменение свойств каучука: он теряет пластичность, становится эластичным, увеличива- ется прочность, стойкость к действию химических веществ. Основой любой резины служит каучук натуральный (НК) или синтети- ческий (СК). Для улучшения свойств каучуков, в резину вносят специальные добавки: Вулканизирующие вещества - участвуют в образовании пространст- венно – сетчатой структуры вулканизата. Обычно применяют серу или селен. Важнейшим вулканизующим веществом является сера. Процесс вулка- низации в смесях, содержащих одну серу, протекает медленно (в течение не- скольких часов). Для сокращения времени вулканизации вводят химические вещества, называемые ускорителями вулканизации. В современной практике резинового производства в основном используются органические ускорители (полисульфиды, оксиды свинца или магния, дифенилгуанидин, альтакс, кап- такс, тиурам) в количестве 1—2% массы каучука. Противостарители (антиоксидианты) замедляют процесс старения резины. Противостарители химического действия замедляют окисление кау- чука. Физические Противостарители типа парафин и воск образуют на внеш- ней части изделия защитные пленки. Мягчители (пластификаторы) облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластичность каучука, повышают морозостойкость резины. Обычно применяют парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы … Наполнители, различаются по воздействию на каучук: инертные (мел, тальк …) и активные. Инертные наполнители вводятся для удешевления ре- 132 зины. Активные наполнители (углеродистая сажа, оксид цинка …) улучшают механические свойства резины. Регенерат – продукт переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости резины, регенерат снижает склонность резины к старению. Антипирены – снижают воспламеняемость и горючесть резины. Фунгициды – защищают резину от воздействия микроорганизмов, осо- бенно в условиях тропиков. Дезодоранты – подавляют неприятный запах резины. Красители и пигменты вводят для окраски резины. Большинство каучуков – непредельные высокомолекулярные соедине- ния с линейной или слабоветвистой структурой. Наличие в молекулах непре- дельных связей позволяет переводить макромолекулы в стабильное состоя- ние. Для этого, в местах двойной связи присоединяют двухвалентную серу, получая пространственную сетчатую структуру (вулканизация). Изменяя содержание серы в составе резиновых смесей, можно полу- чать сетку с разной величиной ячейки. Так, например, для получения мягких, высокоэлластичных резин в состав смеси вводят 1 … 3% серы (мелкоячеи- стая структура); полутвердых резин - около 10% серы, а твердых резин (эбо- нита) - 30 … 40% серы. |