В., Шлыкова А. В. Технологические процессы машиностроительного
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
5.7. Клеи и герметики Клеи герметики относятся к пленкообразующим материалам. Клеи применяются для склеивания различных материалов. Герметики – обеспечи- вают уплотнение и герметизацию швов, стыков и т.д. В состав этих материа- лов входят: o пленкообразующие вещества (термореактивные смолы, каучук …). o растворители (спирты, бензин …); o пластификаторы - для устранения усадочных явлений при склеивании, и для повышения эластичности пленки; 133 o отвердители и катализаторы - для перевода пленкообразующего веще- ства в термостабильное состояние; o наполнители - для повышения прочности и других характеристик клее- вого слоя. Клеевые соединения, по сравнению с другими видами соединений, позво- ляют: o соединять различные материалы в различных сочетаниях; o более стойки к коррозии; o более технологичны при ремонте изделий; o позволяют соединять тонкие изделия. Органическая природа многих клеев определяет их низкую длительную теплостойкость (до 350 ° С). Клеи на основе кремнийорганических и неорга- нических полимеров имеют повышенную теплостойкость (до 1000 ° С). Клеи классифицирую по ряду признаков: o по пленкообразующему веществу - клеи смоляные и резиновые; o по адгезионным свойствам - клеи универсальные и специальные; o по отношению к нагреву - клеи обратимые (термопластичные) и необ- ратимые (термостабильные); o по условия отверждения - клеи горячего или холодного склеивания; o по внешнему виду - жидкие, пастообразные и пленочные клеи; o по назначению - конструкционные силовые и не силовые клеи. Смоляные клеи изготавливают на основе термореактивных смол, кото- рые отверждаются в присутствии катализатора и отвердителей. Клеи холод- ного склеивания, как правило, обладают малой прочностью. Клеи горячего склеивания, за счет более полного отверждения, имеют высокую прочность и теплостойкость. Рассмотрим основные виды клеев. Клеи на основе модифицированных фенолформальдегидных смол при- меняют для склеивания металлических силовых элементов, деталей из стек- лопластика и т.д. 134 Фенолкаучуковые клеи имеют высокую адгезию к металлам, достаточ- но эластичны и теплостойки, водостойки, обеспечивают прочное соединение при неравномерном отрыве. Выпускаются марки: ВК-32-200; ВК-3; ВК-4; ВК-13. Фенол кремнийорганические клеи содержат в качестве наполнителя ас- бест, алюминиевый порошок. Клеи термостойки, водостойки, обладают вы- сокой длительной прочностью. Выпускаются марки: ВК-18, ВК-18М (тепло- стойкость до 600 ° С). Клеи на основе эпоксидных смол затвердевают только в присутствии отвердителя (соотношение «смола: отвердитель» - 10: 1 … 10: 3). Они явля- ются силовыми конструкционными клеями, обладают: высокой прочностью пленки, хорошей адгезией к металлам, водостойки, маслобензостойкие, но имеют низкий предел прочности на изгиб и низкую теплостойкость. При уве- личении добавки отвердителя, уменьшается время отверждения (от 24 до 1 часа). Для повышения изгибной прочности, в композицию добавляют пла- стификатор и волокнистые наполнители. К клеям холодного отвердевания относят композиции с маркировкой «ЭД», а также марки Л-4, ВК-9, КЛН-1, ЭПО. К клеям горячего затвердевания относят: ВК-32ЭМ, К-153, ФЛ-4С. Эпоксидно-кремниевые композиции ТКМ-75, Т-73 применяются для при- клеивания режущей части инструментов. Клей УП-5-207М обладает высокой влагостойкостью, стоек к смене температур, вибрациям и старению. Клеи по- лиуретановые холодного и горячего отвердения. В состав композиции входят полиэфиры, полиизоцианаты и цементный наполнитель. При смешивании компонентов происходит химическая реакция, в результате которой клей за- твердевает. Клеи обладают: универсальной адгезией, хорошей вибростойко- стью, прочностью, маслобензостойкостью. Выпускаются композиции: ПУ-2, ВК-5, ВК-11. Эти клеи высокотоксичные. Клеи на основе кремнийорганических соединений обладают высокой теплостойкостью, маслобензостойкостью, не вызывают коррозию черных сплавов. Применяются для склеивания легированных сталей, титановых 135 сплавов, неорганических материалов, стеклопластиков и асбопластиков. Вы- пускаются композиции: ВК-2, ВК-8, ВК-15. Резиновые клеи предназначаются для склеивания резины с резиной, ре- зины с металлами или со стеклом. Они представляют собой растворы каучу- ков или резиновых смесей в органических растворителях. Многие из них требуют горячей вулканизации (140 … 150 ° С). Для увеличения адгезии, в состав композиции вводят синтетические смолы (Клей 88НП). Для повыше- ния хладостойкости и теплостойкости (от –60 ° С до +300 ° С), в композицию вводят кремнийорганические смолы (КТ-15, КТ-30, МАС-1В). Неорганические клеи - высокотемпературные клеи. Клеи выпускаются в виде: концентрированных водных растворов; твердых порошков (после нане- сения композиции, заготовки нагревают, композиция плавится, потом за- твердевает); дисперсных растворов. Фосфатные клеи – раствор фосфатов с инертным или активным напол- нителем. Выпускаются композиции: АХФС, АФС. АФХС (алюмохромофос- фатная связка) – температура отверждения 20 …250 ° С; σ в 3 … 10МПа; τ сдвига 0,9 … 1,4 МПа; огнеупорность 1000 … 1800 ° С; водо- кислотостоек. Приме- няется для склеивания различных металлов. АФС (алюмофосфатная связка, наполнитель – ZrO 2 + Ti); σ сж до 250 МПа. 5.8. Лакокрасочные материалы Лакокрасочные материалы применяются с целью нанесения на наруж- ные поверхности деталей защитных или декоративных покрытий. Качествен- ные покрытия наносятся на предварительно обработанные поверхности: шлифовка поверхности до получения шероховатости не более R z 0,6 … 1,2 мкм, удаление с поверхности жировых, масляных и окисных пленок, нанесе- ние на поверхности специальных грунтовок. Различают лакокрасочные мате- риалы: прозрачные (лак); кроющие (эмаль) и подготовительные (грунтовка). Лаки состоят из природной или синтетической основы, пластификато- ров и красителей. Эмали выполняются на природной или синтетической ос- 136 нове с добавками: пластификаторов; красителей; пленкообразователей; анти- пенных, диспергирующих, кроющих и т.д. добавок. Покрытия наносятся кистью, распыление, окунанием и др. способами. В машиностроении применяются ЛКМ на канифольной (КФ), битум- ной (БТ), глифталевой (ГФ), пентафталевой (ПФ), алкидно-стирольной (МС), эпоксидной (ЭП), алкидно-уретановой (УР), кремнийорганической (КО) и полимерной (ХВ, ХС, АС, ВЛ…) основах. 5.9. Прокладочные материалы Прокладочные материалы применяются для герметизации соединений корпусных или иных деталей (особенно при высоких давлениях и температу- рах внутри герметизируемой полости), для теплоизоляции и электроизоляции разъемных частей. В качестве прокладочных материалов используют естественные, синте- тические или композиционные материалы. Естественные материалы – кора пробкового дерева, асбест, войлок и отожженная медь. Кора пробкового дерева применяется при небольших давлениях и тем- пература. Основное ее достоинство – маслобензостойкость. Но кора пробко- вого дерева – дефицитный материал, поэтому применение ее, ограничено. Часто применяют пробковую крошку связанную синтетическим клеящим со- ставом. Асбест обладает прочностью, эластичностью, диэлектрическими свой- ствами, устойчив при температуре до 1500 о Войлок – плотный шерстяной материал. Войлочные прокладки предот- вращают попадание в соединения посторонних веществ, задерживают сма- зочные масла, смягчают удары и вибрации, являются хорошим шумоизоля- тором. Красную отожженную медь применяют при высоких температурах и давлениях. 137 Синтетические материалы – маслобензостойкая резина, различные пластмассы. Эти материалы, обычно хорошие диэлектрики, но имеют низкую морозостойкость, теплостойкость, малый срок службы. Применяются в неот- ветственных соединениях или, как матрица композиционных материалах. Композиционные материалы – целлюлозосодержащие материалы или композиция: синтетический материал – упрочнитель. Целлюлозосодержащие материалы (бумага, плотный картон) применя- ются в качестве тонких прокладок в узлах, не подвергаемых воздействию влаги. Из бумаги, обработанной хлористым цинком, касторовым маслом и глицерином получают фибру. Фибра – прочный и долговечный диэлектрик стойкий к маслу и воде. Из композиционных материалов чаще всего применяют композиции на основе маслобензостойкая резины. В качестве наполнителя используется: распушенный асбест, графитный порошок, стальная фольга, стальная прово- лока или их сочетание. Композиционные прокладочные материалы наиболее универсальны, относительно дешевы, имеют большую долговечность. 5.10. Волокнистые (древесные) материалы В машиностроении достаточно широко применяются древесные материалы. Эти материалы относительно легко поддаются переработке, хорошо сопротивляются раскалыванию, сжатию, изнашиванию. Наиболее широко используется сосна, ель, лиственница, дуб и береза. Достоинства сосны: легкость; достаточно высокая прочность, хорошая гнилоустойчивость. Ель обладает меньшей прочностью, меньшей смолисто- стью, хуже обрабатывается резанием. Береза однородная по строению, проч- ная, хорошо обрабатываемая и более дешевая древесина. К недостатку бере- зы относится – деформации под влиянием переменной влажности воздуха. Дуб – твердая и прочная древесина, применяется для изготовления ответст- венных элементов конструкции. Лиственница обладает прочностью на 30% больше, чем сосна, стойкостью к гниению. 138 К древесным материалам относятся: пиломатериалы (доски, брусья, бруски); фанера; древесные плиты. Доски выпускаются толщиной 16 и более мм. Различают доски: необ- резные (после распиливания бревен); полуобрезные (одна из кромок - обре- зана); обрезные (обрезаны обе кромки). Брусья – пиломатериалы квадратного или прямоугольного сечения (100х100 и более). По числу опиленных сторон, различают брусья: двух- трех - и четырех кратные. Бруски - обрезной пиломатериал толщиной до 100 мм и шириной не более двойной толщины. Фанера – слоистая клееная древесина, состоящая из трех, пяти и более слоев лущеного березового или соснового шпона, расположенных перпенди- кулярно друг другу. Фанера легко гнется, не коробится. Фанера выпускается листами толщиной от 1,5 до 18 мм. Размер листа 1220 (2440) х 725 (1525) мм. Слои шпона склеиваются синтетическими смолами. Бакетилизированная фа- нера имеет повышенную прочность, водостойкость и атмосферостойкость. Древесные плиты обладают высокой прочностью и формоустойчиво- стью. Различают плиты: столярные, фанерные, древесностружечные, древес- новолокнистые. Столярные плиты получают склеиванием узких реек в щиты. Выпол- няются из сосны, ели, березы. Выпускаются плиты размером: 1800 – 2500 х 1220 –1525 х 16 –50 мм. Фанерные плиты отличаются от фанеры большей толщиной (15, 20, 25, 30, 45 мм). Древесностружечные плиты (ДСП) – композиционный материал. Ос- нова – синтетические смолы, наполнитель – отходы деревообрабатывающих предприятий (стружка). По прочности приближаются к прочности древесины хвойных пород, тяжело режутся, но хорошо склеиваются. Изготавливают: однослойные; трехслойные; покрытые строганным шпоном; с декоративным синтетическим покрытием. Марки: ПС – плоского прессования, средней 139 плотности; ПТ – плоского прессования, тяжелые; далее в маркировке указы- вается количество слоев. Древесноволокнистые плиты (ДВП) аналогичны ДСП, но наполнитель – древесные или растительные волокна. Обладают большей прочностью. Плиты изготавливают нескольких марок: М – мягкие, ПТ - полутвердые, Т – твердые, СТ – сверхтвердые. ДВП могут выпускаться: с декоративным или водозащитным покрытием; звукопоглощающие плиты. 5.11. Композиционные материалы с металлической матрицей Композиционный материал – волокно или дисперсные частицы (на- полнитель), соединенные в единую композицию с помощью вещества – связ- ки (матрицы). Наполнитель должен быть нерастворим в матрице. В качестве матрицы часто применяют цветные металлы (Al, Mg, Ni …) или их сплавы. Волокнистые композиционные материалы В волокнистых композиционных материалах (ВКМ) наполнитель явля- ется упрочнителем. По механизму армирующего действия различают волок- нистые композиционные материалы: дискретные - с отношением длины во- локна L к его диаметру d: L/d= 10 … 10 3 и с непрерывным волокном L d Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр во- локон 0,1…100 мкм. Часто композит с непрерывным волокном представляет собой слои- стую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом парал- лельных непрерывных волокон. Нередко волокна сплетаются в трёхмерные структуры. От обычных сплавов, ВКМ отличается высокими прочностными пока- зателями, пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой удельной прочностью (отношение прочностных показателей к плотности). Прочность ВКМ определяется свойствам волокон, матрица должна скреплять 140 волокна и распределять напряжения между ними. При этом механические свойства ВКМ вдоль волокон значительно выше, чем поперек волокон. Прочность ВКМ определяется свойствами волокон: матрица должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Чаще всего применяют ВКМ на основе алюминия, магния, титана, ни- келя и их сплавов. Для алюминиевых и магниевых ВКМ применяют волокна: борные (σ в = 2 500 … 3 500 МПа); углеродные (σ в =1 400 … 3 500 МПа); из карбидов кремния (σ в =2 500 … 3 500 МПа); карбидов, нитридов и оксидов тугоплав- ких металлов; высокопрочную сталь. Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую про- волоку, волокна сапфира, борида титана. Для получения высокопрочных ВКМ в качестве упрочнителя исполь- зуют нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нит- рида кремния, карбида бора (σ в =14 000 … 28 000 МПа; Е = 400 … 600 ГПа). Для жаропрочных никелевых ВКМ применяют волокна из вольфрамо- вой или молибденовой проволоки. Свойства некоторых ВКМ приведены в таблице 5.16. Таблица5.16 Механические свойства некоторых ВКМ ВКМ σ в , МПа Е, ГПа ВКМ σ в , МПа Е, ГПа В-АL (ВКА-1А) 600 … 1 300 220 B-Mg: (ВКМ-1) 500 … 1 300 220 Al-C (ВКУ-1) 350 … 1 700 350 Al-сталь (КАС-1А) 350 … 1 700 110 ВКМ используют для изготовления шатунов высокооборотных двига- телей внутреннего сгорания, высоконагруженных элементов обшивки аэро- 141 космической техники, силовых элементов конструкций резервуаров для аг- рессивных сред. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы В отличие от ВКМ в дисперсно-упрочненных композиционных мате- риалах (ДУКМ) матрица является основным материалом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение дислокаций матрицы (являются упрочняющей фазой). Высокая прочность достигается при размере частиц 0,01 … 0,5 мкм, при среднем расстоянии между частицами 0,1 … 0,5 мкм и равномерном их распределении в матрице. ДУКМ можно получит на основе практически всех применяемых в технике металлов и сплавов. Использование в качестве упрочняющих фаз тугоплавких оксидов то- рия, гафния, индия, оксидов редкоземельных металлов, не растворяющихся в матрице, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9 … 0,95 Т плавления . Поэтому такие ДУКМ применяют в качестве жаропрочных мате- риалов. Наиболее широко используют ДУКМ на основе Al – САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из Al и дисперсных чешуек Al 2 O 3 . С увеличением содержания Al 2 O 3 повышается предел прочности на растяжение и уменьшается относительное удлинение. Сравнение механических характе- ристик САП приведено в таблице 5.17. Таблица 5.17 Механические характеристики САП САП Al 2 O 3 , % (по объему) σ в , МПа δ, % σ 100 (длительная прочность при Т=500° С), МПа САП-1 6…9 300 8 45 САП-3 13…18 400 3 55 142 Плотность САП равна плотности Al; они не уступают ему по корро- зийной стойкости; по длительности прочности они превосходят деформиро- ванные алюминиевые сплавы. В качестве жаропрочных материалов, применяются ДУКМ с матрицей на основе никеля и наполнителем (2 … 3% по объему) из оксида (ThO 2 ) или гафния (HfO 2 ). Обычно, матрица этих ДУКМ – γ - раствор Ni + 20%Cr, или Ni + 15%Mo, или Ni + 20% (Mo+Cr). Например: композиционные материалы: ВДУ-1 (никель, упрочненный двуокисью кремния) при температуре 1 200 ° С имеют σ 100 75 МПа, σ 1000 65 МПа; ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния); ВД-3 (матрица - Ni + 20%Cr; упрочнение – окись тория). ДУКМ применяются при необходимости сочетания высокой удельной прочности с высокой жесткостью; с пониженной склонностью к трещинооб- разованию или с высокой жаропрочностью. Например: элементы жесткости, панели в автомобилестроении или в сельхозмашиностроении; для облегчения кузовов, рессор, бамперов, в качестве высоконагруженных деталей самолетов (обшивка, лонжероны, панели). Слоистые композиционные материалы Слоистые композиционные материалы (СКМ) – многослойные ВКМ (рис. 5.7). СКМ - важнейший класс композиционных материалов, обладающих широким спектром и уникальным сочетанием таких ценных свойств, как вы- сокая прочность, коррозионная стойкость, электро - и теплопроводность, жа- ропрочность, износостойкость. По назначению СКМ подразделяются на: коррозионностойкие, антифрикционные, электротехнические, инструмен- тальные и др. В настоящее время СКМ находят все большее применение в судо- строении, авто - тракторостроении, приборостроении, металлургической, горнодобывающей, нефтяной и других отраслях машиностроения. Из СКМ 143 изготавливают листы, ленты, трубки, проволоки, трубы, фасонные профили, детали и другие конструкции. Рис. 5.7. Схема слоистого композиционного материала. Для деталей, работающих при высокой температуре (например, в каме- рах сгорания реактивных двигателей) применяют СКМ, содержащие молиб- деновую и вольфрамовую проволоку в матрицах из титана. Наибольшей прочностью (σ в = 2,2 ГПа) при температуре 1 093°С обладает проволока из сплава W―Re―Hf―C, что в 6 раз выше прочности никелевых или кобаль- товых сплавов при такой же температуре. Крупногабаритные листы СКМ размерами 100×(600 … 1500) × (1800 … 8000) мм получают пакетной прокаткой или литейным плакированием с последующей прокаткой. Основной слой ─ малоуглеродистых (углероди- стых) и низколегированных сталей плакируется одним двумя слоями (Cr-Ni; Cr – сталь, сплавами на основе никеля, алюминия или меди). Листовой коррозионностойкий СКМ находит применение в судострое- нии и в пищевой промышленности. СКМ, основной слой которых - конструкционная или низколегирован- ная сталь, а плакирующий слой - высоколегированная аустенитная сталь (на- пример, сталь 22 - сталь О8Х18Н10Т), применяется для изготовления сосудов атомных электростанций. |