CC BY
81УДК 62.03
РОЖКОВ А. С., кандидат технических наук Калининградский филиал ФГБОУВО СПбГАУ НИКОЛАЕВ А.И., БОРИСОВ А.Н., БОРОДАВСКИЙ Н.Н., БОРОВИК Ю.В., студенты
Калининградского филиала ФГБОУ ВО СПбГАУ
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Аннотация: Обзорная статья о неметаллических материалах, применяемых в машиностроение
Ключевые слова, композиционные материалы, термопласты, аморфные материалы
Abstract: Review article on non-metallic materials used in engineering
Keywords: composites, thermoplastics, amorphous materials
Необходимость применения материалов с низкой изнашиваемостью и высокой изностойкостью на керамической, металлической, и полимерной основах - является современным требованием к производству технических устройств и машин. В связи с этим обстоятельством, огромное значение приобретают неметаллические материалы. Современная промышленность обладает большим ассортиментом материалов таких, как пластические массы, резиновые материалы, композиционные материалы, лакокрасочные покрытия, клеи, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.
Термопластичные материалы делятся на аморфные и кристаллизующиеся. Кристаллизация - очень важное свойство, определяющее поведение термопластов и которое обязательно должно учитываться при конструировании изделий и пресс-форм и выборе технологического режима литья. Материалы, которые кристаллизуются, имеют высокий уровень усадки и анизотропии.
Благодаря различным температурным воздействиям, термопласты имеют 3 физических состояния: стеклообразное, высокоэластическое и вязко текучее.
Упругие деформации характерны для стеклообразного состояния. Полимер способен к большим обратимым деформациям в высокоэластическом состоянии, достигающим 100% и более. Литьевой термопластичный материал переходит из высокоэластического состояния в вязко текучее при повышении температуры.
Необратимая деформация в полимере вязкого течения, проявляется выше температуры текучести. Описанные выше физические состояния может приобретать
аморфная фаза в кристаллизирующихся термопластах. Кристаллическая фаза плавится при нагревании. Температура этого поочередного перехода называется температурой плавления (melting temperature, Tm). Кристаллическая фаза полимера напрямую зависит от свойств кристаллизации, и в каком физическом состоянии (стеклообразном или высокоэластическом) находится при температуре эксплуатации аморфная фаза.
Термопласты делят на несколько групп, в зависимости от уровня их эксплуатации. К таким свойствам прежде всего относится, температура долгосрочной эксплуатации.
Пластмассы достаточно условно делят на группы (в различных изданиях приводятся разные критерии классификации):
- Материалы общего назначения или общетехнического назначения (general purpose plastics);
- Конструкционные пластмассы или пластмассы инженерно-технического назначения (engineering plastics);
- Супер конструкционные (super-engineering plastics) или высоко термостойкие полимеры (high temperature plastics).
Среди термопластов выделяют особую группу термопластичных эластомеров или термоэластопластов (TPE), которые по технологическим свойствам являются обычными термопластами, а по эксплуатационным подобны каучукам и резинам, т.е. способны к большим обратимым деформациям. В зависимости от температуры долговременной эксплуатации термоэластопласты также подразделяют на материалы общего назначения (general purpose TPE) и инженерно-технического назначения (engineering TPE).
Пластмассы различных видов нашли широкое применение в машиностроении благодаря своим высоким антикоррозионным и механическим свойствам. Детали, изготовленные из пластмасс, имеют хороший внешний вид, блестящую гладкую поверхность различных цветов.
Пластмассы это материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется. В зависимости от природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагревании, или при последующем охлаждении.
Пластмассы состоят из связующего вещества и наполнителя. Связующими служат смолы, а наполнителем различные вещества: древесная мука, волокнистые материалы, обрезки или листы бумаги, ткани и т.п.
Методы обработки пластмасс:
1. прессование на прессах при высоком давлении;
2. прессование на прессах при низком давлении;
3. формование вспрыскиванием;
4. вакуум - и пневмоформование;
5. формование без давления;
6. формование выдавливанием или протяжкой;
7. формование намоткой;
8. механическая обработка, сварка, склеивание
Прессование происходит на ротационных пресс-автоматах, а также на роторных линиях непрерывного прессования. Для массового производства термореактивных мочевиномеламиновых слоистых декоративных пластиков, листов и плит на базе фенопластов и других смол используют горячее прессование на этажных прессах. Прессование на прессах при низком давлении (менее 40*105 Па). Прессование деталей больших габаритных размеров из слоистых пластиков на основе фенолоальдегидных и других смол и хлопчатобумажной, стеклянной, асбестовой ткани, бумажной пленки производят на легких однопозиционных и много этажных прессах при небольшом усилии прессования.
Литье при низком давлении применяется для изготовления крупногабаритных изделий (столешницы, двери, различные панели, подставки и пр.), а также изделий с декоративной поверхностью, получаемых методом литья на подложку (ткань, кожу, пленку). В зарубежной литературе для последнего процесса обычно используют термины «In-mold decoration» (IMD) или «In-mold lamination». Методом литья на подложку изготавливают мебель (сиденья стульев и кресел), чемоданы и дипломаты, крупногабаритные детали салона автомобилей и т.д.
Особенностью литья на подложку является невозможность применения высоких скоростей впрыска, характерных для обычного литья под давлением, т.к. при высокой скорости впрыска происходит смещение и смятие подложки. При малых скоростях
впрыска резко уменьшаются потери давления: давление впрыска в этом процессе обычно не превышает 10 МПа.
Хотя время впрыска в данном процессе удлиняется в 3-4 раза по сравнению с обычным литьем, общее время цикла остается на том же уровне из-за того, что практически отсутствует стадия выдержки под давлением и уменьшается время выдержки на охлаждение. Изделие можно извлекать из пресс-формы при более высокой температуре. Изделия, полученные литьем при низком давлении, отличаются низким уровнем остаточных напряжений и малым короблением [1-2]. Малая скорость впрыска и низкое давление выдвигают особые требования к материалу и конструкции изделия, пресс-форме и литьевому оборудованию.
Уникальные свойства фторопласта делают изделия из него незаменимыми в химической, электротехнической промышленности, приборостроении, машиностроении, пищевой, легкой и медицинской промышленности, пользуется огромным спросом у нефтеперерабатывающей отрасли. Из фторопласта изготавливают детали, химическую аппаратуру, мембраны, клапаны, прокладки, трубы, отводы, колонны и подшипники, транспортерные ленты и многое др.
Т а б л и ц а 1 Степень кристаллизации и фторопластов
Степень кристалличности, % Плотность при 23°С, г/см3 Степень кристалличности, % Плотность при 23°С, г/см3
40.0 2.12 69.4 2.21
43.2 2.13 72.8 2.22
46.5 2.14 75.2 2.23
49.7 2.15 78.0 2.24
53.0 2.16 80.7 2.25
56.3 2.17 82.6 2.26
59.7 2.18 85.2 2.27
63.1 2.19 89.0 2.28
66.5 2.20 - -
Термореактивные пластмассы (текстолит, карболит пресс-материал Ж3-010-62, АК-4, АГ-17 и др.) при повторном нагреве не переходят в пластическое состояние. Пример реактопластов - это стеклотекстолит. Стеклотекстолиты бывают КАСТ и ВФТ-С.
Изгибающее напряжение при разрушении по основе, МПа Flexural Strengh, break, on warp, MPa 127-132
Прочность при разрыве по основе, МПа Tensile Strength on warp,MPa 211-284
Разрушающее напряжение при сжатии параллельно слоям, МПа Compression Strendth in parallel to layers, MPa 54-64
Ударная вязкость по Шарпи по основе, КДж/м Charpy Impact Strength on warp, KJ/m2 88-113
Модуль упругости при растяжении по основе, МПа Tensile Modulus on warp, MPa 2,1*10 4
Модуль упругости при растяжении по основе, МПа Tensile Modulus on warp, MPa 2,1*10 4
Коэффициент теплопроводности, Вт/м град Coefficient of Thermal Conductivity, W/m*grad
при 20ОС At20ОC 0,29
при 150ОС At 150 °C 0,33
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом см, не менее Volume Resistvity, Ohm*cm,min 3*10 12
Электрическая прочность, КВ/мм, не менее Electric Strength, KV/mm, min 23
Капролон - материал конструкционного и антифрикционного назначения. Применяется в различных отраслях промышленности для изготовления деталей широкой номенклатуры:
1) Подшипников скольжения, втулок, облицовок, направляющих и вкладышей узлов трения, работающих при нагрузке до 20 МПа при смазке маслом, водой или всухую; снижают потери на трение
2) Шкивов, блоков, колес и роликов грузоподъемных механизмов с тяговым усилием до 30 тонн, гидравлических тележек, кран-балок, транспортеров, конвейеров
3) Корпусов, кронштейнов для различных приборов и автоматов, ступиц колес тележек, вагонеток, вакуумных и карусельных фильтров к которым предъявляются повышенные требования по ударостойкости
4) Шестерен, звездочек и червячных колес для автоматов мойки бутылок, разлива и укупорки жидкостей, нанесения этикеток, комбайнов, приводов редукторов; снижают уровень шума и вибрации (до 15 ДБ)
5) Деталей уплотнения (взамен фторопласта) для дозаторов, сепараторов, арматуры, оборудования для РТИ и манжет для систем высокого давления (до 500 атм.)
6) Досок из капролона для обвалочных и разделочных столов для пищевой промышленности
7) деталей конвейерных линий рыбо - и мясоперерабатывающей промышленности, линий для производства напитков [3].
Капролон имеет низкий коэффициент трения в паре с любыми металлами, хорошо и быстро прирабатывается, в 6 - 7 раз легче бронзы и стали, взамен которых он устанавливается. Изделия из капролона в 2 раза снижают износ пар трения, повышая их ресурс. Не подвержен коррозии, допускается к контакту с пищевыми продуктами и питьевой водой, экологически чист.
Рис. 1 Эффективность капролона по сравнению с металлом
1 - Масса
2 - Материалоемкость
3 - Трудоемкость изготовления
4 - Стоимость
5 - Износ вала
Керамика - поликристаллический материал, получаемый спеканием природных глин и их смесей с минеральными добавками, а также оксидов металлов и других тугоплавких соединений. Ситаллы - неорганические материалы, получаемые путем направленной кристаллизацией стекла. Благодаря высоким диэлектрическим свойствам, стойкости в химически активных средах, высоким механическим свойствам эти материалы нашли широкое применение в электронной, радиотехнической электротехнической промышленности, в химической промышленности для футеровки емкостей, в металлообработке для изготовления металлорежущего инструмента, деталей, работающих на истирание с одновременным нагревом - фильер для протяжки проволоки, сопл пескоструйных аппаратов и др.
Окисная керамика, состоящая из чистых оксидов А1303, 7Ю2, сохраняет высокие механические свойства до высоких температур и обладает высокими диэлектрическими
свойствами. Керамику и ситаллы шлифуют инструментом из синтетических и природных алмазов, а также полируют алмазными порошками и пастами. Таким образом, на изделиях из этих материалов получают параметры шероховатости до Ra = 0.008 мкм [4].
Выводы
Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов. Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность. Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.
Знание строения и закономерностей в изменении свойств неметаллических материалов помогает специалистам рационально использовать их в технических конструкциях.
Одной из основных особенностей в строении неметаллических материалов является преобладание ионной либо ковалентной связи между частицами. Отсутствие свободных электронов в виде электронного газа, как это имеет место у металлов, в значительной степени определяет отличие их физических, химических и механических свойств от свойств металлов.
Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Они находят все большее применение в различных отраслях машиностроения
Библиографический список
1. Пачурин Г. В. Структура и свойства неметаллических материалов: Учебное пособие / Г.В. Пачурин, Т.А. Горшкова и др.; Под общ. ред. Г.В. Пачурина. - М.: Форум: НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 104 с.
2. Батышев К.А., Безпалько В.И. Материаловедение и технология материалов: Учебное пособие Под ред. А.И. Батышева, А.А. Смолькина. - М.: НИЦ ИНФРА-М, 2013 -288 с.
3. Тимофеев В.Л. Технология конструкционных материалов: Учеб. пос. / В.Л.Тимофеев, В.П.Глухов и др.; Под общ. ред. проф. В.Л.Тимофеева - 3-е изд., испр. и доп. - М.:НИЦ ИНФРА-М, 2014-272с.
4. Зуев А.А. Технология машиностроения. Учебник для вузов. 2-е изд., исп. и доп. -СПб.: Издательство "Лань", 2003. - 496 с.
