Неметаллические материалы, применяемые в машиностроении

Категория:
Промышленные материалы


Неметаллические материалы, применяемые в машиностроении

Неметаллические материалы широко используются в машино- и приборостроении; они разделяются на две основные группы: материалы неорганического происхождения (керамические материалы, минеральное стекло и силикаты, материалы на основе асбеста, слюды, каолина) и материалы органического происхождения. Последние имеют наиболее широкое распространение как конструкционные материалы. К ним относятся древесные материалы, уголь, кокс, графит (непластические материалы); пластические материалы — пластмассы, волокна, лаки на основе по-лимеризационных и конденсационных смол, а также асфальто-битум-ные материалы; материалы на основе каучука (резина и эбонит); лаки и краски; смазочные масла. Некоторые неметаллические материалы представляют композиции из веществ неорганического и органического происхождения (например, стеклотекстолит, асбовинил и др.), поэтому не все материалы можно всегда строго разделить по этому признаку.

Различные неметаллические материалы используются как конструкционные для изготовления из них полностью деталей и изделий (причем в ряде случаев с успехом могут заменять как черные, так и цветные металлы), в сочетании с металлическими деталями (например, в автомобильных покрышках), или как средство защиты от коррозии.

Ниже рассмотрены наиболее распространенные в машиностроении неметаллические материалы.

Материалы на основе древесины

Натуральная древесина. Древесина различных пород (сосна, ель, кедр, пихта, береза, ольха, липа, дуб, бук, клен, самшит и др.) в машиностроении применяется в натуральном виде (после сушки) для изготовления модельных комплектов в литейном производстве, кузовов автомобилей, многих деталей вагонов и судов, различных сельскохозяйственных, текстильных, химических и других машин, аппаратов и приборов.

Широкое использование древесина находит в связи с ее дешевизной, достаточными для ряда деталей механическими, физическими и химическими свойствами.. Древесина имеет сравнительно высокую твердость, прочность, упругость, малый объемный вес (0,35—0,75, реже 1,0—1,25), она устойчива к органическим кислотам, их солям, спиртам, многим растительным и минеральным маслам. Кроме того, некоторые технологические свойства древесины обеспечивают получение из нее нужных изделий: она легко обрабатывается всеми видами режущих инструментов, хорошо изгибается (особенно в нагретом состоянии), поддается отделке и достаточно прочно удерживает покрытия (лаки, краски).

К недостаткам древесины относится ее анизотропность от волокнистого строения, гигроскопичность (вызывающая изменение ее свойств и формы изделия), резкое ухудшение свойств при температурах выше 120—130°.

Материалы на основе древесины. Свойства древесины могут быть значительно улучшены при специальной обработке ее. В результате такой обработки, состоящей из механического, химического или термического воздействия на древесину получаются новые древесные материалы, обладающие лучшими свойствами.

Лигностон — цельная пластифицированная древесина. Отличается значительным улучшением физико-механических свойств и стабильностью формы по сравнению с исходной древесиной. Лигностон изготовляют горячим прессованием чистой древесины или предварительно пропитанной (например, 20% раствором глюкозы) под давлением 150—300 кг/см2 и температуре 130—140°. Под влиянием этого воздействия древесина пластифицируется (приобретает пластичность). Лигностон используют для изготовления челноков в текстильной промышленности, некоторых видов подшипников (для замены более дорогостоящих бронзы и текстолита) и пр.

Шпон — тонкие деревянные листы, получаемые путем строгания (толщина 0,6—1,5 мм), пиления (толщина 1—2 мм) или лущения (снятие непрерывной ленты толщиной 0,5—2 мм с вращающегося кряжа). Путем склеивания нескольких слоев лущеного шпона получают клееную фанеру; при склеивании листы шпона (в количестве обычно от 3 до 9) накладывают друг на друга, располагая их волокна перпендикулярно. Клееная фанера изготовляется главным образом из березового, ольхового, букового или соснового шпона. Для получения водостойкой и прочной фанеры применяют фенолформальдегидный клей, менее прочная и водостойкая фанера получается при склеивании альбумино-казеиновыми клеями. Для изготовления многослойной плиточной фанеры склеивают 11 и более слоев шпона; толщина таких фанерных плит 25—30 мм.

Лигнофоль и дельта-древесину — слоистые пластики— изготовляют прессованием (при давлении 110—250 кг/см2 и температуре 110—160°) березового шпона, пропитанного раствором феноло- или крезолоформальдегидной смолы. Эти материалы выпускаются в виде листов, плит, круглых болванок, подвергаемых обработке резанием, а также в виде цельнопрессованных изделий. Лигно-фоль и дельта-древесина применяются в электромашиностроении, как силовой и электроизоляционный материал, для вкладышей подшипников взамен цветных металлов, в самолетостроении и пр.

Пластические массы

Использование пластических масс в машино- и приборостроении имеет важнейшее народнохозяйственное значение. По семилетнему плану на 1959—65 гг. объем выпуска химической продукции увеличивается в три раза, а применение синтетических материалов в машиностроении — в пять раз при общем увеличении продукции машиностроения в два раза.

Пластическими массами (пластмассами) называют обширную группу конструкционных материалов, основу которых составляют связующие — искусственные (синтетические) или природные высокомолекулярные соединения. К искусственным относятся продукты полимеризации (винипласты, стиропласты, акрипласты) и поликонденсации (фенопласты, аминопласты, силипласты). К природным -относятся продукты обработки природных полимеров (целлопласты, например целлулоид), а также асфальты и пеки (битумопласты). Преимущественное применение имеют искусственные полимеры.

Синтетическими веществами называют вещества, получаемые путем синтеза (соединения) простых органических веществ. Метод поликонденсации характерен выделением некоторых простых побочных продуктов (например, воды, аммиака); реакции полимеризации низкомолекулярных веществ не сопровождаются выделением каких-либо побочных продуктов. Продукты полимеризации и поликонденсации, используемые для изготовления пластмасс, называют синтетическими смолами. Полимеризационные смолы получают при реакции полимеризации этилена, стирола, эфиров а к р и-новой и метакриновой кислот и др.; они имеют, соответственно, названия, названия полиэтилен, полистирол, полиакрил и т. п. Поликонденсационные смолы получают при реакции поликонденсации некоторых веществ, например фенолов (фенолы, крезолы, ксиленолы и др.) с альдегидами (формальдегид, ацетальдегид, бензальдегид и др.), — фенолоформальдегидные, крезолофор-мальдегидные, и т.п.; глицерина с фталиевой кислотой — глифталь; мочевины с муравьиным альдегидом — мочевиноформальдегидные и др.

По отношению к нагреву искусственные смолы разделяют на термореактивные и термопластические. Термореактивные смолы при некоторых температурах превращаются в неплавкие и нерастворимые (в органических растворителях) продукты; такие же свойства имеют и изделия из них; типичными представителями смол этой группы являются фенолоальдегидные и мочевиноаль-дегидные. Термопластические смолы (большинство полимеризацион-ных смол — полиэтилен, полистирол, поливинилацетат и др.) не теряют способности размягчаться и растворяться после многократного нагревания.

Производство изделий из пластмасс основано на высокой пластичности исходных смол.

Кроме смол, в состав пластмасс могут входить наполнители, а также красители, пластификаторы и другие вещества; такие пластмассы называют сложными или композиционными.

Многие пластмассы изготовляют из смолы без наполнителя, такие пластмассы называют простыми.

Рис. 1. Схема получения изделий из пластмасс методом горячего прессования: положение пресс-формы перед рабочим ходом (а) и положение в конце рабочего хода (б)

Рис. 2. Схема получения изделий из пластмасс методом литья под давлением: положение рабочей зоны литьевой машины перед рабочим ходом (а) и в конце рабочего хода (б)

В готовом виде изделия из пластмасс достаточно прочны при малом удельном весе (обычно 1,15—1,45 г/см3) и имеют высокие диэлектрические, фрикционные или антифрикционные свойства, химическую стойкость, прозрачность; поэтому изделия из пластмасс широко применяются в различных отраслях машиностроения.

Способы производства изделий из пластмасс. Главными способами получения изделий из пластмасс в машиностроении являются горячее прессование и литье под давлением.

При горячем прессовании подготовленный пресс-материал в виде сыпучего порошка (или волокна) подается в полость нагретой матрицы и под давлением пуансона заполняет полость пресс-формы и превращается в изделие.

При литье под давлением (рис. 2) исходный материал засыпают в бункер, откуда он плунжером подается в гильзу на обогрев и через сопло под давлением поступает в пресс-форму. Температура пресс-форм всегда ниже температуры поступающего пластического материала (что особенно важно для термопластических смол) — тогда изделие быстро охлаждается и сохраняет приданную форму. Температура формирования и давление зависят от применяемого материала, конструкции и размеров пресс-формы. В качестве примера можно

указать, что для полистирола температура на выходе из сопла литьевой машины составляет 150—215°, удельное давление в цилиндре литьевой машины 800—1500 кг/см,2; для полиэтилена, соответственно, 175—260° и 70—200 кг/см2.

Изделия из некоторых видов пластмасс изготовляются методом литья без давления.

Физико-механические свойства пластмасс и примеры их применения. Композиционные пластмассы содержат волокнистые, листовые или порошкообразные наполнители. Применение в качестве наполнителей волокнистых материалов (хлопковые очесы, асбестовое и стеклянное волокно), а также листовых материалов (бумаги, хлопчатобумажной и асбестовой ткани или деревянного шпона) позволяет получить изделия с механической прочностью и ударной вязкостью, не уступающими в отдельных случаях прочности бронзы, чугуна и других металлов. Волокнистые и листовые наполнители применяют чаще всего в сочетании с фенолоформальдегидными смолами.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями (волокниты) находят широкое применение в производстве деталей, требующих высокой прочности (например, для сильно нагруженных корпусов приборов) и стойкости на удар, деталей с фрикционными свойствами (например, тормозных колодок) при асбестовом наполнителе.

Пластмассы с листовыми наполнителями (слоистые пластмассы), содержащие бумагу, называют гетинаксом, с тканью — текстолитом, с древесным шпоном — лигнофолем и дельта-древесиной.

Гетинакс наряду с высокой прочностью имеет хорошие диэлектрические свойства, он применяется для изготовления электроизоляционных деталей (панелей, токораспределительных устройств, крепления токоведущих частей и т. п.).

Текстолит используют для вкладышей подшипников, зубчатых-колес, втулок, колец, амортизационных и уплотнительных прокладок, рамок, стоек и др.

Асботекстолит (с прессованной асбестовой тканью) обладает высокой теплостойкостью и фрикционными свойствами, применяется для фрикционных деталей сцепления и тормозных устройств.

Порошкообразные наполнители (древесная мука, целлюлоза, слюда, кварцевая мука, маршалит и др.) в сочетании с различными смолами составляют обширную группу пластмасс с различными свойствами. Фенолоформальдегидные смолы используют в сочетании с древесной мукой (например, фенопласты К-17-2, К-18-2, К-19-2 и др.), с асбестом и слюдой (например, К-18-23); мочевинофор-мальдегидную смолу смешивают с целлюлозой и красителями (амино-пласт); сплав фенолоформальдегидной и анилиноформальдегидной смол, смешивают с кварцевой мукой и слюдой (К-211-4) и пр. Фенопласты обладают удовлетворительной механической прочностью и применяются для изготовления деталей с металлической арматурой и без нее; из фенопластов изготовляют корпусные детали электроаппаратуры, осветительную арматуру, рукоятки электро- и радиоприборов, детали телефонных аппаратов и пр. Материал К-18-23 обладает повышенной кислото- и водостойкостью и применяется для деталей приборов, работающих в тропических условиях. Аминопласт применяется для тонкостенных деталей несложной формы (таблички, шкалы, кнопки, посуда и пр.). Пресс-порошки К-211-4 теплостойки и работают при повышенной частоте тока, применяются для цоколей радиоламп, конденсаторов и т. п.

Наряду с композиционными пластмассами широкое применение имеют простые пластмассы, не содержащие наполнителей.

Полиэтилен отличается рядом ценных свойств: отличной гибкостью, высокой стойкостью к действию концентрированных кислот и щелочей, высокой электрической прочностью. Применяется для деталей аппаратов в химической промышленности в виде прессованных и литых труб, вентилей, кранов; для изоляции электропроводов и кабелей, для деталей высокочастотных устройств радиоаппаратуры.

Полистирол имеет высокую водостойкость, стойкость к слабым кислотам и щелочам, хорошие высокочастотные характеристики. Применяется для медицинской и химической посуды, деталей холодильников, электроизоляционных деталей (каркасы катушек, детали конденсаторов, панели).

Винипласт (полихлорвиниловая смола с добавками) обладает хорошей химической стойкостью, водостойкостью, высокой ударной вязкостью и прочностью, приклеивается к дереву и к металлу. Используется для деталей кислотных насосов, трубопроводов и других деталей в аппаратуре, где имеются агрессивные среды.

Органическое стекло (полимер метилового эфира ме-такриновой кислоты) отличается от минерального стекла меньшей -хрупкостью, лучшими оптическими качествами; применяется для остекления самолетов, судовых иллюминаторов, приборов.

Целлулоид технический (нитроцеллюлоза с добавками) отличается прозрачностью, пониженными диэлектрическими свойствами; легко горит. Применяется для изготовления чертежных инструментов, остекления некоторых приборов и планшетов. Целлулоид галантерейный содержит минеральные наполнители.

Пенопласт — ячеистый пластический материал с малым объемным весом. Изменяя размеры и количество ячеек, получают пенопласта с объемным весом от 0,05 до 0,8 г!см3. Для образования ячеистых материалов используют два основных компонента: смолу и газо-образователь (профор) — вещество, разлагающееся при нагревании с выделением большого количества газов. Пенопласта изготовляют на основе термореактивных и термопластических смол и используют для теплоизоляции (в холодильниках, изотермических вагонах) и звукоизоляции (например, при строительстве радиостудий).

Резина и резиновые изделия

Различные сорта резины и эбонита обладают особыми по сравнению с другими материалами физико-химическими и механическими эксплуатационными свойствами. Применение резины и эбонита в различных отраслях машиностроения весьма распространено.

Важнейшими техническими характеристиками резины являются высокая эластичность (удлинение при растяжении достигает 700— 800%); хорошая вибростойкость (поглощение колебаний); повышенная химическая стойкость против Щелочей, кислот и пр.; достаточная механическая прочность (сопротивление разрыву 200—250 кг/см2).

Резиновые изделия в машиностроении широко применяются для оснащения движущихся устройств (шины, ремни, ленты), передаточных устройств (напорные и всасывающие рукава, соединительные шланги), в качестве изделий, несущих нагрузку (подвески, опоры, буфера, резиновые подшипники), в качестве уплотнителей (сальники, манжеты, прокладочные пластины и кольца), для электроизоляции и пр.

Эбонит применяется для изготовления банок аккумуляторов, изоляционных трубок, деталей аппаратуры связи и пр.

Исходные материалы для резиновых изделий. Резиновые изделия получают путем вулканизации каучука (эластичная основа) с серой и другими веществами-наполнителями (сажа, мел, каолин), мягчите-лями (смолы, углеводороды) и пр.

Различают натуральный и синтетический каучук. Натуральный каучук получают из млечного сока каучуконосных растений. Синтетический каучук, вещество по свойствам близкое к натуральному, получают путем синтеза простых органических веществ. Промышленные виды синтетического каучука, которых насчитывается несколько десятков, отличаются между собой как по исходному сырью и методам производства, так и по составу и физико-механическим свойствам. Производство синтетического каучука складывается из двух основных процессов: получения каучукогенов (бутадиен, стирол, хлоропрен, акрилонитрил, изобутилен и др.) и полимеризации последних в каучукоподобный продукт. Сырьем для получения каучукогенов являются нефтепродукты, природный газ, ацетилен, древесина и др. При полимеризации каучукогены из низкомолекулярных веществ превращаются в высокомолекулярные соединения с типичными для каучука физико-химическими и технологическими свойствами. Производство синтетического каучука впервые в мире разработано русским химиком С. В. Лебедевым в 1910 г.

Изготовление резиновых изделий. Процесс производства резиновых изделий складывается из приготовления резиновых смесей (сырой резины), изготовления полуфабрикатов из сырой резины, вулканизации и отделки изделий.

Для приготовления сырой резины каучук разрезают на куски и вместе с другими составляющими пропускают через специальные смесители. Полученная сырая резина представляет однородную пластичную массу, которой легко придается желаемая форма путем выдавливания в червячном прессе, прессования в формах, литья под давлением и пр. Для вулканизации полуфабрикаты нагревают до температуры около 140°, в результате чего сера вступает в соединение с каучуком и полуфабрикат теряет пластичность и приобретает эластичность. Для изготовления мягкой резины (автомобильные камеры, мячи и пр.) в каучук вводится 1—3% серы; при большем содержании серы получается твердая резина. Для получения эбонита серу вводят з количестве около 45%.

Смазочные масла, лаки и краски

Смазочные масла являются продуктами растительного, минерального или животного происхождения, а также смесями различных масел. Они обладают способностью создавать между трущимися поверхностями деталей прочную пленку, выдерживающую без разрыва большие нагрузки; применяются для смазки узлов машин и механизмов с целью уменьшения трения. Наибольшее распространение имеют минеральные масла, получаемые путем перегонки мазута, после чего производится их очистка с целью удаления вредных для смазочных масел примесей.

Различают масла компрессорные, турбинные, цилиндровые и др.

Основной характеристикой масел является вязкость (или внутреннее трение) — свойство оказывать сопротивление при перемещении одной части масла относительно другой.

Лаки и краски — наиболее распространенные материалы для защитных и декоративных покрытий. Лаки состоят из нелетучих веществ — пленкообразователей — и из летучего растворителя; они изготовляются на основе природных или синтетических смол. В качестве растворителей применяют эфирные масла, спирты, бензин, жирные масла, скипидар и пр.

Пленки лаков окрашивают поверхность, сохраняя прозрачность. Лаки наносятся или на окрашенную поверхность, или без предварительной окраски путем пульверизации, погружения, обливом или кистью.

Смеси лаков с сухими нерастворимыми красками — пигментами — называются эмалевыми красками, которые более устойчивы, чем лаки. Пигментами являются руды металлов, глины и другие горные породы. Окраску пигментов определяют окислы железа, марганца и других металлов, а также органические вещества. В зависимости от характера лака эмалевые краски разделяются на масляные эмали, тертые на масляных лаках, нитроэмали — на лаках из эфиров целлюлозы, спиртовые эмали — на спиртовых лаках.

Масляные краски изготовляются путем растирания пигментов в маслах или олифах. Полученные густотертые пастообразные краски для создания рабочей консистенции разбавляют олифой.

Кроме лаков и красок, в технике покрытий применяют вспомогательные материалы: шпаклевки для выравнивания поверхности, грунтовки для покрытия поверхности первым слоем, смывки для удаления краски и др.

Из неметаллических материалов в машиностроении применяют древесину, пластические массы, резину, асбест, масла, краски и некоторые другие.

Древесина — хороший строительный материал, получаемый из стволовой части деревьев. Главные достоинства древесины — прочность, дешевизна и малый удельный вес (от 0,35 до 0,75 Г/см3). По сравнению с металлами древесина имеет малую твердость и хорошо поддается различным видам обработки: пилению, строганию, резанию, раскалыванию. Древесина имеет волокнистое строение. Прочность древесины неоднородна. Вдоль волокон она гораздо выше, чем в поперечном направлении, и зависит от породы деревьев, которые делятся на твердые и мягкие.

К твердым породам относятся дуб, бук, ясень и клен, к мягким — сосна, ель, липа, осина, ольха.

Свежесрубленная древесина содержит до 40—60% влаги, обладает пониженной прочностью, и поэтому перед обработкой ее высушивают на воздухе или в сушильных камерах.

По качеству и назначению древесину разделяют на деловую и топливо. Деловая древесина в свою очередь делится на круглую (бревна, подтоварник, жерди) и пиленую (доски, пластины, брусья). В машиностроении применяют чаще всего пиленую древесину. Из досок делают обшивку железнодорожных вагонов, кузовов грузовых автомашин и т. п.

Чтобы повысить прочность древесины, из нее изготовляют фанеру — переклейку. Склеивая три или несколько слоев лущеной фанеры (фанерного шпона) так, чтобы направление волокон различных слоев пересекалось, получают более прочный материал, чем доски.

Деревянные детали соединяют между собой склеиванием, а также гвоздями, шурупами, болтами и «в шип» (шиповая вязка).

Недостатками древесины являются малая по сравнению с металлами прочность, подверженность гниению, способность легко воспламеняться и впитывать в себя влагу. Предохранение древесины от гниения достигается пропитыванием различными веществами (креозот). Имеются также способы повышения огнестойкости древесины и уменьшения ее гигроскопичности,

Пластические массы: карболит, текстолит, плексиглас, гетинакс, лигиофоль и др. — материалы, полученные из веществ органического происхождения. При малом удельном весе (1—2 Г/см3) они имеют прочность, прозрачность (плексиглас), высокие диэлектрические свойства (карболит, текстолит), фрикционные или антифрикционные качества, химическую стойкость.

Пластмассы состоят обычно из наполнителя (древесная мука, слюда, текстильные и асбестовые волокна, бумага, ткань, древесина) и вяжущего вещества (смола). В стальных пресс-формах вяжущее вещество расплавляется, склеивает частицы наполнителя и образует пластичную массу, заполняющую форму. Пластичность этих материалов при повышенной температуре позволяет изготовлять из них детали наиболее производительными методами (прессованием). Детали, изготовленные прессованием из пластических масс, имеют точные размеры, красивый внешний вид и не требуют механической обработки.

Пластмасса, содержащая ткань, называется текстолитом и идея на изготовление зубчатых колес, работающих бесшумно, втулок, панелей, вкладышей подшипников. Из гетинакса, содержащего бумагу и обладающего прекрасными электроизоляционными качествами, изготовляют детали электрооборудования, в том числе высоковольтного. Лигнофоль получается прессованием пластмасс и древесины и употребляется для изготовления уплотнительных прокладок, вкладышей подшипников и др. Из карболита изготовляют электрическую арматуру — выключатели, розетки, штепсельные вилки, патроны для ламп, детали приборов и др.

Плексиглас находит широкое применение в авиации для остекления кабин самолетов, а также в автомобилестроении, приборостроении и в быту.

Пластические массы — дешевые материалы, обладающие высокими механическими и технологическими свойствами, все шире применяются в машиностроении для замены различных металлов и сплавов.

Резина — материал, обладающий высокой эластичностью (удлинение при растяжении достигает 700—800%) и прочностью. Это делает резину незаменимой для изготовления пневматических шип на автотранспорте, гибких шлангов, ремней, прокладок и т. п. Изготовляют резину из натурального и синтетического каучука, смешивая его с серой и наполнителями (сажа, мел, каолин) и подвергая нагреванию до температуры около 140° (вулканизация).

При большом содержании серы в каучуке (до 45%) из него получают эбонит — прекрасный электроизолирующий и химически стойкий материал.

Асбест (горный лен) — материал, основными особенностями которого являются огнестойкость (выдерживает температуру до 1500°), тепло- и электроизолирующие свойства, сочетающиеся с достаточной гибкостью волокон. Кроме того, асбест не поддается воздействию кислот и щелочей. Из асбеста изготовляют огнеупорные прокладки, а также его используют в нагревательных устройствах в качестве изолятора (электрические паяльники, плитки) и для приготовления строительных материалов (асбошифер, асбофанера).

Масла. Для уменьшения трения между подвижными соприкасающимися деталями работающей машины, а также для охлаждения трущихся частей и удаления продуктов износа деталей применяют смазочные масла. Создавая между трущимися частями машины тонкую пленку, они уменьшают потери работы на трение и износ деталей, увеличивают срок службы машины. В зависимости от назначения масла бывают жидкими и загущенными с различными свойствами: вязкостью, стабильностью, температурами плавления, застывания, воспламенения, наличием механических примесей.

Краски служат для придания изделиям красивого вида и предохранения от коррозии. Наиболее часто применяются масляные краски и нитрокраски, высыхающие в течение всего нескольких часов. Поверхность изделия перед окраской обязательно должна быть хорошо очищена от окислов, воды, масла и грязи. Слой краски на изделие наносится кистью или краскопультом (краскораспылитель).


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум