Министерство образования Российской Федерации
Учебно-методическое объединение по образованию
в области автоматизированного машиностроения
(УМО AM)
ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет
«СТАНКИН»
АО «Институт химических наук им. А.Б. Бектурова»
НАН Республики Казахстан
И.М. Чмырь, Н.Р. Букейханов, П.Б. Воробьев,
Т.П. Михайловская, А.П. Никишечкин
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, МАТЕРИАЛЫ
И МАШИНОСТРОЕНИЕ
Учебное пособие
«Допущено Учебно-методическим объединением
по образованию в области автоматизированного машиностроения
(УМО AM) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки направлениям подготовки
"Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств ", "Автоматизация технологических
процессов и производств"
Москва 2013
УДК 54 (075)474
ББК 24 Я 73
Чмырь И.М., Букейханов Н.Р.,., Воробьев П.Б., Михайловская Т.П., Никишечкин А.П. Химические технологии, материалы и машиностроение. Учебное пособие. – М.: МГТУ «Станкин», 2013. − 206 с.
В учебном пособии обобщены основные направления связей химических технологий и материалов с машиностроением. Показано, что на многих этапах создания, эксплуатации изделий машиностроения и их утилизации на этапах морального и физического износа химия играет одну из ведущих ролей. Многие способы получения материалов базируются на химических процессах; химические составы и технологии широко используют в технологиях обработки материалов, инструментов, придания изделиям товарного вида, предотвращения их коррозии при эксплуатации и хранении. Обоснована значительная роль химии в решении экологических проблем машиностроения.
В то же время показана важная роль машиностроения, продукция которой - реакторы, устройства для дозировки реагентов, рециклинга использованных изделий, системы автоматизации - позволяют осуществлять соответствующие химические процессы.
Предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов машино-строительных вузов.
Рецензенты:
АББРЕВИАТУРА
АБС - акрилонитрил -бутадиен-стирол пластик
АНС - акрилонитрил-стирол
БЭПы - жидкие лакокрасочные системы без растворителей
ВТЭ - водородный топливный элемент
ДВС - двигатель внутреннего сгорания
ЛКМ -лакокрасочные материалы
ЛПЭНП - линейный полиэтилена низкой плотности
МПа - мегапаскаль (0,1 МПа = 1 атм)
ПВДФ - поливинилиденфторид
ПВХ - поливинилхлорид
ПММА - полиметилметакрилат
ПП (полипропилен)
ПС полистирол
ПС - полистирол
ПТФЭ - политетрафторэтилен
ПЭ - полиэтилен
ПЭВД - полиэтилена высокого давления
ПЭНД - полиэтилена низкого давления
ПЭС - полиэфирсульфон
ПЭТ-полиэтилентерефталат
РТИ - резинотехнические изделия
СОЖ - смазывающие и охлаждающие жидкости.
СОТС - смазывающие и охлаждающие технологические средства.
ТЭ - топливный элемент
УУКМ - углерод-углеродные композиционные материалы
ЭХГ - электрохимический генератор
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной индустрии сопряжено с развитием новых научных направлений и технологий — нано-, био-, информационных, когнитивных технологий (NBIC-технологии).Синергизм взаимодействия этих прорывных технологий XXI века с традиционной и новейшей химией позволяет производить новые «умные» материалы и технологии для современных производств, в том числе для машиностроения.
NBIC-технологии, как и все новые технологии, являются технологиями двойного назначения, т.е. могут быть использованы, например, и для изготовления боевого комплекта одежды бойца XXI века, и в производстве изделий машиностроения, медицинских, косметических, спортивных изделий, текстиля для дома, строительных материалов, новых видов композитов и т.д. [27].
Химия и машиностроение имеют множество взаимных связей, которые включают этапы: получение материалов из сырья; придание материалам соответствующих форм и качеств; сборка деталей в сборочные единицы, механизмы, машины; эксплуатация механизмов и машин; ремонт и вторичное использование после стадий физического или морального износа механизмов и машин; «рыночная жизнь» изделий машиностроения в качестве товаров. На всех данных этапах химия выполняет разнообразные прикладные задачи.
Машиностроение, в свою очередь, создает для химической индустрии соответствующее оборудование, на котором и производятся необходимые для него материалы и реагенты, а также реализуются химические технологии обработки материалов и изделий. Особо отметим, что машиностроение создает средства автоматизации технологических процессов, в том числе автоматизации современных химических процессов и производств.
Значительное число методов получения материалов являются химическими; при формообразовании материалов литьем, прессованием, резанием используют химические средства:
●для создания форм в процессах резания, фрезерования, отливки и прессования;
● смазки и охлаждения в процессе обработки материалов;
● придания изделиям специальных свойств таких как гладкая поверхность, повышенная твердость и т.п. химическими методами (азотирование, нитроцементирование, силицирование, цианирование и т.д.);
● на этапах получения композиционных материалов, включая синхронное получение материала и изделия из него; на стадиях сборки деталей в изделия всё шире применяются разнообразные клеящие средства.
Машиностроение - главный потребитель большинства производимых материалов, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет темпами, не имеющими прецедента во всей человеческой истории. При этом изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из них стали производить всё больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов. Полимеры стали также применять при изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки.
Улучшение свойств полимерных материалов достигают созданием композиционных материалов. Свойства последних стали еще более интерес-ными для машиностроения благодаря успехам нанотехнологий. Сегодня производство наномодифицированных композиционных материалов, более прочных и теплостойких, чем сталь, определяет прогресс авиации и космонавтики.
В то же время полимерные материалы сохранили свои позиции при массовом изготовлении обширной номенклатуры деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушки, штуцера, колпачки, рукоятки, шкалы, корпуса измерительных приборов и т.д. Еще одна область, в которой приоритет завоевали полимеры из-за преимущества перед любыми другими материалами, это внутренняя и внешняя отделка изделий машиностроения. Так, почти 75% внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов в настоящее время выполняют из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи.
Для многих машин и аппаратов только использование антикоррозийной обработки или применение не корродирующих синтетических материалов обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. Например, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивают, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическими полиуретановыми или эпоксидными клеями. Эффективность работы современных гальванических ванн обеспечена тем, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.
Широко применяют полимерные материалы в приборостроении, в котором экономический эффект от их использования в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Причина в том, что значительную часть полимеров в приборостроении обрабатывают самыми прогрессивными способами, повышающими уровень их полезного использования и увеличивающими коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Убедительным примером служит автоматизированное изготовление печатных схем на основе полимерных материалов.
Особое место занимают химические технологии в решении вопросов экологии как самого машиностроительного производства, так и в процессе эксплуатации изделий машиностроения и рециклинга морально устаревших и отработанных изделий.
В промышленном производстве невозможно избежать термодинамически обусловленных потерь энергии. Основным направлением обеспечения техносферной безопасности является создание малоотходных производств на основе комплексного использование сырья и энергии, при котором побочные продукты и отходы одного процесса являются сырьем или реагентами другого. Малоотходное производство включает следующие этапы:
1) комплексная переработка сырья;
2) разработка принципиально новых процессов и схем получения известных видов продукции;
3) проектирование бессточных и замкнутых систем водопотребления;
4) рециклинг промышленных отходов;
5) разработка и создание территориально-промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных потоков сырья и отходов.
В книге представлены основные направления применения химии в машиностроении; краткая характеристика типов материалов и области их применения; химические технологии обработки изделий машиностроения; относительно подробно рассмотрены полимерные материалы, клеи, химические подходы к решению проблем герметологии и экологии в машиностроении. Кратко рассмотрено и создание машиностроением устройств для осущест-вления химических производств.
Методической особенностью данного учебного пособия является относительно широкое использование патентной информации. Это обусловлено тем, что для современных студентов благодаря Интернету стал доступным. поиск патентов. Работа с патентами формирует у студентов (будущих инженеров в технических вузах) навыки поиска инновационных решений технических проблем. Алгоритм изложения материалов в патентах методически полезен тем, что он учит критически анализировать позитивные и негативные характеристики работ, аналогичных заявленному в патенте новому решению; умению обосновать преимущества своей заявки перед прототипом. Ценным является также умение графически представлять и кратко формулировать существо предлагаемых новых технических идей.
Обсуждение в работе в основном прикладных аспектов использования достижений химии, химической технологии и технологии машиностроения не должно создавать у студентов впечатления о господстве эмпирического подхода к решению проблем. На самом деле весь приведенный в данном учебном пособии материал доказывает справедливость афоризма известного физика Л. Больцмана: «Нет ничего практичней хорошей теории»
Глава 1. Основные направления применения химических технологий и материалов в машиностроении
1.1. Страницы истории техники
Рис.1.1. «Буран» в полете
25 лет назад стартовал с корпуса ракеты «Энергия» и после выполнения программы успешно в автоматическом режиме приземлился советский космический челнок «Буран». В данной книге не будем обсуждать драматическую судьбу как самого Бурана, так и гигантских потерь в науке и технике в бурные 90-е годы [18].
Оценим вклад химической науки и технологии в создании уникальных материалов, способствовавших реализации проекта «Многоразовая космическая система «Энергия-Буран».
Современные материалы совершенно изменили подход к разработке новых конструкций, проходящий по схеме:
материал → технология → конструкция → оборудование
Создание новой техники требует синхронной согласованной работы материаловеда, конструктора и технолога. Детали и конструкции из полимерных, слоистых и композиционных материалов, гипержаропрочных сплавов зачастую нельзя изготовить по старинке — «выточив из болванки». Свойства изделия должны быть заложены в материал и технологию изготовления еще на стадии его создания.
Авиация была и остается одним из основных двигателей научного и технического прогресса, поскольку каждый новый тип самолетов требует новых, подчас совершенно оригинальных материалов. Институт ВИАМ (Всероссийский институт авиационных материалов) и многие другие институты российской Академии наук и прикладных институтов, университетов и высших учебных заведений по заданиям конструкторов разрабатывают такие материалы.
Но были и другие ситуации, когда полученные в инициативном порядке материалы мотивировали создание принципиально новых конструкций, превосходящих по своим параметрам всё, что существовало до них. Примером служит разработка в 1935 году Г.В.Акимовым и И.И.Сидориным первой высокопрочной стали ЗОХГСА «хромансиль» (в США сталь с аналогичными показателями — 1600—1700 МПа была получена только 25 лет спустя); изготовление в 1937 году С.Т.Кишкиным и Н.М.Скляровым авиационной брони. Их появление сделало возможным изготовление из металла наиболее ответственных деталей самолетов и начать выпуск самого массового самолета Великой Отечественной войны штурмовика Ил-2.
При спуске «Бурана» температура носового обтекателя и передних кромок крыльев в атмосфере могла достигать 1650°С. Имевшийся в 1970-х годах углеродный материал для тепловой защиты не отвечал техническим условиям. Ученые и инженеры проекта решили носовой обтекатель корабля делать точно по американской технологии, но из своих материалов. При координации института ВИАМ (головная организация по проблеме материалов) в качестве армирующих наполнителей использовали углеродную ткань УКМ-8 разработки НИИграфит. В Институте синтетического волокна (ВНИИСВ) специально для этого разработали углерод-углеродную ткань, которую можно было обрабатывать на ручных прошивных машинках. Ткань для обтекателя сначала пропитывали связующим, потом раскладывали и прошивали углеродной нитью, разработанной во ВНИИСВе. Оснастку для изготовления обтекателя спроектировали, сделали и наладили в Институте авиационных технологий (НИАТ). Созданный коллективными усилиями материал назвали ГРАВИМОЛ, по начальным буквам слов «ГРАфит», «ВИам» и «МОЛния».
Однако главный конструктор потребовал разработать для передних кромок крыльев «Бурана» иной углеродный материал, тоже многослойный, но не прошитый, а объемного плетения. Таких тканей в СССР еще не было. ВИАМ разработал на нее техническое задание, по которому ВНИИСВ создал новый единый многослойный объёмный материал толщиной около 2,5 мм.
Опытный завод освоил производство оригинального материала на основе длинных нитевидных кристаллов карбида кремния. В ВИАМе из него сделали термостойкую бумагу для уплотнений, работающих при температурах до 1700°С.
Клеевых соединений в «Буране» было исключительно много. Не только вся теплозащита крепилась не клеях, многочисленные сотовые конструкции тоже создавали склеиванием. Разработали несколько вариантов клея: один
для использования в нормальном технологическом режиме установки плиток. Время его отверждения при нормальной температуре — 50 минут; второй вариант — ремонтный, когда важна более высокая скорость отверждения. Для этого создали состав, который твердел всего за 20 минут. Ещё один вариант имел увеличенное время отверждения. Он мог потребоваться при температуре несколько выше расчетной. Такой «долгоиграющий» клей при нормальной температуре твердел почти за два часа. Если же при монтаже температура оказывалась выше нормативной, то он работал так же, как стандартный [39].
Материалы, прошедшие проверку в авиации, находят применение в машиностроении, электроэнергетике, строительстве, медицине, приборо-строении, а иногда и в неожиданных отраслях. Так, разработанные для космического челнока «Буран» теплозащитные материалы прекрасно работают в пекарнях и на хлебозаводах. Печи, изолированные «космическими» теплозащитными плитками, требуют на четверть меньше энергии по сравнению с обычными. Клеи-герметики, сделанные для того же «Бурана», стали незаменимыми при восстановительном ремонте автомобильных двигателей. Защитные пасты, применяемые для сварки металлов в авиационной промышленности, успешно используют и в других отраслях машиностроения. Число примеров можно значительно увеличить.