Вопрос 25
Специальные методы получения заготовок в машиностроении: порошковая металлургия; неметаллические материалы на основе пластмасс; композиционные материалы. Их области применения, сравнительные характеристики.
Порошковая металлургия — технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов: производство порошков, смешивание порошков, уплотнение (прессование, брикетирование) и спекание.
Применяется как экономически выгодная замена механической обработки при массовом производстве. Технология позволяет получить высокоточные изделия. Также применяется для достижения особых свойств или заданных характеристик, которые невозможно получить каким-либо другим методом.
Порошковая металлургия развивалась и позволила получить новые материалы — псевдосплавы из несплавляемых литьём компонентов с управляемыми характеристиками: механическими, магнитными, и др.
Изделия порошковой металлургии сегодня используются в широком спектре отраслей, от автомобильной и аэрокосмической промышленности до электроинструментов и бытовой техники. Технология продолжает развиваться.
Получение металлических порошков.
Несмотря на разнообразие методов является наиболее трудоемкой и дорогой стадией технологического процесса. Физические, химические и технологические свойства порошков, форма частиц зависит от способа их производства. Вот основные промышленные способы изготовления металлических порошков:
Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах.
Распыление расплавов (жидких металлов) сжатым воздухом или в среде инертных газов. Метод появился в 1960-х годах. Его достоинства — возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.
Восстановление руды или окалины. Наиболее экономичный метод. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды.
Электролитическое осаждение металлов из растворов.
Использование сильного тока приложенного к стержню металла в вакууме. Применяется для производства порошкового алюминия.
В промышленных условиях специальные порошки получают также осаждением, науглероживанием, термической диссоциацией летучих соединений (карбонильный метод) и другими способами.
Изготовление порошковых изделий.
Типовой технологический процесс изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: приготовление шихты (смешивание), формование, спекание и калибрование.
Приготовление смеси.
Смешивание — это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.
Формование порошка.
Формование изделий осуществляем путем холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.
Спекание.
Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).
Калибрование.
Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность.
Дополнительные операции.
Иногда применяются дополнительные операции: пропитка смазками, механическая доработка, термическая, химическая обработка и др.
Неметаллические материалы на основе пластмасс
Пластическими массами, или пластиками, называют органические материалы, которые на определенной стадии производства под действием температуры и давления принимают любую форму, не подвергаясь при этом разрушению.
Главной составной частью пластических масс являются в большинстве случаев полимеры — вещества, состоящие из очень больших молекул, называемых, макромолекулами или высокомолекулярными соединениями. В состав этих молекул входят тысячи и десятки тысяч малых молекул (мономеров), химически связанных друг с другом в длинные цепи.
Полимеры (смолы) являются в основном систематическими материалами, сырьем для получения, которых служат природный газ, нефть, каменный уголь и другие вещества.
Большинство пластмасс представляет сложную комбинацию различных веществ. Кроме полимеров, которые являются связующим веществом, в состав пластмасс входит ряд добавок, позволяющих изменять свойства материала в требуемом направлении. Важнейшей составной частью пластмасс являются наполнители. Они упрочняют материал, сообщают ему некоторые специальные свойства, а также удешевляют его. В пластмассе может содержаться до 70% наполнителя. В качестве наполнителей применяются следующие органические вещества: древесная мука, древесный шпон, бумага, ткани, хлопковые очесы, стружки, опилки и т. д., а также минеральные вещества — кварцевая мука, тальк, асбест, каолин, стекловолокно, стеклоткань и пр.
Органические наполнители, как правило, снижают хрупкость смолы, позволяют сохранять малый удельный вес, повышают прочность, но, в, тоже время, снижают ее водостойкость и термостойкость.
Минеральные наполнители придают пластмассам более высокую теплостойкость и химическую стойкость, улучшают диэлектрические свойства, иногда значительно повышают механическую прочность, особенно стекловолокна. Но одновременно они повышают удельный вес пластмассы и в некоторых случаях увеличивают ее хрупкость (при порошкообразных наполнителях).
Другой важной составной частью пластмасс являются пластификаторы, которые входят в пластмассы для облегчения их переработки в изделия. В качестве пластификаторов применяют дибутилфталат, стеарин, касторовое масло и т. д. Кроме перечисленных веществ, в пластмассы иногда вводят специальные добавки: красители для придания материалу соответствующего цвета; отвердители для ускорения химических реакций; стабилизаторы для уменьшения или устранения процессов разрушения материала под действием тепла или атмосферных условий.
Наряду с пластмассами сложного состава находят применение и пластмассы, которые состоят только из одного полимера, без каких-либо добавок. К ним относятся полиэтилен, капрон, органическое стекло и пр.
Композиционные материалы.
Композиционный материал (КМ), композит — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики и свойства создаваемого изделия зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.
При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают. Например, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера. Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой. Булат — один из древнейших композиционных материалов. В нём тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом.
Материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и прочее.
Список использованной литературы
Маталин А.А.Технология машиностроения: Учебник. 2-е изд., испр. – С.-Пб.: Издательство «Лань», 2008. – 512с.: ил. – (Учебники для вузов).
Допуски и посадки: Справочник. В 2-х ч. /В.Д. Мягков, М.А. Палей, А.Б. Романов, Брагинский. – 6-е изд. Перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1982. – Ч.1, Ч.2.
Обработка металлов резанием: Справочник технолога / А.А. Панов, В.В. Аникин, Н.Г. Бойм и др.; Под общ. Ред. А.А. Панова. – М.: Машиностроение. 1988. – 736 с.: ил.