3837

11

2.ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

ВМАШИНОСТРОЕНИИ

Определяющими параметрами металлов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества металлов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.

Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд (орудия труда и охоты, утварь, украшения и др.) ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 века и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и появление в конце 19 века двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др. Основным конструкционным материалом стали металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова.

С возникновением самолетостроения широкое распространение получили малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники потребовало создания новых жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основах, сталей, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах. Совершенствование техники на каждом этапе развития предъявляло новые, непрерывно усложнявшиеся требования к металлическим сплавам (температурная стойкость, износостойкость, электрическая проводимость и др.). Например, судостроению необходимы стали и сплавы с хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью, а химическому машиностроению – с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Развитие атомной энергетики связано с применением конструкционных материалов обладающих не только достаточной прочностью и высокой коррозионной стойкостью в различных теплоносителях, но и удовлетворяющих новому требованию – малому поперечному сечению захвата нейтронов.

К металлическим конструкционным материалам относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали. Исключение составляют стали, не используемые в силовых элементах конструкций: инструментальные стали, для нагревательных элементов, для присадочной проволоки (при

12

сварке) и некоторые другие с особыми физическими и технологическими свойствами. Стали составляют основной объём металлических сплавов, используемых техникой. Они отличаются широким диапазоном прочности - от 200 до 3000 МПа, пластичность сталей достигает 80 %, вязкость – 3 МДж/м2. Конструкционные стали выплавляются в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах. Для дополнительной рафинировки применяются продувка аргоном и обработка синтетическим шлаком в ковше.

Стали ответственного назначения, от которых требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, вакуумно-индукционным и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях - улучшением кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки) вытягиванием из расплава.

Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 0С в окислительных средах, и др. Прочность чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 МПа (чугаль) до 1350 МПа (легированный магниевый чугун).

Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000-1100 0С. Выплавляются в вакуумно-индукционных и вакуумнодуговых, а также в плазменных и электроннолучевых печах. Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Прочность алюминиевых сплавов составляет: деформируемых до 750 МПа, литейных до 550 МПа, по удельной жёсткости они значительно превосходят стали. Служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др.

Магниевые сплавы отличаются высоким удельным объёмом (в 4 раза выше, чем у стали), имеют прочность до 400 МПа и выше; применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др.

Титановые сплавы начинают успешно конкурировать в ряде отраслей техники со сталями и алюминиевыми сплавами, превосходя их по удельной прочности, коррозионной стойкости и по жёсткости. Сплавы имеют прочность до 1600 МПа и более. Применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.

Вопросы для самоконтроля 1. Область применения сталей.

13

2.Область применения чугунов.

3.Область применения никелевых и кобальтовых сплавов.

4.Область применения алюминиевых сплавов.

5.Область применения магниевых сплавов.

6.Область применения титановых сплавов.

14

3.СОВРЕМЕННЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Понятие «неметаллические материалы» включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.

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. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является великий русский химик А.М. Бутлеров. Промышленное производство первых синтетических пластмасс (фенопластов) явилось результатом глубоких исследований, проведенных Г.С. Петровым (1907–1914 гг.).

Пластическими массами (пластмассами, пластиками) принято называть материалы, представляющие собой композицию полимера или олигомера с различными ингредиентами, находящуюся при формовании изделий в вязкотекучем или высокоэластическом состоянии, а при эксплуатации - в стеклообразном (аморфном) или кристаллическом состоянии. В качестве ингредиентов могут входить наполнители: тальк, каолин, слюда, древесная мука, стеклянные, органические, углеродные и др. волокна; пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и т.д.

По характеру связующего вещества пластики подразделяются на термопластичные пластмассы (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные пластмассы (реактопласты), т.е. неразмягчающиеся.

Применение пластмасс (пластиков) в конструкции автомобилей приобретает все более широкие масштабы. Это объясняется в первую очередь тем, что по ряду показателей – плотности, коррозионной стойкости, антифрикционным и электротехническим, а также технологическим свойствам – пластики значительно превосходят традиционные материалы, используемые при из-

15

готовлении автомобиля. За последние 10 лет произошли принципиальные сдвиги в области применения пластмасс в автомобилестроении. Ранее из пластиков изготавливали детали только электротехнического, декоративного назначения.

Автомобилестроение стабильно и неуклонно развивается, несмотря на кризисы и колебания курсов — это одна из «осевых» отраслей, определяющих и формирующих дух современной цивилизации. Автомобильная промышленность постоянно повышает требования к функциональности, качеству и безопасности базовых материалов и требует своевременного создания новых композитов, сочетающих в себе максимум полезных свойств.

Композитные материалы из базальтовых волокон и углеволокна в настоящее время полностью отвечают актуальным требованиям автомобилестроения. Производство любого узла современного автомобиля по определению не может обойтись без применения композиционных материалов. Практически у каждого автопроизводителя существуют «концепт-кары», корпус и «начинка» которых почти полностью выполнены из композитов.

Композиционные материалы, применяемые в автомобилестроении:

–армирующие ткани и изделия из непрерывных волокон: бамперы, спойлеры, обтекатели, декоративные панели, днище, элементы защиты корпуса и, конечно, торпеда;

–композиты для тормозных колодок, дисков сцепления (фрикционных), всевозможных уплотнителей двигателя;

–армирующий композит для покрышек – базальтовое волокно обладает высочайшей прочностью «на разрыв». Автопокрышки с композитным кордом дешевле и «экологичней» в утилизации;

–полимерные карбоволокниты по мере удешевления их производства все чаще используются в производстве кузовов и шасси. Карбоволокниты также пригодны для изготовления сверхнадежных тормозных дисков;

–композиционные материалы для термоизоляции и звукоизоляции салона и двигателя. В последнее время звукоизоляция глушителя все чаще осуществляется с помощью иглопробивных холстов из базальтовых волокон.

Основные факторами, обусловливающими значительное внедрение пластмасс в конструкцию автомобилей, являются:

1. Машина становится легче, следовательно снижается расход топлива. 2. Открывается возможность для новых конструкционных решений, поскольку термопластичные полимеры легко поддаются переработке и, следовательно, позволяют воплотить любые дизайнерские идеи. Благодаря это-

16

му можно получать детали самых хитроумных форм и цветов без дополнительных операций по механической обработке и окраске.

3.Применение пластиков помогает не только отказаться от дорогостоящих цветных металлов и нержавеющих сталей, но и сократить энерго- и трудозатраты в процессе производства, а значит, снизить стоимость автомобиля.

4.Повышение долговечности и эксплуатационных характеристик авто-

мобиля.

Основным направлением расширения применения пластмасс в конструкции автомобиля является внедрение крупногабаритных наружных деталей кузова из композиционных полимерных материалов, обеспечивающих снижение массы и повышение долговечности за счёт коррозионной стойкости. Разработка высокопрочных композиционных материалов с полимерной матрицей и стеклянными, углеродными и другими волокнами позволила перейти

киспользованию их в нагруженных силовых деталях, таких как карданные валы, рессоры, обода колёс.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс склонность к старению.

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Она как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку – главному исходному компоненту резины, способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000 %), которые почти полностью обратимы. При комнатной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

Основой всякой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физико-механических свойств каучуков вводятся различные добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и ингредиентов.

Противостарители (антиоксиданты) замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Существуют противостарители химического и физического действия. Действие первых заключается в том, что они задерживают окисление каучука в результате окисления их самих или за счет разрушения образующихся перекисей каучука (применяются альдольнеозон Д и др.). Физические противостарители (па-

17

рафин, воск) образуют поверхностные защитные пленки, они применяются реже. По назначению резины подразделяют на резины общего назначения и резины специального назначения (специальные).

Вопросы для самоконтроля

1.Когда появились первые синтетические полимеры?

2.Что такое полимер?

3.Что представляет собой пластмасса?

4.Какие положительные эффекты возникают при применении неметаллических материалов?

5.Что такое резина?

6.Каков состав современных резин?

18

4. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК ЗАМЕНИТЕЛЕЙ ТРАДИЦИОННЫХ МЕТАЛЛОВ

Композиционные материалы получили широкое применение благодаря своим особым свойствам и отличным эксплуатационным характеристикам. В отличие от классических материалов, композиты более долговечны, имеют прочную структуру и малый вес, а с развитием технологий производства становятся более дешевыми, при этом не теряя своего качества.

На основе композитов разработано большое количество материалов и конструкций, которые широко применяются как в тяжелой, так и в легкой промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам композиты обеспечивают изделию и конструкции высокую прочность, износостойкость, жесткость и в то же время легкость и малый вес.

Композиционные материалы – материалы будущего. После того как современная физика металлов подробно разъяснила нам причины их пластичности, прочности и ее увеличения, началась интенсивная систематическая разработка новых материалов. Это приведет, вероятно, уже в вообразимом будущем к созданию материалов с прочностью, во много раз превышающей ее значения у обычных сегодня сплавов. При этом большое внимание будет уделяться уже известным механизмам закалки стали и старения алюминиевых сплавов, комбинациям этих известных механизмов с процессами формирования и многочисленными возможностями создания комбинированных материалов.

Два перспективных пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы. Композиционный материал – конструкционный (металлический или неметаллический) материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала.

Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материа-

19

лы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т. д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т. д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

Композиционные материалы с неметаллической матрицей, а именно полимерные карбоволокниты используют в судах и в автомобилестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты применяют для изготовления деталей авиационной техники, аппаратуры для химической промышленности, в рентгеновском оборудовании и другом.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.).

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрорадиопромышленности, авиационной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и другое.

Спектр применения композитов в повседневном окружении современного человека настолько велик, что одно только перечисление групп потре-

20

бительских товаров займет не одну страницу. Композиты делают повседневную жизнь безопасней, мобильней, здоровее, удобней, да и просто красивей.

Товары народного потребления – громадный рынок с множеством тенденций и закономерностей. Одним из актуальнейших трендов на этом рынке становятся товары, в производстве которых применяются композиционные материалы. Этот процесс не случаен и во многом закономерен, поскольку конкурентная борьба технологий – это, прежде всего, функциональные и потребительские параметры:

–высочайшая пластичность и легкость в промышленной обработке;

–высокая прочность композитов при всех основных видах нагрузок;

–отличная термостойкость и пожарная безопасность в быту;

–малый вес изделий из полимерных композитов;

–сравнительно низкая цена товаров;

–абсолютная открытость к новаторскому и экспериментальному современному дизайну.

Композиционные материалы прочно вошли в привычный мир человека,

иобласти их применения со временем только расширяются: от элементов интерьера и большинства бытовых приборов до товаров для здоровья и медицинских приборов. Спектр применения композитов в повседневном окружении современного человека настолько велик, что одно только перечисление групп потребительских товаров и смежных сфер займет не одну страницу. Окружающая среда, особенно в крупных городах, формируется при самом активном влиянии полимерных композитных материалов – начиная с рекламных стендов, плоскостей, прилавков, продолжая одеждой, экипировкой, посудой, мебелью, заканчивая современной электроникой во всем многообразии ее форм и применения.

Товары народного потребления являются самым ярким и очевидным примером, как наукоемкие технологии и решения для «серьезных» отраслей экономики могут воплощаться в простых обиходных вещах. Композиты делают повседневную жизнь безопасней, мобильней, здоровее, удобней, да и просто красивей.

Внедрение композиционных материалов в железнодорожную сферу происходит во все возрастающих масштабах. Так, они применяются для изготовления подвижного состава, частей вагонов, для отделки и производства кресел пассажирских вагонов и др.

Главным достоинством композитных материалов для железнодорожного транспорта является высочайшая удельная прочность в сравнении с традиционными материалами. Преимущества композитов неоспоримы, поэтому