методичка

3.Чем вызвано снижение твердости при нагреве режущей части инструмента?

4.Почему быстрорежущие стали имеют высокую теплостойкость?

5.Каким требованиям должна отвечать сталь для штампов (деформирования в холодном состоянии)? Какая сталь наиболее часто применяется?

6.Укажите стали для штампов горячего деформирования (молотовых штампов, пресс-форм, прессового инструмента).

7.Выберите сталь для изготовления напильников применяемых при ручной обработке.

8.Какой химический состав твердых сплавов? Где их рекомендуется применять?

Лабораторная работа № 13 НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Цель работы: изучить основные виды неметаллических материалов, их классификацию, свойства и назначение.

Оборудование и материалы:

1.Набор неметаллических материалов,

2.Таблицы с описанием материалов.

3.Каталог деталей из неметаллических материалов.

Теоретическое обоснование:

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 материалы.

Отдельные неметаллические материалы обладают высокой механической прочностью, низкой плотностью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Следует отметить высокую технологичность неметаллических материалов.

Применение неметаллических материалов обеспечивает

81

значительную экономическую эффективность. Основой многих неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.

Полимерные материалы

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1000 000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическими составами этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Поперечное сечение цепи несколько ангстрем, а длина несколько тысяч ангстрем, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов - жестких участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимеров.

Молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромолекулах и относительно слабыми между ними.

Полимеры в большом количестве встречаются в природе - натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест.

В конкретных технических материалах используются как отдельные виды полимеров, так и сочетание различных групп полимеров. Такие материалы называют композиционными (например, стеклопластики, углепластики и т.п.).

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на:

-термопластичные;

-термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются и даже плавятся. При охлаждении термопластичные полимеры затвердевают, этот процесс обратим, т. е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает. Структура макромолекул таких полимеров линейная или

82

разветвленная. Представителями термопластов являются полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Примером термореактивных смол могут служить эпоксидная, фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

Пластические массы Пластмассами (пластиками) называют искусственные

материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется. Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих веществ для большинства пластмасс используются синтетические смолы, реже применяются эфиры и целлюлозы. Многие пластмассы, главным образом термопластичные, могут состоять из одного связующего вещества (например полиэтилен, органические стекла и др).

В зависимости от химического состава пластмассы бывают простые и сложные.

Простые пластмассы - это полимеры без добавок. Сложные пластмассы – представляют собой полимеры с различными добавками. В качестве добавок используют:

- наполнители - это органические и неорганические вещества, применяемые в виде порошков (древесная мука, сажа, слюда, Si02, тальк, графит), волокон (хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые, полимерные), листов (бумага, ткани из различных волокон, древесный шпон), газа (наполнитель - воздух или нейтральные газы). В зависимости от структуры последние подразделяют на пенопласты и поропласты. Наполнители добавляют в количестве 40…70 % для повышения механических свойств, снижения стоимости и изменения других параметров. Современные композиционные материалы содержат в качестве наполнителей угольные и графитовые волокна (карбоволокниты); волокна бора (бороволокниты).

83

-стабилизаторы - различные органические вещества, которые вводят в количестве нескольких процентов для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств. Под влиянием окружающей среды происходит как разрыв макромолекул на части, так и соединение макромолекул между собой поперечными связями. Изменения исходной структуры макромолекул составляют сущность старения пластмасс, которое необратимо снижает прочность и долговечность изделий. Добавки стабилизаторов замедляют старение;

-пластификаторы — вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. Их добавляют в количестве 10 - 20 %. Пластификатор придает пластмассам эластичность и облегчает ее обработку Часто пластификаторами служат эфиры, а иногда и полимеры с гибкими молекулами (например, олеиновая кислота, стеарин, дибутилфталат и др.);

-специальные добавки - смазочные материалы, красители, добавки для уменьшения статических зарядов и горючести, для защиты от плесени, ускорители и замедлители отверждения и другие, которые используются для изменения или усиления какого-либо свойства;

-отвердители – вещества, которые добавляют в количестве нескольких процентов к термореактивным пластмассам для отверждения. При этом между макромолекулами возникают поперечные связи, а молекулы отвердителя встраиваются в общую молекулярную сетку. В качестве отвердителей используют органические перекиси и другие вещества.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты) — на основе термореактивных смол.

По применению пластмассы можно подразделить на:

-силовые (конструкционные, фрикционные и антифрикционные);

84

- не силовые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные).

Методы переработки пластмасс

Методы переработки пластмасс определяется их свойствами. Основными методами переработки являются: экструзия, литье, литьевое прессование, вакуумное и пневматическое формование, сварка и др.

Экструзия - процесс выдавливании расплава через калиброванное отверстие мундштука. Сечение отверстия определяет поперечную форму изделия. Экструзией получают стержни различного профиля, трубы, листы, пленки.

При горячем прессовании нагретую композицию (гранулы, ткани, пропитанные смолой) помещают в нагретую прессформу. При смыкании половинок пресс-формы композиция заполняет всю полость ручья. Изделие выдерживают в прессформе до отвердения. Подогрев композиции и пресс-формы производят токами высокой частоты, паром, перегретой водой. Данным методом перерабатывают композиции на основе фено- ло-альдегидных смол, аминопласты и армированные полиэфирные пластики. Способ применяется для получения корпусных и мелких деталей.

При проведении холодного прессования композицию не нагревают. Прессование производят при давлении 14—120 МПа. Этим способом перерабатывают композиции на основе фенолоальдегидных смол, аминопласты и армированные полиэфирные пластики.

При литье под давлением композицию в расплавленном состоянии выдавливают в ручей пресс-формы и выдерживают под давлением до затвердевания. Литьем под давлением можно получать сложные по форме изделия (наличие ребер, резьбы, выступов, выемок) из термореактивных смол и высоковязких термопластов.

Сварка применяется для получения неразъемных соединений изделия из термопластов. Для сварки применяют горячий воздух (250…300°С). Поверхности зачищают, выравнивают, обезжиривают и прижимают друг к другу под давлением 200…300 КПа. Соединение обеспечивается взаимной диффу-

85

зии, при которой происходит переплетение макромолекул.

Резиновые материалы

Резиной называется продукт вулканизации смеси каучука и серы с различными добавками.

Резина как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку - главному исходному компоненту. Резина может подвергаться очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы.

Для резиновых материалов характерны высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, и электроизолирующие свойства.

В результате совокупности технических свойств резиновых материалов их применяют для амортизации и демпфирования, уплотнения и герметизации в условиях воздушных и жидкостных сред, химической защиты деталей машин, в производстве тары для хранения масел и горючего, различных трубопроводов (шлангов), для покрышек и камер колес автотранспорта, самолетов и т. д.

Обозначение различных видов каучуков: НК - натуральный каучук; СК - синтетический каучук;

СКИ - синтетический каучук изопреновый; СКТ - синтетический каучук теплостойкий; СКН - бутадиеннитрильный каучук; СКБ – синтетический каучук бутадиеновый; СКС – бутадиенстирольный каучук.

Состав и классификация резин.

Основой любой резины служит каучук натуральный (НК) или синтетический (СК), который и определяет основные свойства резинового материала. Для улучшения физикомеханических свойств каучуков вводятся различные добавки (ингредиенты). Таким образом, резина состоит из каучука и различных добавок. В качестве добавок используют:

- вулканизующие вещества (агенты) участвуют в образовании пространственно-сеточной структуры вулканизата. Обычно в качестве таких веществ применяют серу для некоторых кау-

86

чуков перекиси. Для резины электротехниеского назначения вместо серы (сера взаимодействует с медью) применяют органические сернистые соединения - тиурам (тиурамовые резины);

-ускорители процесса вулканизации: полисульфиды, окислы свинца и магния, которые влияют не только на режим вулканизации, но и на физико-механические свойства вулканизатов;

-противостарители (антиоксиданты): парафин, воск, которые замедляют процесс старения резины, который ведет к ухудшению ее эксплуатационных свойств;

-мягчители (пластификаторы): парафин, вазелин, стеариновую кислоту, битумы, растительные масла, которые облегчают переработку резиновой смеси, увеличивают эластичность каучука и повышают морозостойкость резины;

-наполнители различаются по воздействию на каучук и подразделяются на: активные (усиливающие) и неактивные (инертные). Усиливающие наполнители (углеродистая сажа и белая сажа — кремнекислота, окись цинка и др.) повышают механические свойства резин: прочность, сопротивление истиранию, твердость. Неактивные наполнители (мел, тальк, барит) вводятся для удешевления стоимости резины;

-регенераты - продукты переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Кроме снижения стоимости регенерат повышает качество резины, снижая ее склонность к старению;

-антипирены снижают воспламеняемость и горючесть ре-

зины;

-красители и пигменты вводят для окраски резины. Количеств вводимой серы влияет на частоту сетки поли-

мера. При введении 1…5 % серы образуется редкая сетка и резина получается высокоэластичной и мягкой. С увеличением процентного содержания серы сетчатая структура становится все более частой, а резина более твердой. При введении 30 % серы образуется твердый материал, называемый эбонитом.

По назначению резины подразделяют на резины общего назначения и резины специального назначения.

Резины общего назначения могут работать в среде воды, слабых растворов кислот и щелочей при температурах от минус

87

35 до 130 °С. Из этих резин изготовляют шины, ремни, рукава, конвейерные ленты, изоляцию кабелей и различные резинотехнические изделия.

Специальные резины (ГОСТ 27896-88) подразделяются на следующие виды: маслобензостойкие, теплостойкие, светоозоностойкие, износостойкие, электротехнические и стойкие к гидравлическим жидкостям.

Маслобензостойкие резины получают на основе каучуков хлоропренового (наирит), СКН и тиокола. ( наирит - отечественный хлоропреновый каучук каучук).

Теплостойкие резины получают на основе каучука СКТ Рабочий диапазон теплостойких резин изменяется от минус 60 до 2500С. Отдельные виды резин могут работать при температурах до 350…4000С.

Износостойкие резины получают на основе полиуретановых каучуков СКУ, которые обладают высокой прочностью, эластичностью, сопротивлением истиранию и маслобензостойкостью. Рабочие температуры резин на основе каучуков СКУ от минус 30 до 130°С. Резины на основе СКУ применяют для автомобильных шин, конвейерных лент, обкладки труб для транспортирования абразивных материалов и других целей.

Электротехнические резины подразделяются на электроизоляционные и электропроводящие резины.

Электроизоляционные резины применяют для изоляции токопроводящей жилы проводов и кабелей, для специальных перчаток и обуви и изготовляют только на основе неполярных каучуков (НК, СКБ; СКС, СКТ и бутилкаучука).

Электропроводящие резины применяют для экранированных кабелей изготавливают из каучуков (НК, СКН) с введением в их состав углеродной сажи и графита (65…70 %).

Резину, стойкую к воздействию гидравлических жидкостей, используют для уплотнения подвижных и неподвижных соединений гидросистем, рукавов, диафрагм, насосов.

Физико-механические свойства резин даны в таблице приложения 8.

Порядок выполнения работы и содержание отчета:

1.Рассмотреть образцы имеющихся материалов;

2.Определить материал и название;

88

3.Определить по таблицам их свойства;

4.Указать применение рассмотренных образцов.

5.Дать определения рассматриваемым материалам.

6.Привести классификации рассматриваемых материалов

7.Указать способы переработки пластмасс.

Контрольные вопросы:

1.Что такое полимеры?

2.Что такое макромолекула?

3.Укажите классификацию полимеров

4.Что представляют собой пластмассы?

5.Укажите компоненты для изготовления резины

6.Назовите конструктивные особенности пластмасс.

7.Что такое «старение» пластмасс?

8.Назовите основные методы переработки пластмасс.

9.Зачем нужна вулканизация резины?

89

ПРИЛОЖЕНИЯ

90