лекции_1 / Лекция 2_Структура твердого тела

Рис. 2.18. Цепочки молекул полипропилена

Внастоящее время в машиностроении большое распространение получили детали из полимерных материалов, которые применяются в качестве антифрикционных в нагруженных узлах машин. Полимеры

–это неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, получаемые путём многократного повторения различных групп атомов, называемых «мономерными звеньями», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями (рис. 2.18).

Вкачестве антифрикционных полимерные материалы применяются в подшипниках и в парах поступательного движения благодаря многим преимуществам: достаточной износостойкости и невысокому коэффициенту трения в некотором диапазоне скоростей и нагрузок; хорошей прирабатываемости, коррозионной стойкости наиболее агрессивным средам; способности некоторых пластиков самосмазыванию, причем при таких низких температурах, когда масла и смазочные материалы не применяются; малой плотности (в 5–8 раз ниже стали, меди и свинца и в 3-4 раза ниже плотности титана); низкой стоимости; слабой чувствительности к ударам; бесшумности в работе.

Применение полимеров (пластмасс) в качестве подшипникового материала существенно экономит цветные металлы и снижает эксплуатационные расходы. В зависимости от эксплуатационных условий пластмассы в узлах трения могут работать при смазке минеральными маслами, эмульсией, пластичными смазочными материалами, водой, а некоторые из них – и без смазки. Пластмассы характеризуются вязкоупругим поведением под нагрузкой. Поэтому их механические свойства оценивают по результатам испытаний на растяжение, сжатие, удар и др. Все виды пластмасс имеют низкие модули упругости, которые в 100–1000 раз меньше, чем у металлов.

Основными положительными особенностями пластмасс являются высокая устойчивость к агрессивным средам и атмосферным условиям, низкий удельный вес изделий, высокие диэлектрические и теплоизоляционные свойства. По физико-механическим свойствам при обычной температуре пластмассы можно подразделить на конструкционные, фрикционные, антифрикционные, электроизоляционные, тепло- и звукоизоляционные, декоративные и др.

При конструировании деталей из пластмасс следует учитывать, что их свойства будут определять

надежность и долговечность работы. Необходимо учитывать и то, что со временем пластмассы стареют, и их исходные свойства становятся весьма условными. При длительном нагружении пластмассы склонны к ползучести. Поэтому такие понятия, как предел текучести, предел прочности, являются для пластмасс весьма условными. В этом случае нельзя планировать прочностные свойства, не учитывая времени, в течение которого деталь должна работать. Вот почему, проектируя детали из пластмасс, необходимо руководствоваться следующими соображениями:

1.Силовые нагрузки должны действовать на наиболее прочные сечения и по возможности кратковременно.

2.В конструкциях не допускается значительная разностенность (не более 1:3 при литье и 1:6 при прессовании).

3.При изготовлении деталей из пластмасс необходимо учитывать их ограниченную жесткость, для повышения которой следует предусмотреть ребра жесткости или арматуру.

4.Проектировать из пластмассы можно только такие детали, которые будут работать в оптимальном для данной пластмассы температурном режиме с учетом возможного влияния нагружения на термические характеристики

5.Пластмассы не могут быть использованы для изготовления деталей, которые работают с большой

нагрузкой и от которых требуется повышенная точность.

Сегодня область использования пластмасс в качестве конструкционных материалов весьма обширна. Это автомобилестроение, самолетостроение, станкостроение, сельхозмашиностроение и многие другие отрасли.

Среди твердых материалов, широко применяемых в узлах трения, следует выделить композиционные материалы и керамики. И те и другие получают спеканием при нагреве изделий, отформованных из порошков. Исходными материалами для получения керамики служат глины, полевой шпат, тальк, окислы бария, титана, циркония, ниобия, а также карбиды, силициды, нитриды, бориды. Композиционные материалы спекают из порошков разнородных материалов с целью придания изделиям необходимого

комплекса свойств. При спекании исходные вещества взаимодействуют друг с другом, образуя кристаллические фазы. Спеченные материалы при технологическом процессе всегда содержат микропоры, которые снижают прочностные свойства изделий, но положительно влияют на триботехнические характеристики.

В керамике кристаллическая фаза представляет собой кристаллы размером 20–30 мкм и выше. В зависимости от исходного состава они могут быть окислами, твердыми растворами или соединениями окислов. При спекании керамики может образовываться аморфная фаза, которая представляет собой стекло, по химическому составу отличающееся от кристаллов. Исходные материалы для получения керамики имеют практически неограниченную сырьевую базу. Основное преимущество керамики заключается в ее более высокой жаропрочности по сравнению с металлами. Она почти неподвержена старению и не дает остаточных деформаций под действием механических нагрузок. К недостаткам следует отнести ее хрупкость и большую усадку до 25% при спекании, и это затрудняет получать точные размеры изделий. Спеченная керамика очень твердая, режется с трудом и только абразивами.

Керамика обладает хорошими электрическими свойствами, химической стойкостью, водостойкостью. В настоящее время керамика находит применение в двигателестроении, атомной энергетике, металлургии, в химической, электротехнической промышленности и других отраслях. Можно привести конкретные области применения и преимущества этих материалов:

–нагреватели для электропечей (обеспечивают рабочую температуру свыше 2000 °С);

–штамповый инструмент (повышение износостойкости в 5 – 10 раз);

–безвольфрамовые твердые сплавы и керамические вставки для режущего инструментов (повышение производительности металлообработки и 100% экономии вольфрама);

–огнеупоры для футеровки плавильных печей;

–детали для двигателей (повышение КПД двигателя и снижение расхода топлива до 30%);

–жаропрочные детали для газовых турбин (снижает расход топлива до 20%, значительно уменьшает вес турбины).

Сегодня получение тугоплавких керамических материалов производится прямым восстановлением, плазмохимическим синтезом и СВС (методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза). СВС основан на том, что при взаимодействии исходных веществ в процессе экзотермической реакции образуются высокие температуры, резко ускоряющиеся диффузионные процессы. Методом СВС получено около трехсот новых материалов: карбид тантала с температурой плавления 4000 °С, нитрид кремния и многие другие.