- •1. Порошковые материалы
- •Общие сведения
- •Конструкционные материалы
- •Механические свойства и назначения порошковых конструкционных общемашиностроительных материалов
- •Механические свойства и назначение порошковых материалов и сплавов цветных металлов
- •1.3. Антифрикционные материалы
- •1.4. Фрикционные материалы
- •1.5. Пористые фильтрующие элементы
- •1.6. Композиционные материалы
- •1.6.1. Общие сведения
- •1.6.2. Строение композиционных материалов
- •1.6.3. Дисперсно-упрочненные материалы
- •1.6.4. Армированные волокнистые материалы
- •Композиция «алюминий – металлическая проволока»
- •1.6.5. Металлокерамические твердые сплавы
- •Неметаллические материалы
- •Строение и свойства полимеров
- •Особенности строения полимеров
- •2.1.2. Свойства линейных полимеров
- •2.1.3. Свойства полимеров сетчатой структуры
- •2.2. Пластические массы
- •Механические свойства термопластических пластмасс
- •2.2.1. Термореактивные пластмассы
- •Механические свойства материалов на основе фенолформальдегидной смолы (с органическим наполнителем)
- •Механические свойства высокопрочных стеклотекстолитов
- •Примечание. Данные прочности по основе помечены звездочкой (*), в направлении перпендикулярно слоям – двумя звездочками (**).
- •2.2.2. Синтетические эластомеры, каучук, резина
- •Физико-механические свойства каучуков и резин
- •2.2.3. Рекомендации по использованию пластмасс в машиностроении
- •2.3. Стекло
- •Свойства некоторых промышленных стекол и ситалла
- •2.4. Керамические материалы
- •2.5. Полупроводниковые материалы
- •Библиографический список
- •1. Порошковые материалы 4
- •1.1. Общие сведения 4
- •1.6.1. Общие сведения 19
- •2.3. Стекло 63
- •2.4. Керамические материалы 67
- •2.5. Полупроводниковые материалы 75
2.2.3. Рекомендации по использованию пластмасс в машиностроении
На работоспособность пластмассовых деталей большое влияние оказывает процесс старения пластмасс, сущность которого заключается в постепенном разрушении химических связей в главных цепях макромолекул материала.
В зависимости от природы процесса старения различают физическую (термическую, механическую, фотохимическую) и химическую (в результате химических реакций окисления, гидролиза и т. д.) деструкции. При длительном нагружении пластмассы склонны к ползучести. Это еще более усугубляет временной характер, в частности, прочностных свойств пластмасс. Поэтому такие понятия, как предел текучести, предел прочности, которые используются при расчетах металлических конструкций, являются для пластмасс весьма условными: нельзя решать вопрос о нагрузочной способности пластмассовых деталей, не учитывая времени, в течение которого деталь должна работать. При изготовлении изделий из пластмасс технолог должен учитывать не только возможность изготовления детали при выбранном режиме, но и то, как технологический процесс влияет на работоспособность изготовленной детали при ее эксплуатации. Положения, которые должны быть приняты за основу при проектировании пластмассовых изделий, можно сформулировать в виде следующих правил:
Детали из пластмасс следует проектировать так, чтобы силовые нагрузки приходились на наиболее прочные сечения, т.е. с учетом направления волокон наполнителя или ориентации макромолекул.
Не рекомендуется изготовлять из пластмасс детали, которые в процессе эксплуатации подвергаются постоянным нагрузкам (хотя и допускаемым). Пластмассовые детали работают лучше в условиях действия кратковременных нагрузок.
При проектировании деталей из пластмасс следует учесть их ограниченную жесткость, для повышения которой следует предусмотреть ребра жесткости или арматуру.
Из пластмассы можно проектировать только такие детали, которые будут работать в оптимальном для данной пластмассы температурном режиме с учетом возможного влияния нагружения на термические характеристики материала.
Пластмассы не могут быть использованы для изготовления деталей, которые работают под значительной нагрузкой и от которых требуется повышенная точность.
Ниже приводятся некоторые рекомендации по использованию пластмасс в качестве материала для изготовления различных типов деталей машин.
Пластмассовые антифрикционные материалы. На рис. 8 показана зависимость коэффициента сухого трения пластмасс от скорости скольжения. Коэффициент трения реактопластов со сталью при смазке водой составляет 0,002...0,02, при смазке маслом – 0,007...0,09.
Из-за малого сродства с металлами и из-за больших упругих деформаций, пластмассы в узлах трения менее чувствительны к схватыванию и задиранию, что резко уменьшает износ деталей в паре трения. Этому способствует и поглощение пластмассой твердых частиц-продуктов износа. Практика показывает, износ большинства видов пластмассовых подшипников в узлах трения меньше износа металлических подшипников.
Большинство реактопластов (разные текстолиты, ДСП, некоторые волокниты) имеют прочность на сжатие 1000...3000 кгс/см2, этот показатель для термопластических масс составляет 600...1100 кгс/см2, для бронзы и баббитов – 1200...2800 кгс/см2.
Поэтому текстолиты и ДСП могут использоваться для узлов трения при весьма тяжелых условиях работы. Положительными свойствами пластмасс являются также их способность к гашению вибрации, стойкость к ударным нагрузкам, высокие антикоррозионные свойства, небольшой вес, малая трудоемкость в изготовлении.
Для изготовления тяжело нагруженных подшипников используются фенопласты со слоистыми наполнителями (текстолиты, ДСП, гетинакс). Подшипники изготовляются в виде вкладышей, устанавливаемых в корпус подшипника (pис. 9, а). Такие подшипники используются для прокатных станов, пилорам, дробилок, подъемных кранов, а также начинают применяться для железнодорожных подвижных составов.
Термопластические пластмассы (полиамиды, фторопласт) под нагрузкой подвержены ползучести и могут выдавливаться. Эти же материалы имеют низкую теплопроводность, что еще больше содействует их ползучести от повышения температуры в узле трения. Поэтому при использовании фторопласта прибегают к изготовлению комбинированных подшипников. На стальную подложку наносится слой порошковой бронзы, которая припекается к подложке. В поры бронзового слоя впрессовывается фторопласт. Полоса разрезается на мерные куски, из которых путем свертывания изготавливаются подшипники в виде втулок. Если от подшипников не требуется особо высокая точность или действующие усилия относительно малы, с успехом применяются капроновые подшипники (ленточные транспортеры, подвижные конвейеры, направляющие втулки опок и т. д.).
Широкое распространение получили вкладыши в виде тонкостенных стальных втулок, внутри которых помещены разрезные втулки из полиамидов. Имея все достоинства пластмасс, такими способами изготовленные подшипники обладают большую прочность и хорошую охлаждаемость. Подобные подшипники нашли применение в шпинделях токарных, фрезерных и шлифовальных станков, в сельскохозяйственных машинах и т. д.
В качестве материалов, используемых для изготовления деталей подшипников качения, применяются слоистые пластики с графитовым наполнителем, волокниты, полиамиды, фенопласты.
Широкое распространение получают пластмассовые направляющие на металлообрабатывающих станках и в других механизмах: в поршневых двигателях, в прессах и др. В этих случаях направляющие, изготовленные в виде полос, крепятся к корпусу методом склеивания или винтами (рис. 9, б). В качестве материала для этих целей используются текстолиты, волокниты или фенопласты с наполнителем в виде древесной крошки. Использование пластмассовых направляющих увеличивает точность станка за счет меньшего износа пластмассы по сравнению с обычно используемыми чугунными направляющими. Уменьшаются также потери мощности механизмов на силы трения. Особенно удобен ремонт станков и механизмов с такими направляющими.
Зубчатые, червячные, цепные и ременные передачи. Применение пластмасс в зубчатых и червячных зацеплениях обеспечивает: мягкую передачу крутящего момента; высокую износостойкость; бесшумность и надежную работу в химически агрессивных средах; малый вес; во многих случаях простоту изготовления. Наилучшая работоспособность шестеренной передачи обеспечивается комбинацией пластмассовых и металлических шестерен, благодаря чему обеспечивается хороший теплоотвод от пластмассовых шестерен. Для уменьшения износа пластмассовых шестерен рекомендуется повышенная твердость зубьев стальных шестерен и увеличение чистоты их поверхности. В качестве материала для пластмассовых шестерен используют текстолит, древесно-слоистые пластики (ДСП), полиамиды, полиформальдегид (ПФА).
Червячные пластмассовые колеса при температуре менее 90 °С, скоростях скольжения, не превышающих 3 м/с, и нагрузках не выше 30 кг/см2 можно изготавливать из текстолита и ДСП, при нагрузках 15... 18 кг/см2 – из полиамидов.
В цепных передачах из тех же пластмасс, которые используются для шестерен, изготавливаются звездочки. Пластмассы типа полиамидов в виде вставок внутри стальных втулок используются для изготовления пластинчатых цепей, что резко снижает коррозию стальных деталей цепи и «слипание» звеньев цепи.
Долговечность цепных передач, работающих в запыленной и коррозирующей среде, резко повышается.
В ременных передачах хорошо зарекомендовали себя пластмассовые ремни (особенно из полиамидов), которые отличаются не только хорошими техническими данными, но и устойчивостью работы в агрессивных средах. Перлоновые ремни используются для передачи больших мощностей (до 5000 л. с.) в основном для прокатных станов, мощных прессов, молотов, мельниц.
Из полиамидов (нейлон, перлон) изготовляют также буксирные канаты. Для защиты от коррозии стальных канатов их покрывают слоем полиамидов (нейлоном). Полиамиды все шире используются для изготовления и покрытия транспортерных лент.
На ряде станкостроительных заводов освоено производство пластмассовых шкивов клиноременных передач. Вес таких шкивов из-за повышенной удельной прочности пластмасс примерно в 5 раз меньше металлических, а себестоимость – в 2,5 раза ниже.
Для изготовления шкивов можно использовать полиамиды (мелкие шкивы и блоки) волокнит, фенолит К-18-2, декоррозит К-17/18-81, текстолит, стекловолокнит (для крупногабаритных шкивов диаметром до 800 мм). Наряду с лопаточной прочностью, нагрузки от центробежной силы на такие шкивы существенно меньшие, чем на стальные и чугунные.
Фрикционные устройства. В фрикционных узлах с небольшой тормозной мощностью используют пластмассы с асбестовым наполнителем. Для этих материалов температура нагрева не должна превышать 250 °С. При очень кратковременном нагружении пластмассы типа ретинакс допускают нагрев до 1000 °С. Коэффициент трения ретинакса по стали больше 0,35.
Вариаторы. Пластмассы типа текстолит используются в вариаторах, когда не предъявляются особо высокие требования к обеспечению постоянства передаточного отношения или высокого коэффициента полезного действия.
Муфты, прокладки. Особенно перспективно применение пластмасс для деталей зубчатых муфт из текстолита, капрона. Капроновые муфты, например, могут передавать большие нагрузки, хорошо поглощают удары, обеспечивают бесшумность работы и более просты в исполнении. Очень широкое применение в конструкциях муфт нашли диски и другие эластичные элементы, изготовленные из резины. Резиновые элементы применяются для упругого соединения валов в качестве упругих элементов нежестких муфт. Они являются одновременно амортизаторами и демпферами, а также позволяют частям вала иметь взаимное угловое перемещение. Резина находит очень широкое применение для изолирования колебаний станин станков от остальных ее узлов, что заметно увеличивает точность станков.
Резиновые подкладки изолируют корпуса судов, автомашин и т. д. от колебаний двигателей. Очень широко применяются резиновые вкладыши в металлических шарнирах, которые разъединяют трущиеся металлические части шарнира.
Прочие детали различных машин, механизмов и конструкций. Пластмассы получили широкое распространение в быстроходных текстильных машинах, в которых большое значение имеет малая инерционность деталей и возможность применения движущихся деталей без смазки. Такими деталями являются шпули и их покрытия, мотовила, детали чесальных машин и т. д.
В основном для этой цели используются фенопласты с порошковыми наполнителями. Фенопласты являются незаменимым материалом для изготовления корпусов различной контрольно-измерительной аппаратуры, малогабаритных радиоприемников и т. д. Эти же материалы используются для изготовления деталей управления машин и механизмов (головки, рукоятки, маховички и т. д.). Изготовление таких деталей из пластмасс позволяет экономить металл и снижать стоимость изделия, а также способствует приданию машине декоративного вида. Многие пластмассы отличаются высокой удельной прочностью.
Из-за малого объемного веса и высокой удельной прочности применение пластмасс особенно выгодно для изготовления роторов высокоскоростных машин (насосы, вентиляторы, турбины, лопасти вертолетов). Использование нейлона для поршней пневматических двигателей приводит к меньшим нагрузкам на поршень, а также на шатуны от действия сил инерции. В силу этого использование пластмассы в таких деталях приводит к уменьшению веса машины не только за счет меньшей плотности пластмассовых деталей, но и за счет облегчения других элементов конструкций, сопряженных с пластмассовыми деталям.
Особенно перспективно для тяжело нагруженных деталей конструкции применение стеклопластиков, которые имеют наивысшую удельную прочность. Чаше всего вместо металлических сплавов (стали) находят применение фенолформальдегидные слоистые пластики, а также полиэфирные и эпоксидные стеклопластики. В машиностроении стеклопластики, а также полиэтилен и винипласт используются в качестве корпусных материалов, особенно в сложных конструкциях, которые изготавливаются из этих материалов методом сварки.
Пластмассовые уплотнители и амортизаторы. Детали уплотнений из пластмасс находят очень широкое применение. Это объясняется тем, что пластмассы обеспечивают не только высокую герметичность соединения, но и необходимую прочность и химическую стойкость узла уплотнения. Широкое распространение находят уплотнения из ненабухающих, маслостойких и бензостойких резин. Широко применяются пластмассовые уплотнения из самоуплотняющихся полихлорвиниловых колец в местах ввода электрических кабелей. Полихлорвиниловые уплотнения применяются для штоков насосов и компрессоров, в которых давление доходит до 200 кгс/см2. В пневматических системах достигается улучшение герметичности при замене чугунных поршневых колец текстолитовыми или фторопластовыми, армированными стекловолокном. При этом одновременно уменьшается износ цилиндра.
В технике наряду с резиной все шире применяются пластмассовые амортизаторы. Пластмассовые амортизаторы имеют в среднем в 1,2...1,5 раза больший срок службы, чем резиновые.
Широкое применение находят полимерные демпфирующие жидкости из силикона. Силиконовый демпфер наиболее пригоден для гашения значительных колебаний при температурах до 200 °С. Это объясняется высокой вязкостью силиконового масла, которая сохраняется до высоких температур. Силиконовые масла, имея хорошую стойкость в интервале температур от –50 до 200 °С, являются незаменимым смазочным материалом для узлов трения, работающих при высоких температурах.
Детали трубопроводной арматуры. Пластмассовые трубы широко используются в технике, особенно в химическом машиностроении и в строительстве. Основными преимуществами пластмассовых труб являются: высокая коррозионная стойкость, малый вес, удобство транспортировки и монтажа. Например, трубы из полиэтилена можно наматывать на барабаны и сматывать непосредственно в траншею. Для изготовления труб используют как термореактивные пластики, так и термопласты. Основными материалами для изготовления труб являются:
полихлорвинил, полиэтилен, полиамиды, фторопласты, полиэфирные пленки, стекловолокниты;
фенопласты с наполнителем в виде асбеста, графита или песка (фаолиты), реже текстолит, гетинакс.
Трубы из термопластов хорошо обрабатываются, изгибаются по месту, свариваются и склеиваются. Трубы из реактопластов соединяются только склейкой. Пластмассы используются также для изготовления трубной арматуры (уголки, тройники, краны, вентили и т. д.).
В случае арматуры высокого давления применяется облицовка металлической арматуры пластмассами, обеспечивающими необходимую коррозионную стойкость. Наиболее часто для футеровки металлических трубопроводов и емкостей используются полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, асбовинил, фторопласт, резины из синтетических каучуков. Выбор материала труб и арматуры определяется требованиями механической прочности, химической стойкости, а также условиями монтажа трубопровода.
Пластмассовые покрытия. Положительные свойства пластмасс широко используются, при создании комбинированных изделий. Металлические предметы с нанесенным покрытием из полимеров имеют одновременно высокую прочность, присущую металлам, и положительные свойства полимеров. Особенно эффективно использование таких покрытий в случае, если при этом удается заменить дефицитные и дорогие металлы (цветные сплавы, высоколегированные стали) дешевыми углеродистыми сталями.
Водостойкие покрытия применяются для предупреждения поглощения воды деревянными, картонными, пенопластмассовыми, пенобетонными и другими изделиями.
Так как кремнийорганические покрытия не смачиваются водой, ими покрывают стекла окон транспортных средств. Капли дождя скатываются с таких покрытий, не растекаясь по стеклу, благодаря чему сохраняется хорошая видимость водителю.