Керамика

Поликристаллический материал на основе соединений металлов. Если такой материал смешивается с металлами, то в результате получаются металлокерамические материалы.

Металлокерамические материалы изготовляются методами порошковой металлургии. В основе эти материалы представляют смесь керамики с металлами. Такое сочетание позволяет создавать материалы, имеющие высокие термическую прочность, износостойкость, коррозионную стойкость и стойкость к агрессивным химическим средам.

Технология изготовления таких изделий включает получения порошков металлов (а также их смесей с неметаллическими порошками), прессование и последующее спекание в пресс-формах. Полученные таким образом детали не требуют дальнейшей механической обработки. В результате такой технологии обработки материалы могут получаться пористыми, причем пористость достигает 10...30%. Такие материалы, имеющие низкий коэффициент трения который для контакта f =0,05…0,09, целесообразно использовать в качестве фильтров и антифрикционных материалов, а также вкладышей подшипников.

Металлокерамические материалы используются также и в других случаях, где их применение оправдано благодаря описанным выше свойствам.

Пластмассы (пластические массы)

Все более широкое применение получают пластмассы. Пластмассами называют материалы, получаемые на основе природных или синтетических смол (полимеров), которые при определенных температуре и давлении приобретают пластичность, а затем затвердевают, сохраняя форму при эксплуатации. Кроме связующего вещества (полимера) в состав пластмасс входят наполнители, пластификаторы, отвердители, красители. Наполнители вводят в смолы для повышения механической прочности, теплостойкости, уменьшения усадки и снижения стоимости пластмассы. Наполнители могут быть в газовой (пенопласты) и твердой фазе, иметь органическое (древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань) и неорганическое (графитная, асбестовая и кварцевая мука; углеродное и стекловолокно; стеклоткань) происхождение. Механическая прочность пластмасс существенно зависит от наполнителя. Пластмассы с порошкообразными, коротковолокнистыми, длиной 2…4 мм, наполнителями по прочности приближаются к дуралюмину и некоторым сортам стали. Для деталей, работающих в узлах трения, широко применяют теплопроводящие наполнители, например, графит.

Пластификаторы увеличивают текучесть, эластичность и уменьшают хрупкость пластмасс. Отвердители ускоряют процесс затвердевания пластмасс, красители придают пластмассам нужный цвет.

Пластмассы обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, тепло- и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью, высоким коэффициентом линейного расширения (в 10...30 раз больше, чем у стали), возможностью получать изделия сложной формы высокопроизводительными методами (литьем под давлением, штамповкой). Отрицательными свойствами пластмасс является невысокая теплостойкость, низкий модуль упругости, склонность к так называемому старению, которое сопровождается постепенным изменением механических характеристик в процессе эксплуатации.

По поведению при нагреве полимеров пластмассы делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопласты (полиэтилен, фторопласт, полистирол, полиамиды и др.) имеют свойства обратимости: при повторных нагреваниях они переходят в пластическое или вязкотекучее состояние и им можно придать необходимую форму, а затем они вновь затвердевают при охлаждении. Переход термопластов из одного физического состояния в другое может осуществляться неоднократно без изменения химического состава. Термопласты легко формуются и надежно свариваются в изделия сложных форм, устойчивы к ударным и вибрационным нагрузкам, обладают хорошими антифрикционными свойствами. Свойства термопластов сильно зависят от температуры.

Фторопласт – полимерный материал, получаемый химическим путём. Фторопласт содержит атомы фтора, благодаря чему имеет высокую химическую стойкость. Плохо растворяется или не растворяется во многих органических растворителях, не растворим в воде и не смачивается ею. Фторопласты характеризуются широким диапазоном механических свойств, хорошими диэлектрическими свойствами, высокой электрической прочностью, низким коэффициентом трения, низкими значениями износа; стойки к действию различных агрессивных сред при комнатной и повышенной температуре, атмосферо-, коррозионно- и радиационностойки, слабо газопроницаемы, не горючи или самозатухают при возгорании. Очень высокая нагревостойкость (до 300°С). Материал обладает холодной текучестью.

Полиэтилен – продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Теплостойкость полиэтилена невысока, поэтому длительно его можно применять при температурах до 60 - 100ºС. Морозостойкость полиэтилена достигает - 70ºС и ниже. Полиэтилен используют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, полиэтиленовых пленок для изоляции проводов и кабелей, чехлов, облицовки водоемов; кроме того, полиэтилен служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока и др.

Полистирол – твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. По диэлектрическим характеристикам близок к полиэтилену, удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образование трещин. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции.

Полиамиды – это кристаллизующиеся полимеры. У них низкая плотность. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Они стойки к щелочам, бензину, спирту; устойчивы в тропических условиях. Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы, детали ткацких станков, уплотнители гидросистем, колеса центробежных насосов, турбин, турбобуров, буксирные канаты и т. д. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов.

Реактопласты не переходят в пластическое состояние при повторном нагревании. Они имеют более высокие, чем термопласты, показатели по твердости, модулю упругости, теплостойкости, сопротивлению усталостной прочности. Их свойства не так резко зависят от температуры. В зависимости от наполнителя различают монолитные (карболит), слоистые (текстолит, гетинакс) и композиционные пластмассы, где наполнителем используются волокна. В термореактивных пластмассах связующими являются эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.

Карболит, один из видов синтетических фенолоальдегидных смол, получаемый поликонденсацией фенола (крезолов) с формальдегидом в присутствии нефтяных сульфокислот.

Текстолиты (наполнитель – хлопчатобумажная ткань) широко используют в машиностроении как конструкционный и антифрикционный материал: В них выгодно сочетаются высокая механическая прочность с низкой плотностью, износостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Текстолит применяют для изготовления подшипников, зубчатых колес и различных силовых деталей общего и специального машиностроения.

Древолиты — древеснослоистые пластики (ДСП). Древолит представляет собой пластики, состоящие из правильно уложенных слоев тонкого (0,6.....1 мм) древесного шпона, пропитанных фенольной смолой и термически обработанных под высоким давлением.

Гетинакс (в качестве наполнителя применяется бумага) обладает высокими диэлектрическими свойствами и удовлетворительной механической прочностью. Выпускается в виде листов, плит, труб и различных прессованных деталей. Широко применяется как электроизоляционный материал.

Алкиды. Это семейство литьевых компаундов, изготавливаемых из ненасыщенных полиэстерных смол. Свойства алкидов: высокая твердость и жесткость, стабиль­ность размеров при повышенных температурах; низкое влагопоглощение; высокая диэлектрическая прочность и стойкость к электрическим разрядам; сохранение электроизоляционных свойств в условиях влажности. Типичное применение: держатели щеток автомобильных электромоторов, электроизоляторы, элементы телевизоров, электрические выключатели, элементы систем зажигания в автомо­билях; оболочки резисторов и конденсаторов.

Фенолы. Семейство литьевых компаундов, получаемое в результате реакции фенола и формальдегида с добавлением волокнистых наполнителей. Свойства фе­нолов: высокая твердость и прочность, тепловая и химическая стойкость, хорошие электрические свойства. Применение: в автомобилях – крышки распределителей зажигания, корпуса электрооборудования; роторы и обкладки тормозов; в электро­нике – разъемы, выключатели; в домашнем хозяйстве – ручки кастрюль и утвари, подставки, корпуса электроинструмента и электроприборов.

Полиэстерные смолы. Эти смолы обычно используются с волокнистыми напол­нителями при производстве слоистых стеклопластиков. Изделия из полиэстерных смол твердые, жесткие и температуростойкие; они нашли широкое применение в качестве корпусов и крышек узлов автомобилей, емкостей и труб для химикалиев, строительных панелей.

Диалилфталат (DAP) – широко используемая полимеризуемая смола. Изделия из DAP после прессования имеют прекрасную размерную стабильность, высокую электроизоляционную стойкость, сопротивление электрическим разрядам и хи­мическую стойкость. Широко используется в электронике в качестве разъемов, выключателей, корпусов и других деталей.

Меламины. Хорошо окрашиваемые литьевые компаунды. Сохраняют температуростойкость и влагостойкость при температурах до 100 °С. Применение: домашняя посуда, ручки, кнопки, корпуса домашних приборов, электрические выключатели.

Мочевина. Смолы на основе мочевины применяются в качестве литьевых компа­ундов в случаях, когда требования к изделиям ниже, чем к меламинам. Сохраняют температуростойкость и влагостойкость при температурах до 75 °С. Смолы хорошо окрашиваются. Применение: домашние выключатели, розетки, другие стеновые панели.

Эпоксидные смолы. При отвердевании приобретают высокую твердость и проч­ность, тепловую и электростойкость, химическую стойкость. При упрочнении стекловолокнами применяются в аэрокосмической технике и электронике для герметизации электронных компонентов; также применяются при изготовлении трубопроводов, резервуаров, сосудов под давлением; используются как защитное покрытие для промышленного оборудования и приборов, а также в качестве уплотнительного материала.

Пластмассы являются хорошими электроизоляционными материалами. Для них характерна высокая химическая и коррозионная стойкость, малая плотность и теплостойкость. Они отличаются достаточной прочностью и упругостью. Детали, изготовленные из пластмасс, имеют блестящую гладкую поверхность разных цветов. Пластмассы значительно хуже, чем металлы, сопротивляются переменным нагрузкам; они подвержены тепловому, световому и атмосферному старению – процессу самопроизвольного необратимого изменения свойств; многие из пластмасс гигроскопичны.

Большим достоинством пластмасс является их высокая технологичность, обеспечивающая значительное сокращение производственного цикла. Изготовление металлических деталей осуществляется за десятки операций механической обработки, а пластмассовых – часто за одну технологическую операцию по формообразованию (прессование, выдавливание, литье под давлением и др.). Поэтому трудоемкость изготовления пластмассовых деталей уменьшается в 5…6 раз и более, а себестоимость продукции снижается в 2…3 раза, при этом получают очень высокий коэффициент использования материала, равный 0,9…0,95. Это приводит к значительному снижению материалоемкости и из-за малой плотности пластмасс (1,2…1,9 Мг/м³), к уменьшению массы конструкции в 4...5 раз.

Из пластмасс изготавливают зубчатые и червячные колеса, шкивы, подшипники, ролики, корпуса, зубчатые ремни, ручки управления и другие детали. Производство пластмасс развивается интенсивнее, чем таких традиционных материалов, как металлы. Это объясняется удешевлением изготовления, улучшением ряда основных параметров механизмов: уменьшением веса и инерционности звеньев, потерь на трение, повышением быстродействия.

Таблица 8. Физико-механические характеристики пластмасс

Материал	q, кг/м3	σp, МПа	σu, МПа	Применение
Волокнит Текстолит Пт Текстолит ПТК Древесно-слоистые пластинки Капрон	13,5-14,5 13-14 13-14 13-14 11,3	30-40 110-260 60-84	50-80 100-280	Вкладыши, детали фрикционных передач, сепараторы подшипников скольжения, зубчатые колеса

Резина

Материал, получаемый вулканизацией смеси натурального либо синтетического каучука с серой и другими добавками (ингредиентами). По степени вулканизации резины разделяются на мягкие (1-3% серы), полутвердые и твердые (30% серы) (эбонит). Резина применяется для уплотнительных изделий, диафрагм, гибких шлангов.

Резина отличается от других материалов высокими эластическими свойствами. Она обладает также высокой износостойкостью, хорошими диэлектрическими свойствами и тем, что способна сопротивляться многим агрессивным средам. Резина может выдерживать большие деформации, которые, в свою очередь, полностью обратимы. Модуль упругости для резины лежит в пределах 1...10 МПа, что в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем для других материалов. Высокая эластичность и определяет область применения деталей из резины. Резину применяют для изготовления шин (камер и покрышек) автомобилей, тракторов и самолетов, приводных ремней, лент транспортерных и элеваторных, напорных рукавов, соединительных шлангов, резиновых подвесок, буферов, амортизаторов частей подшипников; для прокладочных колец, шнуров, пластин и клапанов, деталей электротехнической и рентгеновской аппаратуры и т. п.

Серьезным недостатком является низкая прочность резиновых изделий. По этой причине для повышения прочности резину армируют текстильными материалами либо стальными элементами.

Таким образом, выбор конструкционных материалов отвечающих служебным свойствам деталей, обоснование методов получения заготовок, обеспечивающих геометрическую точность, структуру, качества поверхностного слоя детали есть важные составляющие качества машин. При этом обеспечение износостойкости химико-термическими и механическими методами, лазерной, ионно-плазменной и финишной обработкой даёт стабильное качества во время сборки. Эти комплексные факторы существенно влияют на обеспечение качества машин и производства.