Конструкционные материалы, свойства, состав, применение

Элинварные сплавы широко применяют для изготовления упругих элементов и пружин точных приборов и механизмов (пружин, камертонов, резонаторов электромеханических фильтров и пp.). Постоянство модуля упругости обеспечивает малую температурную погрешность прибора в условиях эксплуатации.

Природа аномалъности изменения модуля упругости при нагреве, так же как и природа инварности, ферромагнитного происхождения

Внешние растягивающие напряжения действуют на ферромагнетик подобно магнит ному полю, ориентируя магнитные векторы доменов и вызывая магнитострикцию (линейную и объемную), которую в этом случае называют иеханострикцией.

Рис. 16.5. Упругая частъ диаграммы деформации ферромагнетика

В резулътате общая деформация ферромагнетика при воздействии на него внешних напряжений будет складываться из yпpyгoмеханической и механострикционной составляющих.

На рис. 16.5 показана диаграмма упругой деформации ферромагнетика. Если до приложения нагрузки наложитъ оченъ болъшое внешнее магнитное поле, которое исчерпает магнитострикционную деформацию, то модулъ упругости ферромагнетика будет oпpeделиться толъко упругомеханической деформацией и значения его будут болъшими:

Таким образом, во всех ферромагнитных материалах модулъ нормалъной упругости несколъко занижен из-за наличия деформации ферромагнитной природы.

Рис. 16.6. Схема изменения модуля yпpугости ферромагнетика при нагреве

Температурный коэффициент модуля нормальной упругости, называемый для краткости термоупругим коэффициентом у, определяет характер изменения модуля упругости при нагреве. В ферромагнитных материалах этот коэффициент может иметь знак плюс в тех случаях, когда модуль упругости при нагреве растет, а также знак минус, когда модуль упругости, как и у неферромагнитных материалов, снижается:

где ? -- модуль упругости при 20`С. В элинварных сплавах термоупругий коэффициент всегда имеет положительное значение и может быть равны нулю.

Для сплавов Fe -- Ni значения термоyпpyгoгo коэффициента определяются со- держанием никеля (рис. 16.7). В сплавах, содержащих от 29 до 45 % Ni, коэффи- циент у имеет положительное значение, что свидетельствует о наличии большой аномалии в изменении модуля нормаль- ной упругости при нагреве. Сплавы с содержанием 29 и 45 % Ni имеют нулевые значения коэффициента ј. Однако незначительные отклонения в концентрации никеля, что неизбежно в металлургическом процессе, резко меняют значения у. Поэтому сплавы Fe--Ni дополнительно легируют xpoмом, который делает эту зависимость менее резкой и позволяет получать в сплавах различных плавок устойчивое значение у, близкое к нулю.

Первым сплавом такого типа был сплав 36НХ (36 % Ni и 12 % Cr), названный элинваром. К сожалению, этот сплав наряду с отмеченными преимуществами обладает недостатками. Во- первых, он имеет низкие значения механических характеристик. которые нельзя улучшить термической обработкой, так как у сплава устойчивая однофазная аустенитная структура. Во-вторых, сплав имеет невысокую температуру точки Кюри, что ограничивает рабочий интервал температур.

Рис. 16.7. Зависимость термоупругого коэффициента у от содержания никеля в сплавах Fe -- Ni

Впоследствии сплав начали легировать титаном и алюминием (ЗбНХТЮ) что позволило упрочнять его термической обработкой, но дополнительно снизили температуру точки Кюри. В результате термической обработки сплав потерял свою ферромагнитность, а следовательно, и элинварность. Его используют как сплав с хорошими yпpyгими свойствами для пружин и упругих элементов, от которых требуются немагнитность и высокая корроэионная стойкость в агрессивных среда

Сплавы 42НХТЮ и 44НХТЮ для получения минимальных значений коэффициента у и внутреннего трения подвергают термической обработке: закалке от 950`С, при которой избыточные фазы растворяются в аустените, и последующему отпуску -- старению при 780 C в течение 4 ч. В процессе старения в мелкодисперсном виде выделяется промежуточная метастабильная у'-фаза. Правильно проведенная обработка указанных сплавов позволяет получать значения коэффициента у в пределах

Дальнейшее распространение элинварны е сплавы получили в виде сплавов с содержанием 5-6 % Cr и 42-44 % Ni. Термоупругий коэффициент таких сплавов близок к нулю (см. рис. 16.7). Повышенное содержание никеля обеспечивает более высокую температуру точки Кюри, что расширяют температурную область их применения. Для получения хороших механических свойств эти сплавы дополнительно легируют танталом и алюминием, что позволяет упрочнять их термической обработкой (табл. 16.2). Содержание углерода в сплавах должно быть минимальным Приведены е сплавы обладают xopoшими антикоррозионными свойствами и, что особенно важно, малым внутренним трением. Основной недостаток данных сплавов -- нестабильность значения коэффициента у при возможных колебаниях химического состава в пределах марки сплава.

10. Антифрикционные материалы для подшипников

Для изготовления вкладышей подшипников, работающих при повышенном удельном давлении и больших скоростях, применяют свинцовую бронзу БрСЗО с содержанием 27-33% РЬ, остальное медь.

Свинец практически не растворяется в меди в жидком состоянии, поэтому при затвердевании такой механической смеси жидких фаз получается также механическая смесь твердых фаз свинца и меди.

Антифрикционные материалы предназначена для изготовления подшипников (опор) скольжения, которые широко применяют в современных машинах и приборах из-за их устойчивости к вибрациям, бесшумности работы, небольших габаритов.

Основными служебными свойствами подшипниковых материалов является;

1. антифрикционность - способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали стального или чугунного вала. Антифрикционность обеспечивают следующие свойства подшипникового материала: а) высокая теплопроводность; б) хорошая смачиваемость смазочным материалом; в) способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого металла; г) хорошая прирабатываемость, основанная на способности материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта, что приводит к снижению местного давления и температуры на поверхности подшипника.

Критериями для оценки подшипникового материала служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики: давление р, действующее на oпору, скорость скольжения ?, параметр p?, определяющий удельную мощность трения. Допустимое значение параметра p? тем больше, чем выше способность материала снимать температуру нагрева и нагруженность контакта, сохранять граничную смазку.

Для подшипников скольжения используют металлические материалы, неметаллы, комбинированные материалы и минералы (полу- и драгоценные камни). Выбор материала зависит от режима смазки и условий работы oпop скольжения.

Металлические материалы. Они предназначены для работы в режиме жидкостного трения, сочетающемся в реальных условиях эксплуатации с режимом граничной смазки. Из-за перегрева, возможно разрушение граничной масля- ной пленки. Поведение материала в этот период работы зависит от его сопротивляемости схватыванию. Оно наиболеевысоко у сплавов, имеющих в структуре мягкую составляющую.

Металлические материалы по своей структуре подразделяются на два типа сплавов:

1)сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями; 2) сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями. К сплавам первого типа относятся баббиты и сплавы на основе меди -- бронзы и латуни. Мягкая матрица в них обеспечивает не только защитную реакцию подшипникового материала на усиление трения и хорошую прирабатываемость, но и особый микрорельеф поверхности, улучшающий снабжение смазочным м материалов участков трения и теплоотвод с них. Твердые включения, на которые опирается вал, обеспечивают высокую износостойкость.

Баббиты -- мягкие (HB 300) антифрикционные сплавы на оловянной или свинцовой основе. В соответствии с ГОСТ 1320-- 74 к сплавам на оловянной основе относятся баббиты Б83 (83 % Sn, 11% Sb и 6 % Cu) и Б88, на свинцовой основе -- Б16 (16 % Sn, 16% Sb, 2 % Cu) БСб,

Особую группy образуют более дешевые свинцово-кальциевые баббиты:

БКА и БК2 (ГОСТ 1209 78).

По антифрикционным свойствам баббиты превосходят все остальные сплавы, но значительно уступают им по сопротивлению усталости. В связи с этим баббиты применяют только для тонкого (менее l мм) покрытия рабочей поверхности опоры скольжения. Наилучшими свойствами обладают оловяннистые баббиты, у которых pr == (500--700) 10' Па - м/с. Из-за высокого содержания дорогостоящего олова их используют для подшипников ответственного назначения (дизелей, паровых турбин и т. п.), работающих при больших скоростях и нагрузках (табл. 10.3) Структура этих сплавов стоит из твердого раствора сурьмы в олове (мягкая фаза твердых включений Ц'(SnSb) и CuSiь

Бронзы относятся к лучшим антифрикционным материалам. Особое место среди них занимают оловяннистые и оловяннисто-цинково-свинцовистые бронзы. К первым относятся бронзы БрО1ОФ1, БрО1ОЦ2, ко вторым БрО5Ц5С5, БрО6Ц6СЗ и др. (ГОСТ 613--79) Бронзы применяют для монолитны 5х подшипников скольжения тур 5бин, электродвигателей, компрессоров работающих при значительных давлениях и средних скоростях скольжения В последнее время бронзы широко используют как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твердыми смазочными материалами.,

Латуни используют в качестве заменителей бронз для oпop трения. Однако по антифрикционным свойствам они уступают бронзам. Двухфазные лутупи ЛЦ1бК4, ЛЦЗ8Мп2С2, ЛЦ4ОМцЗА (ГОСТ 17711 -- 80) применяют при малых скоростях скольжения (менее2 м/с) и невысоких нагрузках. Их часто используют для oпop трения приборов. К сплавам второго типа относятся свинцовистая бронза БрСЗ0 с 30 % Pb (ГОСТ 493--79) и алюминевые сплавы с оловом (ГОСТ 14113--78), например, сплав A09 2 (9 % Sn и 2 % Cu). Функцию мягкой составляющей в этих сплавах выполняют включения свинца или олова. При граничном трении на поверхность вала переносится тонкая пленка этих мягких легкоплавких металлов, защищая шейку стального вала от повреждения.

Антифрикционные свойства сплавов достаточно высокие, особенно у алюминиевых сплавов. Из-за хорошей тепло-- проводности граничный слой смазочного материала на этих сплавах сохраняется при больших скоростях скольжения и высоком давлении (см. табл. 4). Алюминиевыйсплав A09--2 применяют для отливки монометаллических вкладышей, бронзу -- для наплавки на стальную ленту.

Таблица 4.

К сплавам второго типа относятся также серые чугуны, роль мягкой составляющей в которых выполняют включения графита. Для работы при значительных давлениях и малых скоростями скольжения (см. табл. 10.3) используют серые чугуны СЧ 15, СЧ 20 и легированные антифрикционные чугуны: серые А ЧС-- l, А ЧС-2, А ЧС-3; высоко- прочные А ЧВ- l, А ЧВ-2; ковкие А ЧК--1, АЧК-2 (ГОСТ 158M79). С целью уменьшения износа сопряженной детали марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы. Достоинство чугунов невысокая стоимость; недостатки плохая прирабатываемость, чувствительность к недостаточности смазочного материала и пониженная стойкость к воздействию ударной нагрузки.

В настоящее время наибольшее распространение получили многослойные подшипники в состав которых входят многие из рассмотренных выше сплавов. Сплавы или чистые металлы в них уложены слоями, каждый из которых имеет определенное назначение.

В качестве примера разберем строение четырехслойного подшипника (рис. 10.6), применяемого в современном автомобильном двигателе. Он состоит из стального основания, на котором находится слой (250 мкм) свинцовистой бронзы (БрС3О). Этот слой покрыт тонким слоем ( 10 мкм) никеля или латуни. На него нанесен слой сплава Pb -- Sn толщиной 25 мкм. Стальная основа обеспечивает прочность и жесткость подшипника; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость. Когда он износится, рабочим слоем становится свинцовистая бронза. Слой бронзы, имеющей невысокую твердость, также обеспечивает хорошее прилегание шейки вала, высокую теплопроводность и сопротивление усталости. Слой никеля служит барьером. не допускающим диффузию олова из верхнего слоя в свинец бронзы.

Рис. 10.6. Схема строения четырехслойного металлического подшипника скольжения: 1- сплав свинца и олова; 2-никель; 3- свинцовистая бронза; 4- сталь.

11. Резина и ее применение

В машиностроении часто используется резина -- сложная смесь, в которой основным компонентом является каучук. Резина обладает высокой эластичностью, которая сочетается с рядом других важнейших технических свойств: высоким сопротивлением разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, высокими электроизоляционными свойствами и малым удельным весом. К недостаткам резины относятся ее невысокая теплостойкость и малая стойкость к действию минеральных масел (за исключением специальной маслостойкой резины).

Применение резины.

Резиновые изделия находят самое широкое применение во всех отраслях народного хозяйства. Ассортимент резиновых изделий исчисляется в настоящее время десятками тысяч наименований. Основное применение резина находит в производстве шин. Кроме шин, в автомобиле насчитывается около 200 самых различных резиновых деталей: шланги, ремни, прокладки, втулки, муфты, буфера, мембраны, манжеты и т. д. Резина обладает высокими электроизоляционными свойствами, поэтому ее широко применяют для изоляции кабелей, проводов, магнето, защитных средств -- перчаток, галош, ковриков.

Состав резины.

В состав резины входят каучук, регенерат, вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, наполнители, мягчители, противостарители, красители. Каучук натуральный и синтетический является основным сырьем для получения резиновых изделий. В настоящее время резиновые материалы преимущественно производятся из синтетического каучука, который добывается из этилового спирта, нефти, природного газа и других веществ.

Регенерат -- пластичный материал, получаемый путем переработки старых резиновых изделий и отходов резинового производства. Применение регенерата уменьшает содержание каучука в резиновой смеси, снижает себестоимость резиновых изделий и несколько повышает их пластичность.

Основным вулканизирующим веществом является сера. Изменяя количество серы в составе резиновых смесей, можно получить резину, обладающую различными степенями эластичности. Процесс химического соединения каучука с серой при нагревании называется вулканизацией. При получении эластичных резин сера вводится в количестве 1--4% от массы каучука. Резина, содержащая 25--35% серы, представляет собой твердый материал, называемый эбонитом. Для сокращения продолжительности и температуры вулканизации вводятся в небольшом количестве (0,5--2,5%) ускорители (каптакс, окись свинца и т. д.).

Наполнители бывают активные, неактивные и специальные. К активным наполнителям (усилителям) относятся сажа, цинковые белила, каолин и другие вещества, повышающие механические свойства резины (прочность на разрыв и сопротивление истиранию). Сажа является основным наполнителем для получения прочной резины, обладающей высоким сопротивлением истиранию. К неактивным наполнителям относятся тальк, мел, инфузорная земля и др. Их вводят с целью увеличения объема и удешевления резины. К специальным наполнителям относятся каолин и асбест, придающие резине химическую стойкость, и диатомит, повышающий электроизоляционные свойства резины.

Мягчители (пластификаторы) придают резиновой смеси мягкость, пластичность и облегчают ее обработку.

Противостарители -- это вещества, предохраняющие резину от старения.

Основные виды резин. Армированной называют резину, внутрь которой введены прокладки из металлической сетки или спирали с целью повышения прочности и гибкости, что особенно важно для таких изделий, как автомобильные шины, приводные ремни, ленты транспортеров, трубопроводы и т. д. При ее приготовлении в резиновую смесь закладывают металлическую сетку, покрытую слоем латуни и обмазанную клеем, и подвергают одновременному прессованию и вулканизации.

Пористые резины по характеру пор и способу получения разделяются на губчатые -- с крупными открытыми порами, однородные ячеистые -- с закрытыми порами и микропористые. Способ их получения основан на способности каучука абсорбировать газы и на диффузии тазов через каучук. Пористая резина применяется при изготовлении амортизаторов, сидений, оконных прокладок, протекторных слоев покрышек.

Твердая резина, или эбонит, имеет темно-коричневую или красную окраску, теплостойкость от 50 до 90°С, выдерживает высокое пробивное напряжение (25-- 60 кВ/мин).

Эбонит применяется для изготовления конструкционных деталей, измерительных приборов и различной электроаппаратуры и поставляется для этих целей в виде пластин, прутков и трубок двух марок: А и Б. Кроме этого, выпускаются, эбонитовые аккумуляторные моноблоки, сепараторы (в виде гладких и ребристых пластин) и различные детали для щелочных аккумуляторов.

Мягкие резины -- это подавляющее большинство резин с самой различной твердостью, применяемые в производстве изделий промышленной техники, изделий широкого потребления и изделий электроизоляционного назначения.

Современная техника не может обойтись без резины. Из резины делают шины автомобилей, самолетов и велосипедов, изоляцию проводов, водолазные костюмы, баллоны аэростатов, галоши, шланги, надувные лодки, противогазы и многое другое.

Резина является продуктом переработки каучуков. Природный полимер - каучук свое название получил от индийского слова «каочу», что означает - «слезы дерева», которые появляются на каучуконосном дереве при его порезе. Много сотен лет назад индийцы научились использовать белую древесную смолу - каучук. Натуральный каучук (НК) получают из растений - так называемых каучуконосов. Натуральный каучук легко растворяется в воде. При нагреве до температуры 90°С каучук размягчается, становится липким, при температуре ниже нуля приобретает твердость и хрупкость. Бурное развитие техники не могло ограничиться использованием только натурального каучука и привело к созданию синтетических (искусственных) каучуков (СК). Промышленность различных стран производит чрезвычайно разнообразные синтетические каучукоподобные материалы. Исходным сырьем для получения каучука являются: этиловый спирт, ацетилен, бутан, этилен, бензол, изобутилен, некоторые галогенпроизводные углеродов и др. При полимеризации мономеров (дивинил, стирол, хлоропрен, хлористый винил и т.п.) получаются синтетические каучуки.

При сравнительно большой прочности натуральный каучук значительно уступает синтетическом по морозостойкости и стойкости против воздействия растворителей. Свойства резины в основном зависят от каучуков, входящих в ее состав. Качество синтетического каучука определяет стойкость резины к растворителям, к атмосферному воздействию, кислороду, агрессивным средам, теплостойкость, морозостойкость, упругость и эластичность, клейкость растворов резиновых смесей и другие свойства металла.

12. Общие сведения и технология изготовления резины

Компоненты, входящие в резиновую смесь

Для получения резины основным компонентом является каучук, который, соединяясь в процессе вулканизации с вулканизирующим веществом, образует резину. В качестве вулканизирующего вещества обычно применяют серу; тиоколовые каучуки вулканизируют перекисями металлов (перекись марганца, перекись свинца); полисилоксаны вулканизируют с помощью органических перекисей (перекись бензола); фторкаучуки вулканизируют органическими перекисями или диаминами. Для повышения механической прочности и износоустойчивости в состав резиновой смеси обычно вводят упрочняющий наполнитель. К числу таких наполнителей принадлежат вещества с предельно малой величиной частиц и высокоразвитой поверхностью. Наиболее распространенными упрочняющими наполнителями являются сажи. В производстве светлоокрашенных резин и резин, предназначенных для работы при повышенных температурах, в качестве упрочняющего наполнителя применяют окись кремния, окись титана, которые находятся в столь же мелкодисперсном состоянии.

В резиновую смесь вводят ускорители вулканизации, применяя для этого дифенилгуанидии и др. Иногда для повышения пластичности резиновой смеси и морозостойкости готовых изделий в резиновую смесь добавляют пластификаторы (стеариновая и олеиновая кислоты, парафины и др.).

Против старения (процесса соединения резины с кислородом воздуха) в резиновую смесь вводят противоокислители (противостарители), а для придания цвета добавляют красители (охра, ультрамарин).

Технология изготовления резины. Вулканизация

Процесс изготовления резины и резиновых деталей состоит из приготовления сырой резиновой смеси, получения из нее полуфабрикатов или деталей и их вулканизации. Технологический процесс включает в себя следующие операции: вальцевание, каландрирование, получение заготовок, формование и вулканизацию, обработку готовых деталей.

Для приготовления сырой резины каучук разрезают на куски и пропускают через вальцы для придания пластичности (рис. 180). Затем, в специальных смесителях каучук смешивают с порошкообразными компонентами, входящими в состав резины (вулканизирующие вещества, наполнители, ускорители вулканизации и т.д.), вводя их в резиновую смесь точно по весовой дозировке. Перемешивание можно производить и на вальцах. Таким образом получают однородную, пластичную и малоупругую массу -- сырую резину. Она легко формуется, растворяется в органических растворителях и при нагревании становится клейкой. Провальцованная резиновая смесь поступает на каландр для получения листов заданной толщины - процесс получения листовой резины. Из каландрованных листов заготовки деталей получают вырезкой по шаблонам, вырубкой штанцевыми ножами, формированием на шприцмашине. Для изготовления резиновых деталей формовым способом используются гидравлические вулканизационные прессы с электрообогревом. Прессование производят в пресс-формах методами прямого и литьевого прессования. Литье под давлением применяют для изготовления деталей сложной конфигурации. Детали, изготовленные литьем под давлением, имеют повышенную вибростойкость и хорошо воспринимают знакопеременные нагрузки.

Формование резин имеет много общего с формованием отвердевающих пластических масс, однако есть и некоторые отличия. Вследствие высокой пластичности резиновых смесей для заполнения форм, даже сложной конфигурации, не требуется давление выше 5 МПа (50 кгс/см2). В большинстве случаев изделия формуют под давлением 1--2 МПа (10--20 кгс/см2).

Для получения высокоэластичных прочных изделий (покрышек, трансмиссионных лент, ремней, рукавов) резиновую смесь наносят на высокопрочные ткани (корд, белтинг) из хлопчатобумажного волокна, полиамидного или полиэфирного волокна. Для сцепления резины с тканью применяют способы напрессовывания или пропитывания. В первом случае тонкие листы каландрованной сырой резины на специальных дополнительных дублировочных каландрах напрессовывают на ткань. Во втором случае ткань пропитывают раствором резиновой смеси (резиновым клеем) и сушат для удаления растворителя. Прорезиненную ткань раскраивают, собирают в пакеты и прессуют в изделия.

Многие резиновые изделия армируют металлическими деталями. Металлы или сплавы (за исключением латуни) не обладают адгезией (прилипаемостью) к резине, поэтому легко вырываются из изделия. Для придания адгезии металлической арматуры к резине на металл наносят клеевую пленку или осуществляют латунирование. Наиболее высокая прочность сцепления металла с резиной достигается путем нанесения на металлическую поверхность пленки изоционатного клея «лейконат» или ее латунирования. Любой процесс формования заканчивается процессом вулканизации. Каучук состоит из линейных молекул. При нагревании с серой (вулканизации) происходит укрупнение молекул и образование сетчатой структуры молекул, при этом каучук превращается в резину. В резине кроме линейных есть и трехмерные молекулы.

Усложнение и укрупнение молекул приводит к тому, что вещество приобретает упругость, не снижая эластичности, а кроме того, и стойкость к температурным и химическим воздействиям. Резина примерно на одну треть состоит из сажи, которая создает кристалличность строения вещества, увеличивает его прочность.

Вулканизацию осуществляют с нагревом и без нагрева. Длительность и температура вулканизации определяются рецептурой резиновой смеси (типом каучука и эффективностью введенного ускорителя); но обычно вулканизацию проводят при температуре 120--150⁰С.

При формировании деталей вулканизация их производится в пресс-формах на вулканизационных гидравлических прессах с паровым или электрическим обогревом. Формовой метод вулканизации дает более плотную, однородную структуру, более точные размеры и более чистую поверхность резинового изделия. При невозможности вулканизации в пресс-форме особенно изделий, полученных на шприцмашине накатыванием и дублированием, вулканизацию проводят в вулканизационном котле.

Почти все синтетические каучуки получают методом эмульсионной полимеризации в водных средах. Образующийся в этих условиях полимер получается с частицами, близкими к размерам коллоидных частиц. В присутствии специально вводимых веществ (эмульгаторов) частицы полимеров образуют устойчивую эмульсию полимера в воде, которая называется латексом. В настоящее время выпускается большое количество латексов, из которых непосредственно можно изготовлять резиновые изделия. Они применяются для получения фрикционных изделий, для пропитки корда, для изготовления абразивных шлифовальных камней, резиновых нитей, волосяных эластичных подушек, маканых изделий (перчатки, шары-пилоты), толстостенных изделий, для замены клеев латексными пастами, для получения резиновых пеноматериалов. Для получения резиновых изделий толщиной не более 0,2 мм форму (обычно стеклянную) несколько раз погружают в латекс. После каждого погружения на форме остается слой латекса, из которого удаляют воду высушиванием. Процесс изготовления изделий из латексов состоит из следующих операций: смешения латекса с вулканизирующими агентами и другими компонентами резиновой смеси: высаживания резины на форму в виде пленки по мере испарения воды; вулканизации.

Вулканизированные резиновые детали, в зависимости от предъявляемых к ним требований, подвергают дополнительной обработке. В большинстве случаев достаточно удаления облоя (заусенцев), что может выполняться и небольшими ножницами с загнутыми концами. При наличии в деталях сквозных отверстий применяют вырубные ножи. Для окончательного удаления следов облоя проводят дополнительную зашлифовку. В некоторых случаях для получения точных размеров требуется обточка и шлифовка всей поверхности детали. Эти операции проводятся в токарном патроне с помощью абразивных или фетровых кругов.

13. Свойства и основные виды резины

Применение резины в машиностроении обусловливается ее ценными свойствами. Резина обладает высокой упругостью и способностью поглощать вибрации, хорошо сопротивляться истиранию и многократному изгибу. Резина газо- и гидронепроницаема, стойка против воздействия масел, жидкого топлива и ряда других сред. Резина является диэлектриком. Резина в готовом изделии находится в термостабильном состоянии, она нерастворима (но обладает способностью набухать) в растворителях и не пластична. Исходная же невулканизированная резиновая смесь обладает хорошей пластичностью, обеспечивающей возможность формообразования разнообразных изделий; Свойства вулканизированных резин в значительной степени определяются характеристикой каучуков.

Резины из СКВ (синтетического бутадиенового каучука) имеют удовлетворительную механическую прочность и морозостойкость, ограниченную теплостойкость, сравнительно малую эластичность, легкую окисляемость, ограниченную химическую стойкость и газонепроницаемость. Резина применяется для изготовления почти всех видов резиновых деталей, особенно для изготовления автомобильных шин. Нейритовые резины обладают высокой прочностью, теплостойкостью до 110--120° С, малой набухаемостью в бензинах и маслах, достаточной атмосферостойкостью и химической устойчивостью. Они применяются преимущественно для изготовления маслоупорных и бензоупорных, а также термостойких изделий: спецодежды, обкладки для химической аппаратуры и валов, транспортных лент, оболочки аэростатов, противогазных шлемов, оболочки электрических кабелей, различных клеев и заменителей кожи.

Полисульфидные резины имеют невысокую прочность, морозостойкость и теплостойкость, повышенную бензо- и маслостойкость, высокую газонепроницаемость и применяются для изготовления шлангов, труб, рукавов, прокладок для бензина, масла и бензола.

Изопреновые резины обладают высокой прочностью при растяжении и при истирании, эластичностью и морозостойкостью, ограниченной теплостойкостью (80--100° С), повышенной окисляемостью, набухаемостью в бензинах и маслах, ограниченной химической стойкостью и газонепроницаемостью, пригодны для изготовления изделий общего назначения.

В резине не все линейные молекулы скреплены в трехмерные, поэтому она не теряет эластичности каучука. Если содержание серы в резине довести до 30--35%, то атомы серы скрепляют все нитевидные молекулы каучука в трехмерные. При этом молекулы каучука становятся крупнее, эластичность уменьшается, твердость увеличивается, образуется материал -- эбонит.

Эбонит хорошо обрабатывается на токарном, сверлильном и других станках. Он инертен, водостоек и широко используется в автотракторной, химической, электрорадиотехнической промышленностях как диэлектрик.

Если соединения молекул каучука производить не через атомы серы, а прямо -- углерод с углеродом (такая реакция соединения молекул каучука происходит при температуре выше 300° С), получается твердое вещество -- эскапон, обладающее исключительными электроизоляционными свойствами. Эскапон -- прозрачная, стеклообразная масса, хорошо обрабатывается и полируется. Он обладает высокой химической стойкостью, выдерживает нагревание до 400--500° С, нашел применение как высокочастотный диэлектрик в радиолокации и радиотехнике и для изготовления лаков.

На способности каучука абсорбировать газы и на его газопроницаемости основано производство пористых резин. В качестве порообразователя применяется двууглекислый натрий, вводимый в резиновые смеси в количестве 10--15%. Как упругий материал, хорошо поглощающий удары, пористая резина применяется для амортизации в качестве теплоизоляции, звукоизоляции и как материал для фильтров. Она используется в автомобильной и химической промышленностях, в холодильных установках, в производстве изделий санитарии и гигиены, медицинских приборов, спортивных товаров.

Силиконовая резина

Силиконовая резина - это эластичный материал, получаемый на базе высокомолекулярных кремнийорганических соединений и по внешнему виду напоминающий синтетическую или обычную натуральную резину. Однако вследствие своей особой химической структуры она отличается целым рядом свойств, которые позволяют ей занять особое место среди резиновых эластичных материалов. Основная структура силиконовой резины, в отличие от обычных видов резины, - это цепи из атомов кремния и кислорода с редкими поперечными сшивками. Этим обстоятельством обуславливается присущий ей в некоторой степени неорганический характер. Остальные связи кремния заняты органическими радикалами (R), в первую очередь метильными, чем объясняется сходство с обычными сортами резины.

Наряду с метильными группами полимерная цепь содержит небольшой процент алкиленовых групп, в первую очередь - винильных, что повышает реакционную способность при перекисном образовании сетчатых структур.

Устойчивость к экстремальным температурам

Силиконовая резина сохраняет свои свойства практически неограниченное время при температурах от -50°C до +180°C. Её можно использовать при температурах, близких к +250°C в течение нескольких сотен часов без появления хрупкости. Особо термостойкие типы силиконовой резины имеют достаточно долгий срок службы при температуре выше +200°C. Точно также особые сорта применимы при температурах до -100°C.

Зависимость свойств от температуры

Как и у всех силиконов, большинство свойств силиконовой резины зависят от температуры в меньшей степени, чем у органических материалов. Благодаря этому силиконовую резину можно с успехом использовать при более высоких и более низких температурах. К таким свойствам относятся, например, сохранение формы, эластичность, упругость, прочность, жёсткость и предельное удлинение. Среди электрических характеристик, которые также в меньшей степени зависят от температуры, следует назвать пробивную прочность, диэлектрические показатели, объёмное сопротивление.

Электрические свойства

Силиконовая резина при комнатной температуре обладает отличными изоляционными свойствами. Как уже отмечалось, эти свойства зависят от температуры лишь в малой степени. Поэтому силиконовая резина при температурах выше +100°C превышает по своим изоляционным показателям все традиционные эластомеры. Следует также отметить, что при хранении в воде отмечаются лишь ничтожные изменения электрических свойств. При сгорании изоляции из силиконовой резины остаётся непроводящий слой SiO2, благодаря чему обеспечивается более высокая защита электрических приборов и установок при нежелательных перегрузках.

Химическая стойкость

Силиконовая резина устойчива к растворам солей, кипящей воде, спиртам, фенолам, различным минеральным маслам, слабым кислотам и щелочам, а также к перекиси водорода. В определённых условиях при контакте с алифатическими углеводородами наблюдается сильное набухание силиконовой резины, но после их испарения к ней возвращаются первоначальные механические свойства, так как она не содержит экстрагируемых составных частей.

Физиологическое воздействие

Силиконовая резина не токсична, если она обработана по всем правилам. Поэтому она является идеальным материалом для медицинской техники и пищевой промышленности. Однако некоторые вулканизирующие средства могут оказывать на неё неблагоприятное воздействие. Эти средства вулканизации и продукты их распада устраняются путём достаточно длительного воздействия высоких температур. Свойства силиконовой резины в отличие от натурального каучука не меняются под воздействием света и воздуха в нормальных температурных диапазонах. Дождь, снег, морская вода также практически не оказывают воздействия на свойства силиконовой резины. Поэтому её можно считать устойчивой к атмосферным воздействиям. Она устойчива даже к озону, благодаря чему приобретает особенно важное значение для электротехнической промышленности. Кроме того, силиконовая резина устойчива к таким явлениям, как электрическая корона и дуга.

В производстве используются следующие виды резиновых изделий.

Техническая листовая резина предназначается для изготовления прокладок, клапанов, уплотнителей, амортизаторов и др.

Резиновый шнур круглого, квадратного и прямоугольного сечения -- используется для работы в качестве уплотнительных деталей. По свойствам резины шнуры подразделяются на пять типов: кислотощелочестойкие, теплостойкие, морозостойкие, маслобензиностойкие и пищевые.

Резинотканевые ленты применяют на конвейерах; они подразделяются на два вида: для общего назначения и специального (теплостойкие, морозостойкие и маслостойкие и пищевые). Ленты состоят из тканевого сердечника послойной конструкции и резиновой обкладки рабочей и нерабочей поверхности. Для прокладок применяются прорезиненные ткани: бельтинг и уточная шнуровая ткань.

Плоские ремни -- приводные тканевые, прорезиновые в зависимости от назначения и конструкции подразделяются на три типа: нарезные, применяющиеся для малых шкивов и больших скоростей; послойно завернутые -- для тяжелых работ с прерывной нагрузкой и средних скоростей; спирально завернутые ремни применяются для работ с небольшими нагрузками и при малой скорости (до 15 м/с). Ремни всех типов могут изготовляться как с резиновыми обкладками (одной или двумя), так и без них. Приводные клиновые ремни состоят из кордткани или кордшнура, оберточной ткани, свулканизированных в одно изделие. Вентиляторные клиновые ремни предназначены для автомобилей, тракторов и комбайнов.

Рукава (шланги) и трубы. Рукава резинотканевые с металлическими спиралями подразделяются на две группы, всасывающие -- для работы под разрежением и напорно-всасывающие -- для работы под давлением и под разряжением. В каждой группе в зависимости от перекачиваемого вещества рукава подразделяются на следующие типы: бензомаслостойкие, для воды, для воздуха, кислорода и нейтральных газов, для слабых растворов неорганических кислот и щелочей концентрацией до 20%, для жидких пищевых продуктов.

Резинотканевые напорные рукава применяются в качестве гибких трубопроводов для перемещения под давлением газов, жидкостей и сыпучих материалов; они состоят из внутреннего и наружного резиновых слоев и.одной или нескольких прокладок из прорезиненной ткани.

Резинотканевые паропроводные рукава состоят из внутреннего слоя резины, промежуточных прокладок и наружного слоя резины. Они применяются в качестве гибких паропроводов для насыщенного пара при давлении до 0,8 МПа (8 кгс/см2) и температуре 175° С.

Технические резиновые трубки кислотощелочестойкие предназначаются для перемещения растворов кислот и щелочей концентрацией до 20% (за исключением азотной и уксусной кислот); теплостойкие при температуре: в среде воздуха до

Т= 90° С, в среде водяного пара до +140° С; морозостойкие до --45° С; маслобензостойкие; пищевые.

Резинотканевые шевронные, многорядные уплотнения -- служат для обеспечения герметичности в гидравлических устройствах при возвратно-поступательном движении плунжеров, поршней и штоков, работающих в среде воды, эмульсии и минеральных масел.

Резиновые уплотнения применяются для валов, для работы в среде минеральных масел и воды при избыточном давлении.

Резиновые уплотнительные кольца--для соединительных головок тормозных рукавов, изготовляемых формованием; для гаек пожарных рукавов формованные.

Сальниковые набивки предназначаются для заполнения сальниковых уплотнений с целью герметизации места выхода движущейся детали механизма от рабочего пространства одной среды и одних параметров в пространство другой среды и других параметров; пропитанные набивки обеспечивают смазку подвижной детали механизма.

Возможности применения силиконовой резины чрезвычайно разнообразны и охватывают все отрасли промышленности.

В электротехнике её используют как изоляционный материал, особенно при высоких температурах, а также в тех случаях, которые связаны с воздействием влаги и озона. Из силиконовой резины делают оболочку для кабеля и проводов. В других случаях из неё изготовляют изоляционные трубы, либо без укрепляющих добавок, либо совместно со стеклонаполнителем. Ленты, изготовленные из стеклонитей или полиэфирного волокна и покрытые силиконовой резиной, в вулканизированной форме, служат как изоляционный материал, который накручивается внахлёст на электрический провод. Силиконовая резина используется в качестве замазки для нагревательных элементов, устанавливаемых для подпольного отопления террас, передающих установок, наружных лестниц. Следует отметить также токопроводящие силиконовые резиновые смеси, используемые для изготовления специальных кабелей, например, в автомобилестроении, а также клавишных переключателей в электронных усилителях, использующих изменение сопротивления от давления, высокие токи включения в которых могут создавать акустические помехи.

Наконец, силиконовая резина играет большую роль в области электротехнического машиностроения, например, там, где действуют высокие температуры: в рольгангах, в тяговых электродвигателях, в крановых электродвигателях. Кроме того, из силиконовой резины можно изготовлять покрытия с подогревом, при этом провод сопротивления вводится в резину.

Особую роль силиконовая резина играет в самолёто- и судостроении. Именно в этих отраслях требуется её работоспособность при высоких и низких температурах. Поэтому силиконовой резине здесь отдаётся предпочтение при изготовлении уплотнителей и изоляции.

В машиностроении силиконовая резина играет большую роль как уплотнительный материал. Широкое распространение нашли мембранные вентили и диафрагмы из силиконовой резины. Большое значение имеют, прежде всего, воздуходувки (шланги) горячего воздуха с тканевыми фильтрами и без них.

Транспортёры покрывают силиконовой резиной в тех случаях, когда они транспортируют горячие или липкие изделия. Для текстильной промышленности незаменимое значение приобрели термостойкие и антиадгезионные покрытия из силиконовой резины для валов. Силиконовые резины используются для раскатки клеевых слоев. В стекольной промышленности по роликам из силиконовой резины осуществляется транспортировка горячих стеклянных заготовок.

Применение в медицине

При конструировании и производстве медицинских изделий за частую используют различные полимерные материалы, такие как: силиконовая резина, полиуретан, полиэтилен, поливинилхлорид, полиамид и др. Наибольшее значение и применение в медицине находят силиконовая резина и полиуретан.

Силиконовые каучуки и, соответственно, силиконовые резины на их основе относятся к классу кремнийорганических полимеров (называемых также силиконы, полиорганосилоксаны). В упрощенном виде макромолекулы силиконовых каучуков представляют собой цепочки чередующихся атомов кислорода и кремния, обрамленного различными радикалами.

Начало широкого практического применения кремнийорганических полимеров, включающих жидкости, каучуки, резины, смолы, пластмассы, относится к сороковым годам ХХ в. Эти полимеры нашли полезное применение в разных областях техники, в том числе, в производстве разнообразных медицинских изделий. В этой сфере силиконовая резина практически не имеет себе равных среди других полимерных материалов благодаря комплексу уникальных свойств.

Биоэнертность и биостабильность - эти свойства являются определяющими для использования в медицинской технике. Многолетний опыт (первое применение СР в качестве имплантата относится к 1948 г.) показал, что правильно изготовленные изделия из силиконовых резин как при внешнем контакте, так и при кратковременном введении в организм, например, в просвет ЖКТ, или при длительной имплантации, в том числе, в течение всей жизни пациента, практически не оказывают токсического действия, не вызывают раздражения тканей и окружающей среды организма и не вызывают аллергенных реакций.

Гемосовместимость, кальцинация - эти характеристики столь же важны, как и трудно достижимы на требуемом уровне в медицинских полимерных изделиях. Однако, уникальные поверхностные свойства (гидрофобность, антиадгезионность, в том числе, по отношению к окружающим тканям, плохая совместимость с другими веществами) позволяют успешно использовать силиконовую резину в кардиохирургии при контакте с кровью, в нейрохирургии, урологии и др.

Устойчивость к стерилизационным воздействиям. Широкий температурный диапазон использования (от - 60⁰ C до + 150 - 200⁰ C) и высокая гидролитическая стойкость позволяют стерилизовать изделия из силиконовых резин воздушным методом (при 180⁰ C), острым паром в автоклаве при 120 - 130⁰ C, подвергать их длительному кипячению в воде.

Силиконовые резины достаточно химически инертны, хорошо противостоят действию слабых кислот и щелочей, растворов солей, аммиака, этилового спирта, ацетона, перекиси водорода, однако сильно набухают в бензине, ароматических растворителях и хлорированных углеводородах (набухание имеет обратимый характер).Перечисленные свойства силиконовых резин определили ее применение в медицинской технике. Можно сказать, что практически нет ни одной области хирургии, в которой не использовались бы изделия из силиконовых резин и нет ни одной области человеческого тела, в которую бы эти изделия не вводились на различные сроки. Изделия из силиконовых резин применяются в общей хирургии, сердечно - сосудистой хирурги, грудной хирургии, нейрохирургии, челюстно-лицевой хирургии, отоларингологии, офтальмологии, ортопедии, урологии, стоматологии, гинекологии, анестезиологии.

Особо необходимо отметить, что уже более двадцати лет при изготовлении медицинских изделий используется прогрессивный каталитический ("платиновый") метод вулканизации силиконовых резин взамен перекисного метода. В мировой практике этот метод используется при получении ответственных медицинских изделий, таких как имплантаты, эндопротезы и др.

В разные годы создана и внедрена в серийное производство широкая серия медицинских изделий из силиконовых резин различного назначения:

- Имплантируемые провода - электроды для электростимуляторов сердечной деятельности

- Модель искусственного сердца, доведенная до стадии экспериментов на животных

- Первые отечественные трубки, зонды, дренажи из силиконовой резины

- Имплантируемые системы для лечения гидроцефалии

- Силиконовые имплантаты для глазной хирургии для склеропластических операций, проводимых по поводу отслойки сетчатки

- Ларингеальные маски и др.

Размещено на Allbest.ru