Интерметаллические соединения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Стекло и стекломатериалы (ситаллы, стекловолокниты и др.): свойства, классификация, получение, применение

Неорганическое стекло следует рассматривать как особого вида затвердевший раствор -- сложный расплав высокой вязкости кислотных и основных оксидов.

В состав неорганических стекол входят стеклообразующие оксиды кремния, бора, фосфора, германия, мышьяка, образующие структурную сетку и модифицирующие оксиды натрия, калия, лития, кальция, магния, бария, изменяющие физико-химические свойства стекломассы. Кроме того, в состав стекла вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и др., которые самостоятельно не образуют структурный каркас, но могут частично замещать стеклообразующие оксиды и этим сообщать стеклу нужные технические характеристики. В связи с этим промышленные стекла являются сложными многокомпонентными системами.

Стекла классифицируют по ряду признаков: по стеклообразующему веществу, по содержанию модификаторов и по назначению.

В зависимости от химической природы стеклообразующего вещества стекла подразделяют на силикатные (SiО2), алюмосиликатные (Al2O3 -- SiO2), боросиликатные (В203 -- SiO2), алюмоборосиликатные (Al2O3--В2О3--SiО2), алюмофосфатные (А12О3--Р205) и др.

По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (содержащими оксиды Na20, К20), бесщелочными и кварцевыми.

По назначению все стекла подразделяют на технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные); строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки) и бытовые (стеклотара, посудные, бытовые зеркала и т. п.).

Общие свойства стекла. При нагреве стекло плавится в некотором температурном интервале, который зависит от состава. Температура стеклования tc - это температура, ниже которой стекло приобретает хрупкость. Для промышленных силикатных стекол температура стеклования tc -- 425 - 600°С, температура размягчения tр лежит в пределах 600--800°С. В интервале температур между tc и tр стекла находятся в высоковязком пластическом состоянии. При температуре выше tp (1000--1100 °С) проводятся все технологические процессы переработки стекломассы в изделия. Свойства стекла, как и всех аморфных тел, изотропны. Плотность стекла колеблется от 2200 до 6500 кг/м3.

Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию (500 -- 2000 МПа), низким пределом прочности при растяжении (30 -- 90 МПа) и изгибе (50 -- 150 МПа). Модуль упругости высокий (45--100 МПа), коэффициент Пуассона ? = 0,184 - 0,26. Твердость стекла, как и других неорганических материалов, часто определяется приближенным методом царапания по минералогической шкале Мооса и равна 5--7 единицам (за 10 единиц принята твердость алмаза, за единицу -- талька). Ударная вязкость стекла низкая (1,5--2,5 кДж/м2), оно хрупкое. Более высокие механические характеристики имеют стекла бесщелочного состава и кварцевые.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются их оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90 %, отражает примерно 8 % и поглощает около 1 % видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается почти полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Коэффициент преломления стекол составляет 1,47 -- 1,96, коэффициент рассеяния (дисперсии) находится в интервале 20 -- 71. Стекло с большим содержанием РbО поглощает рентгеновское излучение.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при его резком охлаждении в воде (t = 0°С).

Применение технических стекол. Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термопан и закаленные стекла.

Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяют на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты -- с высоким содержанием оксида свинца и большими значениями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновское и bизлучение. Светорассеивающие стекла содержат в своем составе фтор.

Остекление кабин и помещений, где находятся пульты управления мартеновских и дуговых печей, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах, выполняется стеклами, содержащими оксиды железа и ванадия, которые поглощают около 70 % инфракрасного излучения в интервале длин волн 0,7 --3 мкм.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химической стойкости применяют для изготовления тиглей, чаш, труб, наконечников, лабораторной посуды. Близкое по свойствам к кварцевому стеклу, но более технологичное кварцоидное (кремнеземное) стекло используют для электроколб, форм для точного литья и т. д. Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находят широкое применение в качестве термисторов, фотосопротивлений.

Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной управляемой кристаллизации.

Ситаллы получают путем плавления стекольной шихты специального состава с добавкой нуклеаторов (катализаторов), охлаждения расплава до пластичного состояния и формования из него изделии методами стекольной технологии и последующей ситаллизации (кристаллизации). Ситалловые изделия получают также порошковым методом спекания. Ситаллы подразделяют на фотоситаллы, термоситаллы и шлакоситаллы.

Фотоситаллы получают из стекол литиевой системы с нуклеаторами -- коллоидными красителями. Фотохимический процесс протекает при облучении стекла ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, при этом внешний вид стекла не изменяется, Процесс кристаллизации происходит при повторном нагревании изделия.

Термоситаллы получаются из стекол систем Л^О--А1303--* --БЮз, СаО--А1203--БЮ» и других с добавкой ТЮ2, РеЭ и т. п. нуклеаторов. Кристаллическая структура ситалла создается только в результате повторной термообработки предварительно отформованных изделий.

Структура ситаллов многофазная, состоит из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95 %. Размер кристаллов обычно не превышает 1--2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы до 40 %).

Шлакоситаллы получают на основе доменных шлаков и катализаторов (сульфаты, порошки железа и др.); вводятся соединения фтора для усиления ситаллизации.

В отличие от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеют структура и фазовый состав. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойства ситаллов изотропны. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка материала при его переработке незначительна. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам.

Применение ситаллов определяется их свойствами. Из ситаллов изготовляют подшипники, детали для двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности, оболочки вакуумных электронных приборов, детали радиоэлектроники. Ситаллы используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур. Их применяют в производстве текстильных машин, абразивов для шлифования, фильер для вытягивания синтетических волокон. Из ситаллов могут быть изготовлены лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей, они используются для изготовления точных калибров и оснований металлорежущих станков.

Теплозвукоизоляционные стекловолокнистые материалы. Эти материалы имеют рыхло волокнистую структуру с большим числом воздушных прослоек, волокна в них располагаются беспорядочно. Такая структура сообщает этим материалам малую объемную массу (20 -- 130 кг/м3), низкую теплопроводность [? = 0,030 - 0,0488 Вт/(м•К)].

Разновидностями стекловолокнистых материалов являются стекловата, применение которой ограничено ее хрупкостью; стекломаты -- материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3, состоящие из стекловолокон, расположенных между двумя слоями стеклоткани или стеклосетки, простеганной стеклонитками. Они применяются в интервале температур от -- 60 до 600 °С. Иногда стекловолокна сочетают с термореактивной смолой, придающей матам более устойчивую рыхлую структуру (материал АТИМСС), они работают при температуре до 150 °С. Материалы, вырабатываемые из короткого волокна и синтетических смол, называются плитами. Коэффициент звукопоглощения плит при частоте 200--800 Гц равен 0,5; при частоте 8000 Гц -- 0,65.

Стекловату, маты, плиты применяют для теплозвукоизоляции кабин самолетов, кузовов автомашин, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, корпусом судов, в холодильной технике, ими изолируют различные трубопроводы, автоклавы и т. д.

2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей (аустенитные, ферритные и карбидообразующие элементы, их распределение по фазам, влияние на характер превращения и др.)

Легирующие элементы, которые вводятся в сталь для получения требуемой структуры и свойств, могут образовывать с железом следующие фазы:

- твердые растворы;

- легированный цементит или самостоятельные специальные карбиды;

- интерметаллические соединения.

Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа.

Все элементы, за исключением углерода, азота, водорода, и отчасти бора, образуют с железом твердые растворы замещения. Они растворяются в железе и влияют на положение точек А3 и А4, определяющих температурную область существования ? - и ? -железа. Легирующие элементы по влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы.

К элементам первой группы относятся никель и марганец, которые понижают температуру точки А3 и повышают температуру точки А4. В результате этого по диаграмме состояния железо-- легирующий элемент наблюдается расширение области ? -фазы и сужение области существования ?-фазы (рис. 2, а). Как видно из рис. 2, а, под влиянием легирующих элементов температурная точка А4 повышается до линии солидус, а температурная точка А3 при повышенной концентрации легирующего элемента снижается до нормальной температуры. Следовательно, сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше указанной на рис. 1, а (точка х), не испытывают фазовых превращений ?? и при всех температурах представляют собой твердый раствор легирующего элемента в ? -железе. Такие сплавы называют аустенитными.



Сплавы, частично претерпевающие превращение ?? называют полуаустенитными.

На рис. 2, а, приведена диаграмма состояния сплавов Fе--Ni, иллюстрирующая описанные изменения в положении критических точек А3 и А4.

Элементы второй группы (Сr, Мо, W, V, Аl, Si и др.) понижают температуру критической точки A4 и повышают температуру точки A3. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (см. точку у на рис. 1, б) критические точки А3 и А4, а точнее их интервалы, сливаются, и область ? - фазы полностью замыкается. При содержании легирующего элемента большем, чем указано на рис. 1, б (точка у), сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в ? - железе. Такие сплавы называют ферритными, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение, -- полуферритными. На рис. 2, б приведена диаграмма состояния сплавов Fе--Сr, характерная для этой группы элементов.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на точку А1, соответствующую температуре перехода перлита в аустенит (рис. 3, а).

Никель и марганец снижают температуру А1, а Тi, Мо, Si, W и другие элементы повышают температуру А1 (см. рис. 3, а). Легирующие элементы уменьшают эвтектоидную концентрацию углерода (рис. 3, б) и предельную растворимость углерода в аустените, сдвигая точки S и Е на диаграмме состояния Fе -- С влево. Как видно из рис. 4, где приведены вертикальные разрезы тройной диаграммы состояния Fе--Мn--С и Fе--Сr--С, перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращения протекают не при постоянной температуре, как в двойных системах, а в некотором интервале температур. В системе Fе--Мn--С ?-фаза c увеличением содержания марганца существует и в области более низких температур. В системе Fе--Сr--С с возрастанием концентрации хрома область существования ? -фазы сужается. Состав карбидной фазы (К) в марганцовистых сталях соответствует соединению (FеМn)3С, в котором часть атомов железа замещена атомами марганца. В хромистых сталях образуются (FеСr)8С и специальные хромистые карбиды, состав и структура которых зависят от содержания углерода и хрома. При низком содержании углерода и высоком содержании хрома образуются ферритные стали, не претерпевающие полиморфного превращения (рис. 4, б).

Структура и свойства легированного феррита и аустенита.

Основой большинства современных легированных сталей является феррит, легированный одним или несколькими элементами. Легирование феррита сопровождается его упрочнением.

Наиболее сильно повышает ?т марганец и кремний (рис. 5, а), а хром, находящийся в твердом растворе, по данным разных авторов, снижает или несколько повышает прочность феррита (рис. 5, а). Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость КСU, трещиностойкость К1с и повышают порог хладноломкости t50. Содержание легирующих элементов, выше которого ударная вязкость КСU снижается, а порог хладноломкости повышается, для ванадия и хрома ~ 1 %, для кремния ~ 0,8 %, для марганца ~ 1,5 %. Никель при увеличении его концентрации в твердом растворе понижает порог хладноломкости t50.

железо стекло пластический полиморфный



При высоком содержании в стали Ni или Мn аустенит может существовать при низких температурах (см. рис. 1, а). Он является основной составляющей (матрицей) многих коррозионно-стойких жаропрочных и немагнитных сталей. Аустенит наиболее сильно упрочняет углерод, растворимость которого в нем достигает при нормальной температуре 1 %, и азот. Легирующие элементы, растворяясь в ?-железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах (рис. 5, б). Для легированного аустенита характерны низкий предел текучести при сравнительно высоком пределе прочности. Аустенит легко наклёпывается, т. е. быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения.



Карбидная фаза в легированных сталях.

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на две группы:

- графитизирующие элементы: Ni, Сu, Аl (находятся в твердом растворе);

- карбидообразующие элементы: Fе--МnСrWNbVZrТi (расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз).

При малом содержании в стали таких карбидообразующих элементов, как Мn, Сr, Мо и W, последние растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Состав цементита в этом случае может быть выражен формулой (FеМ)3С, где М -- легирующий элемент. Так, при растворении марганца в цементите образуются карбид (FеМn)3С, при растворении хрома карбид (FеСr)3С.

Марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа (Fе3СМn3С), хром -- до 25 ат. %, молибден -- до 3 ат. % и вольфрам лишь до 0,8--1,0 ат. %. Более сильные карбидообразующие элементы (Тi, V, Nb, Zr) практически не растворяются в цементите и образуют самостоятельные специальные карбиды.

При повышенном содержании хрома, вольфрама, молибдена в зависимости от содержания углерода в стали могут образовываться специальные карбиды.

На рис. 6 приведены изотермические сечения (при 20 °С) части тройных диаграмм состояния Fе--Сr--С, Fе--Мо---С и Fе--W--С; показаны фазовые области, в которых существуют разные карбидные фазы.

Если содержание хрома не превышает 2 %, то образуется легированный цементит (FеСr)3С. При повышенном содержании хрома образуется специальный карбид (СrFе)7С3, при еще большем содержании хрома (~ 10--12 %) -- карбид (СrFе)23С6 (рис. 6, а).

При введении вольфрама и молибдена в сталь в количестве, превышающем предел насыщения цементита этими элементами, образуются сложные карбиды Fе3Мо3С(Fе2Мо2С) и Fе3W3С(Fе2W2С) (рис. 6, б и в).

Специальные карбиды, образуемые легирующими элементами, способны растворить железо и другие металлические элементы. Так, например, карбид Сr7С3 при температуре 20°С растворяет до 55 % Fе, образуя сложный карбид (СrFе)7С3, а карбид Сr23С6 -- до 35 % Fе, образуя карбид (Cr, Fе)23С6.

Приняты следующие обозначения карбидов: М3С (карбиды цементитного типа), М7С3 и М23С6 (карбиды, имеющие кристаллическую решетку карбидов хрома), М6С и М4С (карбиды с решеткой, в которой атомы металла расположены по типу карбидов вольфрама или молибдена), и, наконец, МС (карбиды по типу кубической гранецентрированной решетки). Под символом М подразумевается сумма металлических элементов, входящих в состав карбида.

Карбиды, образующиеся в легированных сталях, можно разделить на две группы. К первой группе относятся карбиды типа М3С, М7С3, М23С6 и М6С(М4С), имеющие сложные кристаллические решетки. Карбиды этой группы сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве.

Ко второй группе относятся карбиды типа МС: VС, ТiC, NbС, ZrС, WС, ТаС и Мо2С и W2С. Эти карбиды относятся к фазам внедрения. В отличие от карбидов первой группы фазы внедрения в реальных условиях нагрева стали почти не растворяются в аустените.

Интерметаллические соединения.

При высоком содержании легирующие элементы образуют c железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить Fе7Мо6, Fе7W6 и др. В сплавах Fе--Cr- и Fе--V образуются твердая и хрупкая ?-фазы, отвечающие соединению FеСг (см. рис. 2, б), FеV. В сплавах Fе--Сr--Мо, Fе--Сr--Ni--Мо может образовываться хрупкая ?-фаза состава Fe3СrМо и др.

3. Изготовление изделий из полимеров и пластических масс (технологические свойства пластмасс, прямое и литьевое прессование, литье под давлением, экструзия и др.). Особенности обработки пластмасс резанием

Технологические свойства пластмасс влияют на выбор метода их переработки. К технологическим свойствам пластмасс относят: текучесть, влажность, время отверждения, дисперсность, усадку, таблетируемость, объемные характеристики.

Текучесть характеризует способность материала к вязкому течению под полимера, выдавленной в течение 10 мин через стандартное сопло под давлением определенного груза при заданной температуре. Так для литья под давлением текучесть равна 1,2-3 г/10 мин, для нанесения покрытий используют полимеры с текучестью 7 г /10 мин. Текучесть реактопласта равна длине стержня в мм, отпрессованного в подогреваемой прессформе с каналом уменьшающегося поперечного сечения. Этот показатель текучести, хотя и является относительной величиной, позволяет предварительно установить метод переработки: при текучести по Рашигу 90-180 мм применяют литьевое прессование, при текучести 30-150 мм - прямое прессование.

Усадка характеризует изменение размеров при формовании изделия и термообработке

У = (Lф-Lи) / Lф100,

Уд = (L-Lт) / Lф100 %,

где У - усадка после формования и охлаждения;

Уд - дополнительная усадка после термообработки;

Lф, Lи - размер формы и размер изделия после охлаждения;

L, Lт - размер изделия до термообработки и после охлаждения.

Усадка изделий из реактопластов зависит от способа формования изделия и вида реакции сшивания: полимеризации или поликонденсации. Причем последняя сопровождается выделением побочного продукта - воды, которая под действием высокой температуры испаряется. Процесс усадки протекает во времени; чем больше время выдержки, тем полнее протекает химическая реакция, а усадка изделия после извлечения из формы меньше. Однако после некоторого времени выдержки усадка при дальнейшем его увеличении остается постоянной. Влияние температуры на усадку: усадка увеличивается прямо пропорционально увеличению температуры. Усадка после обработки также зависит от влажности прессматериала и времени предварительного нагрева: с увеличением влажности усадка увеличивается, а с увеличением времени предварительного нагрева - уменьшается.

Усадка изделий из термопластов после формования связана с уменьшением плотности при понижении температуры до температуры эксплуатации.

Усадка полимера в различных направлениях по отношению к направлению течения для термо- и рекатопластов различна, т.е. полимеры имеют анизотропию усадки. Усадка термопластов больше усадки реактопластов.

Содержание влаги и летучих веществ. Содержание влаги в прессматериалах и полимерах увеличивается при хранении в открытой таре из-за гигроскопичности материала или конденсации ее на поверхности. Содержание летучих веществ в полимерах зависит от содержания в них остаточного мономера и низкокипящих пластификаторов, которые при переработке могут переходить в газообразное состояние.

Оптимальное содержание влаги: у реактопластов 2,5 - 3,5%, у термопластов - сотые и тысячные доли процента.

Гранулометрический состав оценивают размерами частиц и однородностью. Этот показатель определяет производительность при подаче материала из бункера в зоны нагрева и равномерность нагрева материала при формовании, что предупреждает вздутия и неровности поверхности изделия.

Объемные характеристики материала: насыпная плотность, удельный объем, коэффициент уплотнения. (Удельный объем - величина, определяемая отношением объема материала к его массе; насыпная плотность - величина обратная удельному объему). Этот показатель определяет величину загрузочной камеры прессформы, бункера и некоторые размеры оборудования, а при переработке пресспорошков с большим удельным объемом уменьшается производительность из-за плохой теплопроводности таких порошков.

Таблетируемость - это возможность спрессовывания прессматериала под действием внешних сил и сохранения полученной формы после снятия этих сил.

В основе процессов переработки пластмасс находятся физические и физико-химические процессы структурообразования и формования:

нагревание, плавление, стеклование и охлаждение;

изменение объема и размеров при воздействии температуры и давления;

деформирование, сопровождающееся развитием пластической (необратимой) и высокоэластичной деформации и ориентацией макромолекулярных цепей;

релаксационные процессы;

формирование надмолекулярной структуры, кристаллизация полимеров (кристаллизующихся);

деструкция полимеров.

Эти процессы могут проходить одновременно и взаимосвязанно. Преобладающим будет только один процесс на определенной стадии

В процессе формования изделий полимер нагревают до высокой температуры, деформируют путем сдвига, растяжения или сжатия и затем охлаждают. В зависимости от параметров указанных процессов можно в значительной мере изменить структуру, конформацию макромолекул, а также физико-механические, оптические и другие характеристики полимеров.

Метод экструзии

Процесс экструзии заключается в непрерывном выдавливании расплава полимера через формующую головку, придания ему необходимой конфигурации и последующем охлаждении изделия Течение расплава через формующие головки происходит под действием давления, которое создается шнековым или дисковым экструдером. Экструдер (экструзионная машина) должен обеспечивать передвижение полимера вдоль цилиндра, его плавление и гомогенизацию, а также создание в цилиндре машины гидростатического давления. Методом экструзии изготавливаются трубы, пленки, профили, сетки в основном из термопластичных полимеров полиэтилена, полистирола, поликарбоната, поливинилхлорида и др. Поскольку процесс экструзии осуществляется непрерывно, он является наиболее прогрессивным, так как позволяет производить изделия с небольшими трудовыми и энергетическими затратами при незначительных потерях материалов.

При изготовлении изделий методом экструзии в полимерах протекают в основном физические процессы, например, переход из одного физического или фазового состояния в другое. К химическим процессам, протекающим при экструзии, можно отнести термическую и механическую деструкцию полимеров, обусловленную соответственно высокими температурами и большими сдвиговыми напряжениями, возникающими при течении расплава полимера в рабочих узлах экструдера и формующей головке При обеспечении определенных технологических параметров эти химические процессы могут быть сведены к минимуму или полностью исключены.

В зависимости от характера процессов, протекающих в экструдере, а также от физического состояния полимера внутри цилиндра в шнековых (червячных) экструзионных машинах обычно выделяют три рабочие зоны: загрузки, плавления и дозирования. Такое разделение носит несколько условный характер, поскольку отсутствуют четкие границы раздела; например, плавление полимера начинается в зоне загрузки, а заканчивается в зоне дозирования. Тем не менее в существующих конструкциях машин имеется геометрическое разделение на зоны, обусловленное размерами шнека. Истинную границу зон в зависимости or состояния полимера можно установить экспериментально или математическими расчетами с учетом конкретных условий работы агрегата.

За зону загрузки обычно принимают длину шнека от загрузочного отверстия до места появления слоя расплава на поверхности цилиндра или шнека. Зона плавления -- это участок. шнека от начала плавления до полного расплавления слоя гранул или неполного плавления, но разрушения оставшегося твердого слоя гранул на части, распределения их в расплаве и перехода на движение в результате вязкого течения. В зоне дозирования происходит окончательное плавление оставшихся частиц, выравнивание температуры расплава полимера по сечению и его гомогенизация, т. е. тщательное перемешивание расплава и придание ему однородных свойств за счет сдвиговых деформаций вязкого течения в каналах шнека.

При использовании дисковых экструдеров полимер в виде гранул или порошка поступает в зазор между вращающимся и неподвижным дисками и плавится, благодаря выделению теплоты трения. Поскольку расплав полимера является вязкоупругой жидкостью, то при вращении диска в расплаве возникают нормальные напряжения и создается давление, под действием которого происходит выдавливание полимера через формующую головку. Захват полимерного материала, поступающего из бункера 1 (рисунок 7). в виде гранул, порошка или в форме ленты, в цилиндре 2 и выдавливание последовательно через сетку 3, решетку 4 и профилирующее отверстие оформляющей головки 5 осуществляются червяком 6. Нагрев и расплавление материала происходит под действием тепла, поступающего от устройств 7 внешнего обогрева, и от тепла, образовавшегося при трении в процессе работы червяка, привод которого осуществляется от электродвигателя 8 через вариатор или редуктор 9 и передачу 10.

1- бункер; 2 - цилиндр; 3 - сетка; 4 - решетка; 5 - оформляющая головка; 6 - червяк.

Рисунок 7 - Схема работы машины непрерывного выдавливания



Непрерывным выдавливанием изготовляют трубы, шланги, пленку, ленту, листы, различные профили, полые выдувные изделия с последующей раздувкой их сжатым воздухом и другие изделия, а также гранулы. Выдавливанием можно покрывать (кашировать), в частности полиэтиленом, бумажные и тканевые ленты и металлические изделия. Процесс выдавливания используется также для пластикации термопластов, удаления из них влаги и летучих веществ.

Изготовление изделий из термопластов литьем под давлением

Литье под давлением -- наиболее распространенный и прогрессивный метод переработки пластмасс, так как позволяет получать изделия сравнительно сложной конфигурации при небольших затратах труда и энергии. Процесс изготовления изделий основан на заполнении формующей полости формы расплавом с последующим его уплотнением за счет давления и охлаждением.

Этим способом можно перерабатывать все без исключения пластичные полимеры, вид и марки которых выбирают в зависимости от назначения изделий, прочности, теплостойкости и других свойств. Для литья под давлением обычно используют полимеры с показателем текучести расплава от 2 до 7 г/10 мин. Однако можно перерабатывать полимеры и с меньшей текучестью, но при этом требуется более высокая температура, что не всегда допустимо, так как может произойти термическая деструкция. Физико-химические основы литья под давлением аналогичны таковым для экструзии и выдувания пустотелых изделий, однако имеются и некоторые принципиальные отличия. Так, процесс формования происходит в очень короткое время, поэтому расплав впрыскивается в форму (течет) с очень большой скоростью, что, естественно, приводит к дополнительному разогреву и значительной ориентации макромолекул. Степень ориентации повышается также за счет больших сдвиговых напряжений, возникающих в формующей полости, при течении расплава между двумя охлаждаемыми пластинами. Очень быстрое двухстороннее охлаждение расплава приводит к сильному изменению объема, а так как полимер охлаждается снаружи, то образующийся наружный твердый слой полимера препятствует уменьшению объема, поэтому возможно появление утяжин. Для предотвращения этого необходимо перед охлаждением повышать давление в форме до 140-180 МПа. Однако охлаждение под высоким давлением затрудняет протекание релаксационных процессов и сильно изменяет условия кристаллизации. Поскольку литьем под давление изготавливаются изделия сложной конфигурации, очень трудно обеспечить равномерное охлаждение всех их элементов. В связи с этим релаксационные процессы в отдельных местах изделия завершаются на различном уровне, а после охлаждения остаются внутренние остаточные напряжения, вызывающие коробление изделий, снижение их прочности или появление трещин.

Литье под давлением -- периодический процесс, в котором технологические операции выполняются в определенной последовательности по замкнутому циклу. Поэтому процесс литья под давлением довольно просто автоматизируется с использованием простейших серийных приборов, таких, как реле времени, регуляторы давления и электронные потенциометры, а с помощью датчиков, преобразующих технологические параметры в электрические сигналы, легко может быть переключен на управление с ЭВМ. Это позволяет существенно повысить эффективность производства.

Изготовление изделий каландрованием

Каландрование -- это технологический процесс получения плоского бесконечного полотна определенной ширины и толщины, осуществляемый за счет деформации расплава полимера в зазоре между вращающимися валками. Методом каландрования получают пленки, тонкие листы из жесткого или пластифицированного поливинилхлорида, полиэтилена, ацетатов целлюлозы, ударопрочного полистирола и других полимеров. Широкое применение находит каландрование для получения линолеума из высоко-наполненных композиций на основе поливинилхлорида, рисунок 8.

1-смеситель; 2-вальцы; 3-шнековый смеситель; 4-каландр; 5-охлаждающие валки; 6-тянущее устройство; 7-толщиномер; 8-устройство для обрезания кромок; 9-намоточный агрегат

Рисунок 8 - Технологическая схема изготовления изделий каландрованием

Технологический процесс получения пленок или листов состоит из следующих операций:

смешение компонентов и нагревание композиции;

формование полотна;

охлаждение;

намотка или разрезание полотна.

Исходные компоненты из дозаторов загружаются в смеситель 1, откуда смесь поступает на вальцы 2, где разогревается и дополнительно перемешивается. С вальцов масса в виде ленты направляется непосредственно на каландр 4 или в шнековый смеситель 3, а затем на каландр. Пленка полимера проходит охлаждающие валки 5, отводится тянущим устройством в и наматывается в виде рулонов на намоточном агрегате 9.

Механическую обработку деталей из пластмасс применяют с целью:

изготовления более точных, чем при прессовании или литье деталей;

изготовления деталей из листовых пластиков, так как эти материалы поставляют в виде листов, плит, труб и фасонных профилей;

удаления литников, облоя, грата, пленки в отверстиях и т.п. - отделки (на отдельных заводах трудоемкость этих операций около 80% общей трудоемкости изготовления пластмассовой детали);

более экономичного изготовления деталей сложной конфигурации;

изготовления деталей в условиях единичного и мелкосерийного производства.

Мехобработка пластмасс по сравнению с обработкой резанием металлов имеет специфические особенности из-за ее низкой теплопроводности, вязкости, абразивных свойств, которые определяют характерные требования, предъявляемые к конструкции и геометрии режущего инструмента, к конструкции и оснастке станков.

При механообработке пластмасс различают разделительную штамповку и обработку пластмасс резанием.

Разделительную штамповку применяют для изготовления деталей из листовых материалов. При этом выполняют следующие операции: вырубку, пробивку, отрезку, разрезку, обрезку, зачистку. Наиболее распространены операции вырубки, пробивки, разрезки, зачистки.

Обработку пластмасс резанием применяют для отделки (удаления литников, облоя, пленки и др.) после горячего формообразования деталей и как самостоятельный способ изготовления деталей из поделочных пластмасс. При этом выполняют следующие операции: разрезку, точение, фрезерование, сверление, нарезание резьб, шлифование, полирование.

Особенности механической обработки

При разделительной штамповке, наряду с известными особенностями для штамповки металлов, имеют место особенности, связанные с резкой анизотропией механических свойств пластмасс в плоскости листа и перпендикулярно ей: расслоение, трещины, ореолы и изменение цвета. Эти особенности вызваны значительными напряжениями сжатия и изгиба, достигающими предела прочности. Расслоение материала по толщине характерно для слоистых пластиков (гетинакса, стеклотекстолита и др.) и возникает по периметру разделения на расстоянии до 3-5 S от поверхности разделения; трещины возникают чаще всего со стороны пуансона у поверхности - поверхностные трещины, сплошные трещины возникают при недостаточном расстоянии между отверстиями; ореолы - вспучивание и изменение цвета материала вдоль периметра отверстия, вызванное расслоением материала.

Особенности обработки металлов резанием полностью относятся и к обработке пластмасс. Однако особенность строения и состава накладывают дополнительные особенности.

Относительная низкая плотность, невысокая прочность и твердость пластмасс обусловливают малое сопротивление пластмасс сжатию и срезу при обработке резанием, и усилия резания оказываются значительно меньшими, чем при обработке металлов. Поэтому появляется возможность применять для обработки пластмасс высокие режимы резания.

При обработке реактопластов образуется стружка надлома, легко рассыпающаяся, а при резании термопластов в большинстве случаев образуется непрерывная сливная стружка. При резании пластмасс возникают сравнительно высокие температуры (до 500 С) на трущихся поверхностях инструмента, а на деталях возникают прижоги. Это объясняется тем, что теплопроводность пластмасс в несколько раз меньше, чем у металлов.

После механообработки в поверхностных слоях детали возникают остаточные напряжения, которые складываясь с монтажными напряжениями (например, при затяжке болтов, винтов), часто приводят к появлению мелких поверхностных трещин. Для уменьшения остаточных напряжений при обработке реактопластов применяют различные технологические приемы: сжатие материала в зоне сверления, попутное фрезерование, многооперационное сверление с минимальным припуском на последнем переходе; для термопластов - умеренный нагрев.



Литература

1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для вузов. - 3 е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.: ил.

2. О. А. Алпатова. Технология пластмасс: учебное пособие. - Павлодар, 2006. - 96 с.

3. Расчет припусков на обработку деталей: Метод. указания / сост. Т. А. Желобова; Владим. гос. ун - т. - Владимир: Изд - во Владим. гос. ун - та, 2005. - 52 с.

4. Анурьев В. И. Справочник конструктора - машиностроителя: В 3 т. Т. 1. - 8 -е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 2001. - 920 с.: ил.

Размещено на Allbest.ur

...