Получение заготовок деталей машин из неметаллических и композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Получение заготовок деталей машин из неметаллических и композиционных материалов



Порошковая металлургия

Порошковой металлургией называется область техники, охватывающая совокупность методов изготовления: порошков металлов и сплавов, полуфабрикатов и изделий из них или их смесей с неметаллическими порошками.

Технологический процесс производства изделий методом порошковой металлургии состоит из следующих основных операций: получение металлического порошка или смеси порошков разнородных материалов, формование, спекание и дополнительная обработка спеченных порошковых изделий (механическая обработка, калибровка, термическая и химико-термическая обработка и др.). Однако в производственной практике нередко встречаются отклонения от этой совокупности элементов технологии. Например, процессы формования и спекания можно совместить в одной операции. При этом использование порошкообразного вещества в качестве исходного и применение нагрева до температур ниже точки плавления основного компонента смеси остаются неизменными в любом из вариантов технологии порошковой металлургии.

Основные направления развития порошковой металлургии связаны прежде всего с преодолением затруднений в осуществлении процесса литья тугоплавких редких металлов (вольфрам, молибден, тантал и др.) и с возможностями производства порошковых материалов и изделий со специфическими свойствами, не достижимыми другими технологическими способами, например получение композитов типа: вольфрам - медь, твердых сплавов, пористых подшипников, фильтров и пр.

Метод порошковой металлургии позволяет изготовлять многие изделия (например, детали машин и приборов) из обычных материалов и с обычными свойствами, но с лучшими технико-экономическими показателями производства по сравнению с изделиями, полученными традиционной технологией. При изготовлении изделий методом порошковой металлургии потери материалов составляют до 5-7 %, а при металлообработке литья и даже проката в стружку теряется до 60-70 %.

Наконец, важным направлением порошковой металлургии является производство металлических порошков, предназначенных для непосредственного использования (краски, пиротехнические взрывчатые смеси, катали- заторы, сварочные материалы и др.), в том числе для упрочнения и защиты от коррозии деталей машин и приборов методами напыления.

Метод получения порошков и природа материала определяют свойства порошков:

химические (содержание компонентов, примесей и загрязнений, пирофорность и токсичность);

физические (форма, размер, удельная поверхность, истинная плотность и микротвердость частиц);

технологические (насыпная плотность, текучесть, формуемость и прессуемость порошка).

В некоторых случаях необходимо знание и более специфических свойств порошка, например цвета, блеска, кроющей способности красителя из него и пр. Очень часто некоторые свойства порошка одного и того же металла существенно изменяются в зависимости от метода производства. Порошки, идентичные по химическому составу, могут иметь разные физические характеристики и резко различаться по технологическим свойствам, что приводит к значительным изменениям условий дальнейшего превращения порошка в готовые изделия и влияет на их свойства.

Методы получения порошков

Разнообразие требований, предъявляемых к порошкам в зависимости от области их применения, а также свойства самих металлов объясняют существование большого числа различных методов производства металли- ческих порошков. Общепринятым является условное деление этих методов на физико-химические и механические.

К физико-химическим методам относят технологические процессы производства порошков, связанные с глубокими физико-химическими превращениями исходного сырья. В результате получаемый порошок по химическому составу и структуре существенно отличается от исходного материала. Основными являются методы восстановления металлов, электролиз и термическая диссоциация карбонилов.

Механические методы обеспечивают превращение исходного матери- ала в порошок без существенного изменения его химического состава. Чаще всего используют размол твердых материалов в мельницах различных конструкций и диспергирование расплавов.

Физико-химические способы получения порошков в целом более универсальны, чем механические. Возможность использования дешевого сырья (отходы производства в виде окалины, оксидов и т. д.) делает многие физико-химические способы экономичными. Порошки ряда тугоплавких металлов, а также порошки сплавов и соединений на их основе могут быть получены только физико-химическими способами.

Выбирая метод получения металлического порошка, учитывают преж- де всего необходимость обеспечения требований, предъявляемых к конечной продукции из него, а также экономическую оценку соответствующих техно- логических процессов себестоимость порошка, размер капиталовложений, стоимость дальнейшей переработки порошка в изделия.

порошковая металлургия неметаллический композиционный



Рис. 9.1. Разновидность технологической схемы получения железного порошка методом восстановления окалины

Механические методы получения порошков могут применяться как самостоятельные, а также входить в схему производства порошка физико- химическими методами (рис. 9.1).

Диспергирование расплавов - это способ получения металлического порошка распылением расплавленного металла или сплава струей сжатого газа, жидкости или механическим путем.

Распылением получаются порошки железа, сталей, чистых металлов, в том числе легких и тугоплавких, а также сплавов на их основе.

Распыление эффективно для получения порошков многокомпонентных сплавов и обеспечивает объемную равномерность химического состава, оп- тимальное строение и тонкую структуру каждой частицы. Методы диспер- гирования позволяют увеличить выпуск порошков с контролируемыми свойствами.

Рис. 9.2. Распыление жидкого сплава инертным газом

Одним из распространенных способов распыления для многотоннаж- ного получения порошков быстрорежущих сталей является диспергирование газом (аргоном, гелием или азотом). Схема с вертикальным расположением форсунки, где на струю расплавленного металла под углами 60направлены потоки подогретого газа с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью, представлена на рис. 9.2.

Полученные порошки подвергаются восстановительному отжигу. Механические способы получения порошков, основанные на измельчении твердых тел, часто совмещают с приготовлением смесей порошков. Из методов измельчения наибольшее распространение получили:

обработка металлов резанием с образованием мелкой стружки или опилок;

измельчение металлов в паровых, вихревых, центробежных, молотковых и других мельницах.

Рис. 9.3. Барабанная шаровая мельница: а - схема устройства;

б - схема перемещения размольных тел и измельчаемого материала

Одним из наиболее распространенных видов размольного оборудова- ния являются барабанные мельницы. В простейшем конструктивном вари- анте такая мельница представляет собой вращающийся вокруг горизонталь- ной оси барабан, внутри которого находится измельчаемый материал и мелющие тела (рис. 9.3, а). Мелющие тела чаще всего имеют форму шара и изготовлены из стали.

Процессы, происходящие в рабочем объеме барабанных мельниц, сводятся к следующему: мелющие тела поднимаются на некоторую высоту в направлении вращения барабана, до тех пор пока угол подъема не превысит угол естественного откоса, после чего шары скатываются или падают вниз и измельчают материал, истирая и раздалбливая его.

Измельчение может быть мокрым и сухим. Считается, что мокрое измельчение более эффективно и улучшает экологические характеристики оборудования.

Формообразование заготовок

Прессование изделий из порошков начинается с приготовления смеси и включает предварительный отжиг, сортировку порошка по размерам частиц и смешение порошков разного состава.

Предварительный отжиг порошка способствует восстановлению окси- дов и снимает наклеп, возникающий при механическом измельчении исходного материала.

В металлические порошки вводят технологические присадочные мате- риалы различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеино- вая кислота и др.), облегчающие процесс прессования и способствующие получению заготовок высокого качества; легкоплавкие материалы, улучшаю- щие процесс спекания; летучие вещества, обеспечивающие получение заданной пористости.

Холодное прессование. При холодном прессовании в закрытых пресс- формах (рис. 9.4, а) определенное количество подготовленного порошка 3 засыпают в пресс-форму 2 и прессуют пуансоном 1.

Порошковые металлы, в отличие от металлов, полученных традицион- ными методами, при деформации изменяют не только форму, но и объем. Обычно при формовании высота заготовки по отношению к высоте насыпанного порошка уменьшается в 3?4 раза и более.

Прочность получаемой заготовки обеспечивается в основном силами механического сцепления частиц порошка. С увеличением давления прессо- вания прочность заготовки возрастает. Давление распределяется неравно- мерно по высоте прессуемой заготовки вследствие влияния трения порошка о стенки пресс-формы, в результате чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте.

В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок приме- няют одно- и двустороннее прессование. Односторонним прессованием (рис. 9.4, а) получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наруж- ного диаметра к толщине стенки меньше трех. Двустороннее прессование (рис. 9.4, б) применяют для формообразования заготовок сложной формы. В этом случае требуемое давление для получения равномерной плотности снижается на 30?40 %. Давление прессования зависит от требуемой плот- ности, формы прессуемой заготовки, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить необходимое давление.

1 1

Рис. 9.4. Схемы одностороннего (а) и двустороннего (б) холодного прессования

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим и пластическим деформациям, в результате чего в заготовке накапливаются

Горячее прессование. При горячем прессовании технологически сов- мещаются процессы формообразования и спекания заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6-0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву пресс-формы или порошка в ней процесс уплотнения протекает гораздо интенсивнее, чем при холодном прессовании. Это позволяет значительно уменьшить необходимое давление прессования. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью, плотностью и однородностью структуры. Этот метод приме- няют для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых композиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды и т. д.). Малая стойкость пресс-форм, необходимость проведения процесса в среде защит- ных газов ограничивают применение горячего прессования и обусловливает его использование только в тех случаях, когда другие методы порошковой металлургии не обеспечивают заданных эксплуатационных свойств.

Пресс-формы стоят дорого, поэтому изготовление прессовок в них является экономически целесообразным в условиях крупносерийного массо- вого производства (как правило, изготовление деталей массой до 1 кг), когда стоимость пресс-форм и технического оборудования окупается.

Гидростатическое прессование применяют для получения металлоке- рамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что порошок 6 (рис. 9.5), заключенный в эластичную оболочку 5, подвергают равномерному и всесто- роннему обжатию в специальных герметизированных камерах. Отсутствие внешнего трения способствует получению заготовок равномерной плотности и снижению требуемого давления. В качестве рабочей жидкости 4 исполь- зуют масло, воду, глицерин и др.

Гидростатическое формование металлических порошков наиболее ши- роко применяют при изготовлении изделий и заготовок, которые в дальней- шем идут на обработку давлением. С развитием реактивной авиации и ракет- ной техники возникла необходимость получения крупных поковок и листов из тугоплавких металлов и их сплавов. Задача получения крупных (заготовок равномерной плотности была решена с помощью гидростатического формо- вания.

Прокатка металлических порошков, т. е. их непрерывное формование, является одним из перспективных способов порошковой металлургии, что объясняется рядом преимуществ этого метода. Прокаткой можно получить однородные по плотности изделия большой площади, любых размеров по длине, сравнительно большие по ширине при очень малой толщине. При этом не требуется мощного прессового оборудования, как это имеет место при обычных методах формования. При прокатке порошков резко возрастают производительность и экономичность процесса, поскольку не требуется больших капитальных затрат на литейные цеха и цеха горячей прокатки слитков, значительно сокращается число технологических операций и повы- шается выход годной продукции.

1

Рис. 9.5. Схема установки гидростатического формования:

1 манометр; 2 - предохранительный клапан; 3 - крышка; 4 - жидкость;

Рис. 9.6. Методы прокатки порошков: а - двухслойной; б - трехслойной

Метод прокатки металлических порошков (рис. 9.6) состоит в следую- щем. Подготовленная шихта засыпается в бункер, откуда поступает в зазор между вращающимися навстречу друг другу валками. Металлический поро- шок, продвигаясь в очаге деформации - области, ограниченной упорами бункера и частью поверхности валков, уплотняется и формируется в ленту. Выходя из валков, лента попадает на направляющую, откуда поступает в печь на спекание или сматывается в рулон. Таким образом, процесс прокатки можно рассматривать как непрерывное формование с постепенным уплотнением от сыпучего состояния материала до жесткого пористого тела.

Для повышения плотности и улучшения механических свойств спечен- ную ленту подвергают дальнейшей многократной холодной прокатке с про- межуточными отжигами. После этих операций лента по своим свойствам не отличается от полученной из слитков. Порошковую ленту можно прокаты- вать в вертикальном и горизонтальном направлениях в зависимости от расположения прокатных лент.

Прокаткой порошка можно получать биметаллические и многослойные ленты и полосы. Для получения биметаллической ленты в бункер вставляет- ся перегородка, которая нижним срезом доходит до зоны деформации и разделяет подаваемые порошки (рис. 9.6, а). Аналогичным способом можно получать и многослойные ленты. В этом случае в бункер устанавливаются несколько перегородок по числу слоев ленты (рис 9.6, б). Немного отличает- ся от этой методики получение биметаллической ленты из компактного металла и порошкового слоя. В этом случае прокатка порошка проводится совместно с компактной подложкой. После прокатки заготовка спекается или подвергается дополнительной горячей прокатке. Так изготовляют тормозные стальные ленты, с фрикционным металлокерамическим слоем.

Прокаткой порошков можно получать не только листы и ленту, но и простейшие профили: прутки, проволоку и т. д.



Спекание

При спекании увеличивается поверхность контакта частиц, а также плотность материала и его прочность.

Температура спекания зависит не только от химического состава прес- совки, но и от фракции порошка. В прессовках из тонких порошков частицы имеют большую внутреннюю и внешнюю (в связи с пористостью) поверх- ность, температуры спекания таких прессовок ниже, чем температуры спе- кания прессовок из порошков более крупной фракции того же состава.

Твердофазное спекание однокомпонентных прессовок производится при температуре около 0,7-0,9 их абсолютной температуры плавления. В началь- ной стадии спекания (рис. 9.7, а) снимаются наклеп и остаточные напряже- ния (возникшие при прессовании), что сопровождается ослаблением физичес- кого контакта между частицами, при этом относительная плотность остается практически неизменной (рис. 9.7, б). По достижении температуры, составляющей примерно половину температуры плавления, развиваются процессы восстановления оксидов и удаления из прессовки газообразных продуктов; снижение или повышение плотности на этом этапе зависит от начального количества оксидов и характера порообразования, препятствую- щего (при закрытых порах) или способствующего (при открытых порах) удалению газов. На последнем высокотемпературном - этапе спекания идет диффузионная рекристаллизация с полным развитием металлических контактов, что сопровождается уплотнением материала (рис. 9.7, в, г).

Твердофазное спекание двух- и многокомпонентных прессовок производится при температуре несколько ниже точки плавления наиболее низкоплавкого компонента в порошковой смеси.

Жидкофазное спекание многокомпонентных прессовок производится при нагреве несколько выше температуры плавления самого легкоплавкого компонента, вводимого в смесь порошков в качестве связующего, или точки плавления эвтектики этого компонента с другими компонентами порошковой смеси. От взаимной растворимости компонентов и их способности образовывать химические соединения зависит, будет полученный после спекания материал однофазным или многофазным.

Прессовки имеют, как правило, большую удельную поверхность и склонность к окислению, поэтому спекание производят чаще в нейтральной или восстановительной среде (вакуум, угольные засыпки, водород, азот).

Если на поверхности частиц находятся оксиды, не восстанавливаю- щиеся водородом, то в шихту вводят сжатый углерод, восстанавливающий при нагреве металлы из оксидов (оксиды титана, магния, хрома, тантала, ниобия).

а б

Рис. 9.7. Схема объединения структурных элементов порошковой заготовки при уплотнении и спекании

Спеченные материалы можно подвергать ковке, прокатке, штамповке при повышенных температурах. Обработка давлением позволяет снизить пористость материалов и повысить их пластичность. Например, у спеченных заготовок вольфрама с исходной пористостью 38 40 % после ковки порис- тость снижается до 2 5 % и металл приобретает пластичность, необходимую для протяжки через фильеры или прокатки. Для снятия напряжений перед прокаткой заготовки из вольфрама подвергают промежуточному отжигу при температурах выше 1200 °С. После протяжки вольфрама в проволоку диамет- ром 0,05 мм пористость его снижается до 1 %.

Изделия из порошковых композиционных материалов

Изделия из металлокерамических твердых сплавов ??пластинки к ре- жущему инструменту, к инструменту для буров при бурении горных пород, а также фильеры для волочения. Некоторые мелкие режущие инструменты (сверла, развертки, фрезы) изготовляют целиком из твердых сплавов.

Металлокерамические твердые сплавы очень тверды (82?92 HRA) и способны сохранять режущую способность до температур 1000?1100 °С. Основной составляющей таких сплавов являются карбиды вольфрама, титана, тантала. В качестве связующего применяют кобальт.

Антифрикционные и фрикционные изделия. Антифрикционные сплавы содержат дефицитные цветные металлы (олово, свинец, сурьма). Та- кие сплавы не могут работать в условиях сухого трения, при большой ско- рости скольжения, в агрессивных средах и при температурах выше 350 °С.

Для изготовления подшипников скольжения, вкладышей, втулок, уплотнителей все более широкое применение находят спеченные антифрик- ционные материалы, которые могут работать в названных выше условиях. Эти материалы характеризуются также низким коэффициентом трения, высокой износоустойчивостью и хорошей прирабатываемостью. Относитель- ная пористость этих материалов (18?25 %) обеспечивает необходимую мас- ловпитываемость; для пропитки маслом изделия обрабатывают в масляной ванне при температуре 100120 °С.

Спеченными антифрикционными материалами являются железографит, железографит-медь, железомедь, бронзографит.

Фрикционные спеченные материалы применяют для прокладок в тор- мозных дисках машин, для тормозных лент и колодок в самолетах, тракторах и т. д. В состав их входят медь, железо, олово, графит, кремний. Эти мате- риалы выдерживают давление до 7 МПа и нагрев до температуры 550 °С.

Фильтры, спеченные из порошков металлов и металлоподобных соединений, по сравнению с фильтрами из других материалов (из бумаги, фибры, фетра, металлической проволоки, фторопластовых и нейлоновых пористых материалов), имеют бульшие прочность и стабильность формы, теплостойкость и теплопроводность, а также способность регенерироваться до 1 мкм.

Фильтры изготовляют из порошков железа, стали, бронзы, титана. Они могут иметь форму лент, труб, стаканов.

Получение спеченных изделий включает калибровку и окончательную термическую обработку.

Традиционно для получения деталей используют порошки с размерами частиц от 400 до 20 мкм. Для некоторых специальных изделий необходимы тонкие порошки с частицами от 2 до 0,1 мкм. Это обусловливает переход от механических способов получения порошков к химическим и электрохими- ческим методам (восстановление в газовой и жидкой фазах, электролиз).

Проектирование технологичных заготовок

При проектировании порошковых деталей следует максимально умень- шать количество изменений толщины или диаметра заготовки вдоль оси, если это не противоречит конструктивной необходимости (поз. 1 на рис. 9.8). Толщина стенки изделия диаметром 10?15 мм и высотой 15-20 мм должна быть не менее 1,2-1,5 мм. У более крупных заготовок минимальная толщина стенки возрастает примерно по 0,8 мм на каждые 25 мм длины. Толщина дан- ной части глухих отверстий должна быть не менее 2-3 мм. Отверстия распо- лагаются на расстоянии не менее 2-3 мм от края заготовки и друг от друга.

В конструкциях изделий следует избегать:

резких изменений толщины стенок (поз. 2 на рис. 9.8);

узких и длинных выступов (поз. 3 на рис. 9.8) и выемок (поз. 4 на рис. 9.8); обратной конусности (поз. 5 на рис. 9.8);

острых углов (поз. 6 на рис. 9.8) и других форм, приводящих к ослаб- лению пресс-форм;

радиальных канавок (поз. 8 на рис. 9.8), выемок и отверстий, распо- ложенных перпендикулярно к оси прессования (поз. 9 на рис. 9.8).

При сопряжении поверхностей следует предусмотреть радиус закруг- ления не менее 0,25 мм для внутренних и не менее 2,5 мм для наружных поверхностей. Рекомендуется заменить фигурные отверстия в деталях круг- лыми (поз. 7 на рис. 9.8), что упрощает конструкцию пресс-формы.

С усложнением формы прессуемой заго- товки затрудняется достижение равномерной плотности во всех ее частях. При изготовлении таких заготовок приходится применять разрез- ные матрицы. Применение пресс-форм с двумя и более плоскостями разъема оправдано лишь в исключительных случаях, так как это резко увеличивает стоимость пресс-форм и снижает производительность труда. В некоторых случаях части фасонного изделия формируют отдельно, а затем их спекают в одно целое.

Заготовки, получаемые холодным прессо- ванием с последующим спеканием, должны иметь:

точность размеров некалиброванных де- талей 8?14-го квалитета, калиброванных ---67-го квалитета;

шероховатость поверхности некалиброван- ных деталей ??Ra 2,5-0,63 мкм, калиброванных Ra 0,32-0,08 мкм.

Экономическая эффективность изготовле- ния порошковых заготовок тем выше, чем больше их серийность. Поэтому такая техноло- гия целесообразна только при годовой програм- ме выпуска в несколько тысяч штук.

Коэффициент использования металла при изготовлении порошковых деталей может достигать 90-98 %, а, например, наличие в материале подшипника пор, пропитанных смазочными жидкостями, увеличивает его срок службы в 1,5 раза и более.

а б

Рис. 9.8. Примеры конструкций порошковых заготовок:

Способы формования изделий из пластмасс

Специфические физические и технологические свойства пластмасс определяют своеобразные методы их переработки в полуфабрикаты и изде- лия. Из полимерных материалов изготавливают зерна, нити, пленки, трубы и самые разнообразные изделия сложной формы. Выбор метода изготовления изделия определяется видом полимера, его исходным состоянием, а также формой и размерами изделия.

Экструзия состоит в выдавливании расплава полимера через мунд- штук с отверстием, сечение которого определяется формой изделия. При обработке методом экструзии получают стержни, трубы, листы и пленки из термопластов (реже из реактопластов), а также из резиновых смесей (в рези- новом производстве экструзию чаще называют шприцеванием).

На рис. 9.9 приведена схема работы экструдера. Порошкообразный или гранулированный полимер (или смесь сырой резины) засыпают в бункер, откуда он попадает на шнек 4 (вращающийся от электродвигателя винтовой ротор), который перемещает полимер в осевом направлении своими винтовыми поверхностями (как в мясорубке); при вращении шнека сжатие материала происходит вследствие уменьшения шага винта или глубины винтовой канавки. Перемещаемый в цилиндрическом кожухе питателя сыпучий материал проходит зону обогрева 3 с температурой от 100 до 400 °С в зависимости от обрабатываемого полимера. Расплав полимера концом шнека выталкивается в головку с мундштуком 2. Форма профиля фиксируется в результате охлаждения (термопласты), соединения функциональных групп (реактопласты) или вулканизации (резиновые смеси). При необходимости отверстия в изделиях образуются дорном 5. Полученное изделие 1 подхватывается транспортером 6.

Методом экструзии получают основную массу изделий из термоплас- тов, резины и эбонита. Этот метод применяется также для получения некоторых видов изделий из термореактивных смол и композиций.

Метод раздувки применяют при изготовлении пустотелых изделий (рис. 9.10) и пленок.

Заготовка из термопласта в виде трубки 1 помещается между полуфор- мами 3 (рис. 9.10, а). Формы смыкают и подают сжатый воздух через головку экструдера 2 (рис. 9.10, б). Сжатый воздух придает изделию 5 (рис. 9.10, в) нужную конфигурацию, которая фиксируется с помощью холодного воздуха, подаваемого по каналам 4.

Пленки и другие изделия из некоторых термопластов (полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола, целлулоида) получаются при раздувании труб.

Рис. 9.9. Горизонтальный экструдер: 1 изделие; 2 - мундштук;

3 - нагреватель; 4 - шнек; 5 дорн (оправка); 6 - транспортер

Cхема получения пленки методом раздувки представлена на рис. 9.11. Термопласт из рабочего цилиндра 1 экструзионной машины поступает в го- ловку 2 и выдавливается через кольцеобразную щель 9, составленную мунд- штуком и дорном 8, в результате чего получается труба. Эта труба раздува- ется воздухом, поступающим к головке 2 по магистрали через дорн 8; пленка проходит холодильник, обдувающий ее снаружи холодным воздухом, а затем между направляющими роликами 4, 6 и через тянущие ролики 5, которыми трубчатая пленка складывается в плоский рукав. При надобности рукав срезается по краям, и тогда пленка наматывается рулоном 7 в виде двойной ленты шириной до 1400 мм. Давление воздуха внутри пузыря для получения рукава данного диаметра (а следовательно, и толщины пленки) остается постоянным. Изменение давления определяет соответствующее уменьшение или увеличение диаметра рукава.

Прессование пластмасс производят на гидравлических этажных прессах и в закрытых пресс-формах.

Прессование на этажных прессах применяют для получения листов и плит из ПВХ и слоистых фенопластов. Пленки термопластов или листы наполнителей, пропитанных термореактивной смолой, помещают в этажный гидравлический пресс между стальными плитами 1 (рис. 9.12), имеющими внутренние каналы для проточной воды или пара. Технологический режим прессования (температура, давление, продолжительность выдержки) зависит от вида полимера, толщины прессуемого изделия, вида и количества наполнителей.

Прессование в закрытых пресс-формах делится на обычное и литьевое. Обычное прессование реактопластов (рис. 9.13) бывает горячим и холодным; оно требует весьма точной дозировки загружаемого пресс-материала, так как лишь очень незначительное количество его выдавливается между пуансоном

1 и матрицей 3. Излишки материала, выдавленные из матрицы при получении изделия 2, называют гратом или облоем.

Горячее прессование имеет большее распространение. Для прессования композицию (в виде гранул или ткани, пропитанной смолой) помещают в на- гретую пресс-форму, где она разогревается и становится пластичной. При постепенном смыкании пресс-формы пресс-композиция заполняет все ее уг- лубления и полости. Изделия выдерживают под давлением до отверждения. Часто пресс-композицию перед загрузкой в форму подогревают до темпера- туры 80?150 °С (особенно при больших сечениях изделия): это обеспечивает повышение производительности и дает возможность снизить давление при прессовании. Подогрев производят токами высокой частоты, обеспечиваю- щими выделение тепла внутри материала. Пресс-форму нагревают паром, газом, перегретой водой или электрическим током до 135?160 °С; давление при горячем прессовании ??10?55 МПа.

1

Рис. 9.12. Схема гидравлического этажного пресса: 1 - стальные плиты

Рис. 9.13. Схема прессования в закрытых пресс-формах:

1 - пуансон; 2 - изделие; 3 - матрица

Методом горячего прессования перерабатывают в основном компози- ции на основе фенолоальдегидных смол и аминопласты, а также армированные полиэфирные пластики. Горячее прессование применяют для изготовления изделий глубокой вытяжкой (корпуса видео- и аудиотехники, телефонных аппаратов и т. п.), а также мелких изделий при массовом производстве (пуговицы, пряжки).

Холодное прессование отличается высокой производительностью, так как при этом не требуется ни нагрева, ни охлаждения пресс-формы. Холод- ное прессование производят при давлении 14?210 МПа. После прессования изделия нагревают в печах до температуры 80?260 °С в зависимости от связующего.

Метод холодного прессования применяют при переработке асфальто- пековых пластмасс (для получения баков аккумуляторных батарей и т. п.), композиций на основе фенолоальдегидных смол для получения электротех- нических деталей (патроны электроламп, корпуса выключателей, штепсель- ных розеток).

При литьевом прессовании пресс-композиция помещается в за- грузочную камеру 5 (рис. 9.14), где она нагревается до вязкотекучего со- стояния, и оттуда выдавливается пу- ансоном 6 через один или несколько узких литников в полость 1 формы. Под давлением подвижной части 4 формы изделию 3 придается заданная конфигурация, после чего оно уда- ляется из формы выталкивателем 2.

Методом литьевого прессова- ния получают изделия из термореактивных смол, а также из высоко- вязких термопластов.

5

Рис. 9.14. Схема литьевого прессования: 1 - неподвижная часть формы; 2 - выталкиватель; 3 - изделие;

- подвижная часть формы;

- загрузочная камера; 6 - пуансон

Преимуществом литьевого прессования является возможность получе- ния точных по размерам изделий весьма сложной формы (в том числе с углублениями, отверстиями и резьбой).

Штамповка пластмасс. Методом штамповки в изделия перерабаты- ваются термопласты (винипласт, органическое стекло, полистирол, полиэти- лен, полипропилен) из листовой заготовки. Формообразование изделия достигается при вытяжке нагретого листа и охлаждении изделия. Штампо- ванные изделия сохраняют форму лишь при температурах ниже температуры стеклования, нагрев и выдержка при температурах выше температуры стеклования полимера приводят к восстановлению формы листа.



Рис. 9.15. Схема штамповки направленной вытяжкой: 1 - пуан- сон; 2 - зажимы; 3 - матрица; 4 - изделие

Рис. 9.16. Схема штамповки свобод-ной вытяжкой: 1 - вакуум-камера; 2, 4 - протяжное и прижимное кольца; 3 - зажимы; 5 ??заготовка; 6 - указатель

При штамповке пластмасс применяют два метода формования: направ- ленной и свободной вытяжки.

Форма изделия при направленной вытяжке задается рабочими поверхностями матрицы и пуансона или только матрицы с применением давления воздуха или вакуума. На рис. 9.15 приведена схема направленной вытяжки с помощью формы, состоящей из пуансона 1 и матрицы 3. Для штамповки лист термопласта закрепляется в зажимах 2. Изделие 4 остается в форме до охлаждения.

Свободную вытяжку применяют для получения крупных изделий. Вытяжка производится по вакуумному или пневматическому методу, причем изделие не трется о стенки штампа, что особенно важно для получения гладких поверхностей оптических, прозрачных изделий. На рис. 9.16 приведена схема свободной вытяжки по вакуумному методу. Нагретая листовая заготовка зажимается между протяжным 2 и прижимным 4 кольцами с помощью зажимов 3. При откачивании воздуха из вакуум-камеры

1 заготовка 5 протягивается через кольцо 2. Величина вытяжки контролируется указателем 6.

Формование крупногабаритных изделий. Для изготовления из пластмасс крупногабаритных корпусных изделий (судовых корпусов, авто- мобильных кузовов) рассмотренные выше методы формования неприем- лемы, так как требуют громоздкого и сложного оборудования. Для получе- ния таких изделий применяют способ контактного формования и способ мешка.

По способу контактного формования (рис. 9.17) наполнитель (арми- рующий материал) укладывают в форму 1 и смачивают кистью или из пуль- веризатора жидким связующим 2 (иногда в несколько слоев). Затем композицию покрывают целлофановым листом 3 и прикатывают роликом к стен- кам формы для удаления воздуха, выравнивания изделия и обеспечения тесного контакта связующего и наполнителя.

Далее идет процесс отверждения связующего (содержащего для этого отвердитель) при комнатной температуре или при некотором нагреве. В качестве армирующего наполнителя применяют стеклоткань, стеклово- локно, в качестве связующего ??фенольные, эпоксидные и ненасыщенные полиэфирные смолы.

При формовании по способу мешка (рис. 9.18) подготовка и укладка компонентов производится аналогично способу контактного формования. Применение мешка (чаще резинового) обеспечивает лучший контакт между связующим и наполнителем, а также лучшее выравнивание изделия. При наложении слоев (рис. 9.18, а) мешок 1 находится вне формы. Для формова- ния при отверждении прижимная плита 2 прочно крепится к верхнему срезу формы, а в мешок подается воздух или пар, под давлением которого и проте- кает отверждение смолы (рис. 9.18, б).

Вспенивание полимеров дает ячеистые (пенистые), с несообщающи- мися ячейками, наполненными газами, и пористые, имеющие свободные поры (как в губке), конструкционные материалы малой объемной массы (до 0,01 г/см3).

Для вспенивания применяют фенолоальдегидные и мочевиноальдегид- ные смолы, полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, ацетат целлюлозы, а также натуральный и синтетический каучуки. Из вспененных полимеров изготавливают плавсредства, тепло- и электроизоляцию, звукопоглощающие детали, губки, материалы для подушек и упаковки мебели.

1

Рис. 9.17. Схема контакт-ного формования крупнога- баритных изделий: 1 - фор- ма; 2 - слой жидкого связую- щего; 3 - целлофановый лист

Сварка возможна для всех термопластов. Для сварки применяют горячий (250-300 °С) воздух, нагретый электрическим током или газовым пламенем, токи высокой частоты или ультразвук. Поверхности для сварки очищают,

Поверхностные покрытия. Полимеры широко используют для поверхностных покрытий по металлу, дереву, бумаге, пластмассам с целью защиты от коррозии, эрозии и для декорирования. Покрытия делят на высыхающие при испарении растворителя и полимеризующиеся или окисляющиеся с образованием пленки на воздухе.

Покрытия из термопластов наносят также способом горячего напы- ления, при котором пластик в виде пасты или порошка пропускается через воздушно-ацетиленовое пламя. Размягченные частицы пластика попадают на защищаемую поверхность и покрывают ее сплошным ровным слоем.

Операции механической обработки пластмасс применяют преимуще- ственно для удаления литников, облоя, заусенцев, приливов и снятия галте- лей и фасок. Выполнение этих операций для реактопластов и жестких термо- пластов производится шлифованием электрокорундовыми кругами, а также резцами, фрезами, зенковками, причем для обработки заготовок с наполните- лями, вызывающими абразивный износ (песок, стекловолокно), целесооб- разно использовать инструменты с твердыми сплавами, алмазом и эльбором. Для удаления облоя используют также перфорированные шести или восьмигранные галтовочные барабаны, сделанные из листов поливинил- хлорида или полиэтилена высокой прочности. Загруженные в барабан заготовки при его вращении соударяются между собой и со стенками

барабана, в результате чего облой скалывается.

Доработка заготовок из эластичных полимеров производится преиму- щественно резцами и сверлами из быстрорежущей стали. Широкое примене- ние для отделения литников системы имеет вырубка заготовок штампом.

Механическая обработка сверлением, точением, фрезерованием, шли- фованием применяется также в тех случаях, когда прессованием или литьем под давлением не достигается необходимая точность размеров отдельных элементов изделий.

Для уменьшения шероховатости поверхности производят полирование заготовок войлочными кругами, на поверхность которых наносят пасту из смеси пемзы и воды; после мокрого полирования заготовки подвергают сухому полированию с использованием абразивной пасты из оксида хрома с парафином.

Композиционные материалы. Классификация

Композиционными материалами (КМ) называют сложные материалы, в состав которых входит сильно отличающиеся по свойствам, нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей.

Основой КМ (матриц) служат металлы или сплавы (КМ на металли- ческой матрице), а также полимеры, углеродные и керамические материалы (КМ на неметаллической основе).

Матрица связывает композицию, придает ей форму. В матрице равно- мерно распределены остальные компоненты - упрочнители, их часто назы- вают наполнителями или армирующими компонентами.

Требования к матрице:

защищать от механических повреждений и окисления;

обеспечивать высокую прочность и жесткость.

Волокна, используемые в качестве упрочнителя, должны обладать следующими свойствами:

высокой температурой плавления;

малой плотностью;

высокой прочностью во всем интервале рабочих температур;

технологичностью, минимальной растворимостью в матрице;

высокой химической стойкостью.

Композиционные материалы получают следующими технологическими методами:

жидкофазным методом: пропитка и направленная кристаллизация сплавов;

твердофазным методом: прокатка, экструзия, ковка, штамповка, уплотнение взрывом, диффузионная сварка и др.;

методом осаждения - напыления: матрица наносится на волокна из растворов солей или других соединений, из парогазовой фазы, из плазмы и т. п.;

комбинированным методом: последовательное или параллельное при- менение нескольких методов.

Композиционные материалы являются многофункциональными мате- риалами. Тем не менее выделяют КМ:

широкого назначения (несущие конструкции, например, судов);

жаропрочные (камеры сгорания);

термостойкие (изделия, работающие в условиях теплосмен);

фрикционные (тормозные колодки);

ударопрочные (броня самолетов);

теплозащитные со специальными свойствами (магнитными, электри- ческими и т. д.).

В настоящее время наука и производства, связанные с разработкой новых композиционных материалов, развиваются наиболее динамично.

Специалистами разработано и исследовано огромное количество КМ. Для того чтобы систематизировать КМ по различным признакам, грамотно реализовать процедуру их выбора для изготовления различных деталей, упорядочить терминологию в области материаловедения композитов, необходима обоснованная классификация этих материалов.

Единой общепринятой классификации КМ нет. Это объясняется рядом причин. Одна из них заключается в том, что КМ представляют собой широкий класс материалов, объединяющих металлы, полимеры и керамику. Современные технологии позволяют реализовать различные, считавшиеся ранее экзотическими сочетания исходных материалов. Разнообразие исходных материалов, сложность реальных структур в ряде случаев затрудняют классификацию получаемых КМ. К тому же вызывает трудности определение понятия «композиционный материал». Ниже рассмотрено несколько подходов к классификации КМ.

Деление композитов может осуществляться по ряду признаков.

Классификация КМ по размеру и геометрии наполнителя:

КМ с нуль-мерными компонентами имеют в трех измерениях очень малые размеры одного порядка (частицы) и, следовательно, не имеют ни одного размера, соизмеримого с характерным размером элементарного образца КМ. В качестве примеров композитов такого типа можно привести дисперсно-упрочненные сплавы, металлы и сплавы, армированные частицами, и материалы на основе керамики, содержащие короткие нитевидные крис- таллы, длина которых много меньше размера элементарного образца КМ;

КМ с одномерными компонентами содержат армирующие компо- ненты, один из размеров которых значительно превышает два других размера и соизмерим с характерным размером элементарного образца КМ. Примеры КМ этой группы: волокнистые КМ на основе металлов и полимеров, армированные керамическими, борными, стеклянными волокнами;

КМ с двумерными наполнителями содержат компоненты, имеющие два размера, значительно превосходящих третий размер и соизмеримых с характерным размером элементарного образца КМ. Примером материалов этой группы являются слоистые КМ, состоящие из чередующихся слоев Ti и Al и их сплавов;

комбинированные КМ содержат два или три компонента различной размерности. Примером такого КМ служит пластик на основе эпоксидной смолы, армированный углеродными волокнами и короткими нитевидными кристаллами карбида кремния.

Классификация КМ по расположению наполнителя, т. е. по схеме армирования:

КМ с одноосным (линейным) расположением армирующего компо- нента. В таких КМ армирующие компоненты в виде волокон или ориентированных цепочек нитевидных кристаллов располагаются в матрице параллельно друг другу;

КМ с двухосным (плоскостным) расположением армирующего ком- понента. Армирующие компоненты в виде волокон, фольг, матов из ните- видных кристаллов расположены в матрице в плоскостях, параллельных друг другу;

КМ с трехосным (объемным) расположением компонентов, когда невозможно выделить одно или два преимущественных направления в мате- риале.

Существуют комбинированные КМ, армированные одновременно ком- понентами различной геометрии.

Классификация КМ по природе компонентов (матриц и наполнителей). По данному признаку КМ делят на четыре группы:

с компонентами из металлов и сплавов;

с компонентами из неметаллических элементов (например, углерода);

с компонентами из неорганических соединений (окислов, карбидов, нитридов);

с компонентами из органических соединений.

В соответствии с этим признаком КМ углерод-углерод относится:

по природе матрицы к группе КМ с матрицей из неметаллических элементов;

по природе армирующего компонента к группе КМ со вторым компонентом из неметаллических элементов.

Углепластики относятся: по природе матрицы к группе КМ с матрицей из органических соединений; по природе армирующего компонента к группе КМ со вторым компонентом из неметаллических элементов.

Волокно Матрица 1 Матрица 2 Матрица Волокно 1 Волокно 2

Рис. 9.19. Примеры композиционных материалов:

а - полиматричные; б - полиармированные

Дополнениями к группам являются комбинированные композиционные материалы. Полиматричные КМ (рис. 9.19, а) состоят из чередующихся слоев двух или более композиций с матрицами различного химического состава. Полиармированные КМ (рис. 9.19, б) содержат два и более различных напол- нителя.

Классификация КМ по материалу матрицы (материаловедческий принцип). Общее название КМ, как правило, происходит от материала матрицы, поэтому различают:

металлические композиционные материалы (МКМ) КМ с металлической матрицей;

полимерные композиционные материалы (ПКМ) КМ с полимерной матрицей;

неорганические композиционные материалы КМ с неорганической матрицей.

На рис. 9.20 приведен один из наиболее простых вариантов разделения композитов по типу матричного материала.

Металлические Гибридные Неметаллические Рис. 9.20. Классификация КМ по материалу матрицы

Названия полимерных КМ обычно состоят из двух частей. В первой части называется материал волокна, во второй приводится слово «пластик» или «волокнит». Например, ПКМ, армированные стекловолокном, называют стеклопластиками или стекловолокнитами. Для характеристики металли- ческих композиционных материалов чаще используют двойное обозначение: вначале пишут материал матрицы, затем материал волокна. Например, обо- значению CuW соответствует композиционный материал, в котором матри- цей является медь, а волокнами - вольфрам.

В некоторых случаях для обозначения КМ используют одно сложное слово, например бороалюминий или углеалюминий.

Классификация КМ по структуре и расположению компонентов

(матриц и наполнителей):

с каркасной структурой. К ним относятся, например, псевдосплавы, полученные методом пропитки;

с матричной структурой. Такую структуру имеют дисперсно-упроч- ненные и армированные композиционные материалы;

со слоистой структурой. К материалам данной группы относятся композиции, полученные из набора чередующихся слоев фольги или листов материалов различной природы или состава;

с комбинированной структурой. К ним относятся материалы, имеющие комбинацию первых трех групп.

Кроме того, по ориентации и типу арматуры все КМ можно разделить на следующие группы:

изотропные КМ, которые имеют одинаковые свойства во всех направлениях;

анизотропные КМ, свойства которых зависят от направления армирующего компонента;

хаотично-армированные КМ, которые содержат армирующие элементы в виде дисперсных включений, дискретных или непрерывных волокон;

упорядоченно-армированные:

однонаправленные (одноосно-армированные);

двухосно-армированные (с плоскостным расположением арматуры); трехосно-армированные (с объемным расположением арматуры).

Размещено на Allbest.ru

...