Новые материалы – основные направления развития и их виды.

Новые материалы – основные направления развития и их виды.

Одной из главных тенденций в развитии машиностроения является снижение веса конструкций за счет использования современных композитных материалов. Новые материалы внедряются во всех видах транспорта, т.к. это помогает обеспечить лучшую энергоэффективность. В качестве примера можно привести использование углепластиков в конструкции авиалайнеров, но это уже не «предел мечтаний» конструкторов. На смену традиционным композитным материалам разрабатываются и испытываются более эффективные образцы с улучшенными свойствами.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и Композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Композиционные материалы, их виды и назначение.

Композиционные материалы представляют собой металлические и неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.).

При этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции.

По характеру структуры композиционные материалы подразделяются на:

- волокнистые, упрочнённые непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами,

- дисперсноупрочнённые материалы, полученные путём введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей,

- слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов.

К композиционным материалам также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Композиты представляют собой гетерофазные системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности свойств каждого отдельного компонента.

Композиты состоят из матрицы - это компонент, обладающий непрерывностью по всему объему (металлы и сплавы, полимеры, керамика и др.вещества).

Материалы на основе порошков, их преимущества и область использования.

Получаемые методами порошковой металлургии материалы называют порошковыми.

Эти материалы условно подразделяют на: конструкционные, триботехнические, фильтрующие, твердые сплавы, высокотемпературные, электротехнические, с особыми ядерными свойствами и др.

В целом метод порошковой металлургии позволяет увеличить износостойкость титана при изготовлении на 85…90%. Широко используют материалы на основе меди (бронзографитовые шестерни). Возрастает применение деталей из порошковой латуни.

Из конструкционных порошковых материалов изготовляют детали машин, механизмов и приборов, например шестерни, фланцы, зубчатые колеса, седла и корпуса клапанов, муфты, эксцентрики, кулачки, шайбы, крышки, корпуса подшипников, детали насосов, различные диски, втулки и др.

Детали из конструкционных порошковых материалов подразделяют на ненагруженные, мало-, средне- и сильно-нагруженные, а по типу материала - на основе железа или сплавов цветных металлов.

У порошковых изделий из железа и стали мех.свойства несколько ниже, чем у других. Однако можно получать совершенно плотные детали с такими же мех.свойствами, как и в случае литых сплавов.

Экономически более выгодно производить порошковые детали с некоторой пористостью в пределах 5…20%.

Технология производства деталей из порошков.

Изготовление некоторых материалов и изделий из порошков:

1. Углеродистая сталь.

Исходный материал: стальной порошок или смесь порошка+железо+графит.

Затем его прессуют под давлением 400…600Мпа, далее в течении 1.5 часов спекают при t=1150…1200 C. Для уменьшения пористости спеченный материал повторно подвергают давлению иногда т/о.

2. Легированная сталь.

Получают из коррозионностойких сталей, хромистых и хромоникелевых сталей, мартенситно стареющих и высокомарганцевых сталей.

Иногда добавляют 0.4% фосфора и 0.1% углерода.

Прессуют при 400…700 Мпа и спекают при t=1200…1250 С в течении 1.5 часов.

3. Производство шестерен.

Позволяет обеспечить самосмазываемость шестерен за счет свободного углерода и масла, заполняющего поры шестерен.

Плостность шестерен железа с добавками графита составляет 0.8…6 гр/см³.

Твердость по Виккерсу 600…850 Мпа.

Временное сопротивление 150…200 Мпа при растяжении и 800…900 Мпа при сжатии.

Добавка этой композиции порошка меди и графита увеличивает прочность материала.

Благодаря наличию порошка и смазки уменьшается износ и снижается шум при работе.

Способы компактирования порошков.

Компактирование - прессование под высоким давлением, уплотнение за счёт устранения внутренних пустот.

Основные виды компактирования - одно- и двустороннее прессование в жестких металлич. матрицах, прокатка, изо-статич. прессование жидкостью или газом, мундштучное прессование, шликерное литье, высокоскоростное прессование, в т. ч. взрывное, инжекционное формование. Компактирование может осуществляться при комнатной т-ре (холодное прессование, прокатка) и при высоких т-рах (горячее прессование, экструзия, прокатка).

Цель компактирования порошков - получение полуфабрикатов (прутки, трубы, ленты) либо отдельных заготовок, по форме приближающихся к конечным изделиям.

Во всех случаях после компактирования порошок из сыпучего тела превращается в пористый компактный материал, обладающий достаточной прочностью для сохранения приданной ему формы при послед. операциях.

 

6. Применение порошков для изготовления подшипников скольжения (принцип, преимущества, составы, свойства).

Подшипники скольжения находят широкое применение в машиностроении, автомобильной промышленности, бытовой технике и т.д., т.к. они зачастую дешевле подшипников качения, более компактные и могут отвечать весьма специфическим требованиям.

Подшипники скольжения изготавливаются из различных металлов, пластмасс, полимеров, графита, карбона, композитов и даже дерева.

Металлические подшипники скольжения могут быть изготовлены из стали, бронзы, сплавов меди, латуни, олова, сплавов алюминия, серебра или баббита. Наиболее часто используется бронза, полученная литьем и бронза, полученная спеканием бронзового порошка.

Отдельного внимания заслуживают самосмазывающиеся подшипники из композиционного материла.

Подшипники относятся к порошковым антифрикционным материалам.

Делятся на пористые подшипники, подшипники из материалов на основе железа, цветных металлов.

Пористые подшипники: при заполнении форм маслом металлические основы предотвращают от коррозии, коэф.трения сохраняется постоянно низким, а подшипники приобретают свойство самосмазываемости, что позволяет исключить подвод масла из вне.

В целях экономии вместо бронзы применяют пористое железо и железографитовые материалы с добавкой некоторого количества меди.

Инварные аморфные металлические сплавы, их состав, свойства и область применения.

Аморфные инварные сплавы —существуют преимущественно на основе железа, отличающиеся низким коэффициентом линейного расширения. При комнатной темпмпературе их св-ва близки к св-вам поликристаллического инварного сплава 36Н. Они сохраняют низкое значение а вплоть до температуры 250-300 °С, в то время как сплав 36Н - до 100 °С.

Металлокомпозиты.

Металлокомпозит - это двухкомпонентный металлонаполненный композитный материал на основе эпоксидных смол, с добавлением графита и волоконных наполнителей.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ - Ремонта и уплотнения трущихся поверхностей узлов, шатунов, подшипников. - Ремонта поверхностей, работающих с уплотнительными кольцами. - Ремонта направляющих скольжения.

Все металлокомпозиты следует разделить на две основные группы:

1) металлокомпозиты, в которых неметаллическая фаза хорошо смачивается расплавленным металлом;

2) металлокомпозиты, в которых смачивание неметаллической фазы расплавленным металлом невелико.

Свойства металлокомпозитов определяются рядом физико-химических процессов, протекающих при нагревании:

1) смачивание керамической фазы металлом;

2) химическое взаимодействие фаз;

3) взаимная растворимость фаз.

Свойства металлокомпозитов можно изменять, выбирая различные соотношения между металлическими и неметаллическими составляющими, что удается легко осуществить методами порошковой технологии.

Свойства стекла.

Под обычным стеклом подразумевают обширную группу аморфных материалов неорганического происхождения, получаемых из переохлажденных расплавов смесей разных окислов (кремния, бора, фосфора, кальция, натрия и др.). В зависимости от состава стекла подразделяют на группы: силикатных, боратных, фосфатных, боросиликатных и др.

Кроме обычных, существуют стекла бескислородные (халыеогенидные. элементарные). а также стекла орг анические (акриловые и метакриловые).

Механические свойства. Повышение механической прочности стекла достигается закалкой, применением специальных склеивающих эластичных прокладок (в автомобильном стекле триплекс), а также введением в состав стекла некоторых окислов (борного ангидрида, глинозема и др.). Предел прочности при растяжении кварцевого стекла равен 120-125 МПа. Прочность закаленного листовою стекла в 6 раз выше прочности незакаленного. Большое влияние на прочность стекла оказывает также состояние поверхности: наличие микротрещин и царапин резко снижает прочность стекла. Твердость стекла наиболее точно измеряется по методу микротвердости. Значение микротвсрдости стекол лежит в пределах 400-700 кГ/.мм2.

Электрические свойства. Электропроводность стекла при нормальной температуре незначительна и не меняется вплоть до 4505 и выше. Чем меньше в составе стеклв щелочных окислов, тем выше его электроизолирующие свойства.Наилучишм ди электриком является кварцевое стекло, в составе которого вовсе кет щелочных окислов. Диэлектрическая постоянная стекла зависит от состава и изменяется в широких пределах..

Оптические свойства. Важнейшей оптической характеристикой является коэффициент преломления. Он зависит от содержания окиси свинца и колеблется от 1.46 (для кварцевого стекла) до 2,0 (для стекла с 80%, окиси свинца). Оконное слекло имеет коэффициент преломления 1,52. Особые сорта стекол обладают способностью селективно поглощать определенные лучи (так создаются сигнальные, защитные, медицинские и другие стекла). Получают средство защиты от тепловых, ультрафиолетовых, рентгеновских и друг их лучей.

Химические свойства. Большинство промышленных стекол достаточно стойко по отношению к воде и кислотам, но слабо сопротивляется действию щелочей. Химическая стойкость стекла зависит главным образом от состава. (стекла лабораторные, медицинские, водомерные, химической аппаратуры изготовляются из особых составов.) Химически стойкие стекла содержат различное количество окислов бора, алюминия, цинка, циркония и титана и пониженное количество щелочей.

 

Типы стекла.

В машиностроительных конструкциях находят разнообразное применение жаро­стойкие стекла, стекловолокно и изделия из него, стекла для атомной техники, стекла для ракетной техники, стекла для электроники, стекла высокой прочности, ситаллы.

Жаростойкое стекло. К нему относятся: кварцевое (наиболее жаростойко), пайрекс, мазла, супремикс и др. кварцевое стекло.

Кварцевое стекло - прозрачное и непрозрачное. Первое получают плавлением горного хрусталя в виде однородного оптически прозрачною стекла, второе из квар­цевых песков в виде непрозрачных блоков и изделий, содержащих большое количество газовых включений. Кварцевое стекло отличается исключительно высокой термиче­ской и химической стойкостью, является хорошим диэлектри­ком и применяется в химическом маш ин остроении, электронике, ракетной технике.

Высокопрочное стекло. Теоретическая прочность стекла на растяжение составляет около 10000 МПа. в то вре­мя как реальная прочность стекла в 100 200 раз меньше. Главная причина пониженной прочности - наличие дефектов (микротрещин, царапин и нр.) на поверхности стекла. Существующие способы упрочнения стекла в основном состоят в том, чтобы устранить или ослабить дефектность поверхности. Применяют химические, термохимические и комбинированные методы упроч­нения.

Стекловолокно. Тончайшие нити, имеющие высокие механические свойства.

Стеклянное волокно разделяется но составу на обычное (щелочное алюмоси- ликагное). малощелочное (алюмоборосиликатное), специальное (кварцевое, каолино­вое. волокно из окислов алюминия, циркония, кадмия, свинца и др.).

Прочность стекловолокна изменяется главным образом в зависимости от диа­метра волокна, а его температурная устойчивость от состава.

Стеклянное волокно бывает непрерывное (длина волокна до 20 км) и штапельное (длина волокна 5-50 см).

По назначению различают текстильное, тепло- и шумоизоляннонное стеклово­локно. В зависимости от диаметра стекловолокно подразделяют на ультратонкое (0,1 1.0 супертонкое (1-3 л/к), тонкое текстильное (3-12 мк), тепло- и звукоизоляцион­ное (3-30 мк).

Из стеклянного волокна вырабатывают текстильные материалы (пряжа, ткани, ленты), нетканые материалы, скрепленные смолами или прошитые (холсты, рогожка, маты, сепараторы, скорлупы, жгуты, фильтры н др.).

Вследствие выгодного сочетания высокой механической прочности, термиче­ской и химической стойкости стекловолокнистые материалы находят в качестве элек­троизолирующих прослоек и обмоток, тепловой и звуковой изоляции, огнестойких и химически стойких материалов, зашиты от проникающей радиации н во многих других случаях. Особое значение приобретает стекловолокно и материалы на его основе (стекло­пластики) в ракетной технике, атомной технике, судостроении и машиностроении.

Стеклокристаллические материалы – ситаллы, получают методом каталити­ческой кристаллизации стекол. По химическому составу ситаллы могут быть литиевосиликатными, магний-алюмосиликатными, кальций-алюмосиликатными и т. и.

Сигалл получают из шихты определенного состава, в которую добавляют ката­лизатор кристаллизации. Из полученной смеси варяг стекло, формуют в изделия, а затем их нагревают по специальному режиму и превращают в поликристаллический материал -ситалл. Ситаллы имеют весьма тонкую кристаллическую структуру с размер зёрен 0,1—1.0 мк, что определяет высокую проч­ность ситаллов 150- 500 МПа и выше.

Коэффициент термического расширения ситаллов от 20x10⁷ до 200x10⁷. Эго наряду с высокой механической прочностью, определяет повышенную термостойкость ситаллов (500-900°С).

Стеклас электропроводящей пленкой получают нанесением на поверхность стекла тонких, прозрачных электропроводящих пленок из окислов олова, индия, тита­на. кадмия, сурьмы и др. Такие стекла применяют для остекления, исключающего об­леденение и запотевание, для электрообогреваемых панелей,каминов и т. п.

Пленочное и чешуйчатое стекло. Получают вытягиванием из расплава или растягиванием разогретого листового стекла. Чешуйчатое стекло получают измельче­нием пленочного стекла. Толщина пленочного стекла 5-100 мк при ширине ленты 10 500 мм; толщина чешуйчатого стекла 1-5 мк. Сопротивление разрыву плёночного стек­ла до 1000МПа, электрическая прочность 70-500 кв/мм. Плёночное и чешуйчатое стек­ло применяют для конденсаторов, заменителей слюды, стеклопластиков, покровных стекол и т. и.

Зашитное стекло. Для поглощения медленных (тепловых) нейтронов служат стекла, в составе которых необходимо иметь один из следующих окислов: кадмия, бо­ра. гадолиния, лития, индия. Существуют стёкла следующих видов:

1Стекло для поглощения нейтронов;

2Стекла, поглощающие гамма-лучи;

3Стекла сопряженного действия для поглощения нейтронов и гамма-лучей;

4Теплопоглощающие стекла применяются для остекления зданий и транспорта в случае необходимости защиты от чрезмерного нагревания.

Стеклосмазка. Стекла специальных составов используют в качестве смазки при горячем прессовании (выдавливании в производстве труб и проката из сплавов титана, молибдена, ванадия, циркония, хрома, никеля и жаростойких стекол). Стеклосмазка снижает расход энергии при прессовании, волочении и прокатке, увеличивает срок службы оборудования и его производительность. Стеклосмазка позволяет осуществ­лять защиту металла от окисления и сильно уменьшает трение в процессах деформа­ции.

Жаропрочное стекло.

Жаропрочное стекло - производится с помощью метода, аналогичного процессу упрочнения, часто на одном и том же заводе, но диапазон толщины до 8 мм или менее. Жаропрочное стекло примерно в 2 раза прочнее закаленного стекла, но бьется так же. Оно в основном используется для сопротивления тепловому воздействию, где не нужны защитные свойства упрочненного стекла.

Защитное стекло.

Для поглощения медленных (тепловых) нейтронов служат стекла, в составе которых необходимо иметь один из следующих окислов: кадмия, бора. гадолиния, лития, индия. Существуют стёкла следующих видов:

1)Стекло для поглощения нейтронов состава (вес. %): CdO-63,8; B2O3-31,1; TiO2 -2; ZгО2 -3,1] имеет плотность 4,63 Г/см3 а его линейный коэффициент поглощения нейтронов с энергией 0,025 эв равен 32,9 см-1.

2)Стекла, поглощающие гамма-лучи, состоят в основном из окислов элементов с высоким атомным номером [например стекло состава (вес. %): PbO -82,6; SiO2-15,2; TiO2 -2,6; Na20- 2,2], имеет плотность 6,36 Г/см3

3)Стекла сопряженного действия для поглощения нейтронов и гамма-лучей [например. стекло состава (вес. %); PbO -54,2; CdO -31.2; B2O3-14,6]. имеет плотность 6.26 Г/смз.

4)Теплопоглошающие стекла применяются для остекления зданий и транспорта в случае необходимости защиты от чрезмерного нагревания. Стекло состава (вес. %): SiO2 -69,1; FeaО - 0.38; Al2O3- 0,4; TiO2 - 0.02; СаО -11,5;MgO – 0.1; Na2O3 -10,1

 

Сверхтвердые материалы.

К сверхтвердым материалам (СТМ) относятся четыре вещества: кубический алмаз; гексагональный алмаз или лонсдейлит; кубическая и вюрцитоподобная модификации нитрида бора. По объему научных исследований и использования в технике алмаз значительно опережает другие СТМ.

Широкое распространение в промышленности алмаз получил, прежде всего, из- за своей твердости. Это обусловило его применение в буровой технике, в камнеобработке, при обработке высокотвердых материалов, в лезвийном и абразивном инструментах. Высокая цена природных алмазов вызвала необходимость разработки технологии синтеза этого минерала. Производство сверхтвердых материалов является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности в мире. Алмазы обладают уникальными прочностными и физическими свойствами и не имеют альтернативы для таких отраслей промышленности, как машиностроение, стройиндустрия, приборостроение, электроника. горнодобывающая и геологоразведочная.

Предприятия алмазной промышленности в стране в 1990 т. синтезировали около 245 млн. карат алмазных порошков, из которых 215 млн. карат пошло на алмазный инструмент (в том числе около 16 млн. карат природных алмазов). Более 45 млн. карат синтетических порошков было продано на экспорт. Основную долю (до 95 %) составляют высокоабразивные низкопрочные порошки марок АС2 - АС6, которые в основ ном используются для изготовления абразивного инструмента на органических связках. Россия закупает большое количество высокопрочных алмазных порошков и инструмента на их основе для камнеобработки.

Ведущими производителями синтетических алмазов в мире являются фирмы: «Дженерал Электрик» (США); «Де Бирс» (международная компания). По номенклатуре промышленные синтетические алмазы можно разделить на группы:

режущие алмазы типа SDA (классификация «Де Бирс») для производства камнеобрабатывающего инструмента;

-шлифпорошки типа «металбонд» (АС32 АС80);

-шлиф-порошки типа «резинбонд» (АС2 - АС20);

- микро- и субмикропорошки;

- поликристаллы и композиты, и том числе двухслойные «алмаз - твердый сплав»;

-крупные монокристаллы алмазов (до 10 карат);

-моно- и поликристаллические алмазные и алмазоподобные пленки.

В последние годы приоритетное направление получают исследования, направленные на использование оптических свойств синтетическою алмаза уникальной теплопроводности и. в особенности, полупроводниковых свойств легированных алмазов. По своей значимости и эффективности переход от кремниевой и германиевой полу- проводниковой техники к алмазной сравним с переходом от ламповой электроники к полупроводниковой.

 

Новые материалы – основные направления развития и их виды.

Одной из главных тенденций в развитии машиностроения является снижение веса конструкций за счет использования современных композитных материалов. Новые материалы внедряются во всех видах транспорта, т.к. это помогает обеспечить лучшую энергоэффективность. В качестве примера можно привести использование углепластиков в конструкции авиалайнеров, но это уже не «предел мечтаний» конструкторов. На смену традиционным композитным материалам разрабатываются и испытываются более эффективные образцы с улучшенными свойствами.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и Композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и др. материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.