0. Алюминий и его сплавы.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета, с плотностью 2,7 т/,

высокой тепло- и электропроводностью, с температурой плавления 660 .

Алюминий самый распространённый металл в земной коре и

встречается в природе в виде соединений с кислородом и кремнием. Такие соединения именуются алюмосиликатами. Для получения алюминия используют руды, богатые глинозёмом: бокситы, нефелины, алуниты, каолины.

Технологический процесс производства алюминия состоит из этапов: извлечение глинозёма из алюминиевых руд; электролиз расплавленного глинозёма с получением первичного алюминия; рафинирование. Рафинирование электролитическое обеспечивает чистоту металла до

99,996 %. Различают: алюминий особой чистоты марки А999( 0,001% примесей); алюминий высокой чистоты А 995, А99, А97, А95 *(0,005 – 0,5% примесей); технический алюминий: А85, А8, А7, А5 (0,15 – 0,5% примесей).

Чистый металл расплавляется в печах и разливается в слитки, которые направляются для дальнейшей прокатки и прессования на профильный металл. Часть слитков используются для получения сплавов.

Механические свойства алюминия невысокие, поэтому в чистом виде как конструкционный материал применяется ограниченно.

Дюралюмины.

Дуралюмин, дюралюминий, дюраль (от немецкого города Du”ren, где впервые было начато производства этого сплава) сплав алюминия с медью (2,2 - 5.2 %), магнием (0,2 – 2,7 %) и марганцем ( 0,2 – 1,0 %). Дюралюмин подвергается закалке в воде после нагрева до температуры около 500 . Дюралюмин широко применяется как конструкционный материал для транспортного и авиационного машиностроения. Коррозионные свойства невысоки, поэтому листы из него плакируют (покрывают) чисты алюминием.

Среди алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, различают сплавы: нормальной прочности; высокопрочные; жаропрочные; сплавы для ковки и штамповки.

К сплавам нормальной прочности относятся сплавы: Алюминия + Медь + Магний, которые маркируются буквой «Д» : Д1; Д16; Д18. Эти сплавы характеризуются высокой прочностью, достаточной твёрдостью и вязкостью.

Высокопрочные сплавы алюминия объединяют: Алюминий + Цинк + Магний + Медь. В качестве легирующих добавок используют марганец и хром, которые увеличивают коррозионную стойкость сплава. Высокопрочные сплавы имеют маркировку: В93, В95, В96. Для достижения требуемых прочностных свойств, сплавы закаливаются с последующим старением. Эти сплавы по своим прочностным показателям превосходят дуралюмины, но менее пластичны и чувствительны к концентраторам напряжений. Дюралюмины широко используются в авиастроении.

Жаропрочные сплавы алюминия (АК 4-1, Д 20) имеют сложный химический состав, легированы железом, никелем, медью и другими элементами. Жаропрочность сплавам придаёт легирование, замедляющая диффузионные процессы. Детали из этих сплавов используются после закалки и искусственного старения и могут эксплуатироваться при температуре до 300 .

Сплавы для ковки и штамповки (АК 2; АК 4; АК 6; АК 8) относятся к системе: Алюминий + Медь + Магний + Кремний. Сплавы применяются после закалки и старения для изготовления средненагруженных деталей сложной формы (АК 6) и высоконагруженных штампованных деталей – поршни, крыльчатки насосов и др.

Силумин.

Силумин - сплав алюминия и кремния. Распространён сплав, в котором содержится 10 – 13% кремния (АЛ2, АЛ4, АЛ9).

Силумины относятся к литейным алюминиевым сплавам. Они обладают высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими механическими свойствами. Этот сплав обладает высокой коррозионной стойкостью. Силумины легко обрабатываются резанием. Заварку дефектов у таких сплавов можно проводить газовой и аргонодуговой сваркой.

Силумины в силу своих специфических свойств, а именно: высокой удельной прочности и коррозионной стойкости, находят применение на транспорте. На железнодорожном транспорте при создании большегрузных вагонов, ростом скорости движения, увеличения перевозок продуктов химической, нефтехимической и пищевой промышленности, вызывающей коррозию стальных вагонов и цистерн, способствуют тому, что алюминиевые сплавы широко используются в вагоностроении. Повышенная пластичность алюминиевых сплавов и их сварных соединений, большая надёжность вагонов при низких температурах способствуют их применению.

Высокая способность алюминиевых сплавов к поглощению энергии удара, обеспечивает большую безопасность при аварии подвижного состава.

Высокая коррозионная стойкость, позволяет не применять окраску вагонов, снизить коррозионные повреждения, приводящие к дорогостоящему ремонту и повысить срок службы вагонов. Сплавы АЛ9 применяют для деталей средней нагруженности, но сложной конфигурации. Из него изготовления корпуса букс, а сплав АЛ19, имеющий невысокие литейные свойства, но высокие механические, используют для изготовления крышек букс. Из сплава АЛ4, который применяется для высоконагруженных деталей ответственного назначения, изготавливают корпуса компрессоров, картеры и

блоки цилиндров двигателей.

В автотранспорте алюминиевые сплавы также находят применение. Преимуществом алюминиевых сплавов является малая масса конструкций, коррозионная стойкость. Применяются для обшивки автобусов и автофургонов. Высокая теплопроводность алюминиевых сплавов (в 3-4 раза выше стали) позволила применять в поршнях, головках, блоках цилиндров. Для отливок головок блоков применяют сплавы АЛ5, АЛ9. Из сплавов АЛ2, АЛ4, АЛ1 изготавливают различные детали, картеры автоматических коробок передач, термостаты, водяные насосы и др.

На основе алюминия создаются подшипниковые материалы, которые исполняются в виде вкладышей к подшипникам скольжения. Представителем такого сплава является сплав АСМ. По антифрикционным свойствам он близок к свинцовой бронзе, но превосходит её по коррозионной стойкости и технологичности. Сплав АСС-6-5 содержит в своём составе 5% свинца, что придаёт ему высокие противозадирные свойства. Эти сплавы используются в тяжелонагруженных подшипниках скольжения в судовом и общем машиностроении. Недостатком этих сплавов является более высокий коэффициент теплового расширения, чем чугуны и стали. Более широко получили распространение биметаллические материалы, представляющие слой алюминиевого сплава, нанесённого на стальное основание.

Порошковая металлургия.

Порошковая металлургия позволяет получить сплавы из металлов, не растворяющихся друг в друге, а также сплавы из тугоплавких металлов. Она также позволяет получить пористые материалы и детали из них, а также детали состоящие из двух и более слоёв различных металлов и сплавов.

Технологический процесс порошковой металлургии состоит из следующих операций: получение металлического порошка или смеси порошков; формирование изделий (прессование или прокатка); спекание изделия; отделочные операции (механическая обработка, термическая или химико-термическая обработка).

Автомобильная промышленность является одним из наиболее крупных потребителей порошковых машиностроительных деталей. Из порошков изготавливают шкивы распределительных валов для зубчатоременных передач; ступицы и конусы синхронизаторов, ведущие шестерни масляного насоса и многое другое.

Материалы на основе алюминия, полученные методами порошковой металлургии, обладают по сравнению с литейными сплавами, более высокой прочностью, стабильностью свойств при повышенных температурах и коррозионной стойкостью. Материалы из спеченных алюминиевых порошков (САП), состоящий из мельчайших частичек алюминия и его оксида , после брикетирования 260 – 400 МПа и последующего спекания при 590 - 620 , превосходят жаропрочный алюминиевый сплав ВД17. Новый материал работает при температурах до 500.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) отличаются присутствием дополнительных легирующих присадок железа, никеля, хрома, марганца, меди и других элементов. Представитель этой группы САС-1, содержащий 25-30% кремния и 7% никеля. Применяется взамен тяжелых металлов в приборах и машиностроении.

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Полимеры

Полимеры делятся на: природные, искусственные и синтетические.

Природные: белки, целлюлоза, крахмал, каучук, природные смолы.

Искусственные: получаются путём обработки природных полимеров.

Синтетические: полиэтилен, полипропилен, фенолоформальдегидные смолы.

У полимеров атомы или атомные группы могут располагаться в виде открытой цепи (эпоксидные смолы); цепи с разветвлением; в виде трехмерной пространственной сетки (например, отверждённые эпоксидные смолы)

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами ( например, поливинилхлорид, целлюлоза).

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами.

Линейные полимеры обладают способностью образовывать анизотропные волокна и плёнки, способность к большим обратимым деформациям

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном (стеклообразном) состояниях.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в четырёх физических состояниях: кристаллическом, стеклообразном, высокоэластичном ( твёрдая фаза) и вязкотекучем (жидкая фаза).

Полимерные материалы делятся на три основные группы: пластические массы, каучуки, волокна химические. Они широко применяются во многих областях человеческой деятельности.

Полимеры в машиностроении.

Из полимеров изготавливают конструктивно сложные и ответственные детали машин и механизмов, корпусные крупногабаритные детали, несущие значительные нагрузки. Корпуса мелких судов – катеров, шлюпок, яхт, лодок строятся из пластических масс. Использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали их низкие прочность и теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам.

Полимеры используются при массовом производстве деталей, которым не требуется особенно высокая прочность. Много полимеров используются в области внутренней и внешней отделки.

Почти три четверти внутренней отделки салонов всех видов транспорта выполняется из декоративных пластиков, синтетических плёнок, тканей , искусственной кожи. За рубежом некоторые фирмы начали производство цельнопластмассовых автомобилей. Это обеспечивает малоотходное формование блоков и узлов, снижает вес автомобиля, упрощает сборку.

Для многих машин и аппаратов антикоррозионная отделка синтетическими материалами обеспечивает их надёжную и долговременную эксплуатацию.

Большинство функциональных деталей тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс-материалов. Большое количество зубчатых колёс изготавливаются из прочных конструкционных полимеров. Шестерённые колёса могут работать почти без износа в контакте со стальными шестернями, не нуждаются в смазке и почти бесшумны.

В районе Быгдощи установлен первый в Польше (вероятно, и в мире ) пластмассовый шлюз. Работает без замечаний.

Материалы на основе полимеров.

Для улучшения свойств полимерных материалов в их состав вводят: стабилизаторы; пластификаторы; смазки; антипирены; красители; легирующие добавки.

Стабилизаторы служат для защиты изделий от старения. Принцип действия стабилизаторов основан на подавления процессов разрушения от воздействия внешних факторов.

Пластификаторы повышают пластичность и эластичность полимерного материала.

Смазки облегчают извлечение полимерных изделий из пресс-форм.

Антипирены – вещества уменьшающие горючесть полимеров.

Красители придают изделиям из полимеров желательный оттенок.

Легирующие добавки – это специальные примеси, которые снижают статическую электролизацию ( антистатики); вещества устраняющие биологическую повреждаемость полимеров ( антимикробные добавки).

Одним из продуктов полимеров является полиэтилен. Существует его несколько видов. Он влагостоек и газонепроницаем, эластичен, устойчив к действию кислот и щелочей, хороший диэлектрик. Однако имеет недостаточную механическую прочность и невысокую теплостойкость ( не более 80 ).

Ещё один продукт из полимеров поливинилхлорид (ПВХ). Его существует несколько модификаций. Пластифицированный поливинилхлорид называют пластикатом. Непластифицированный листовой материал – винипластом.

Поливинилхлорид нашел широкое применение в машиностроении, химической и сельскохозяйственной промышленности. На его основе изготавливают пленки, листы, трубы, искусственные кожи, клеи, линолеумы.

Винипласт имеет хорошие механические свойства, химическую стойкость, легко обрабатывается резанием. Рабочая температура от 0 до +40 . При отрицательных температурах становится хрупким.. При температуре 120-140, размягчается.

Фторопласты. Эти полимеры состоят преимущественно из углерода и фтора. Достоинство - высокая стойкость к воздействию агрессивных сред, за исключением плавиковой ( фтористо-водородной) кислоты. Фторопласты термостойки. Температура их интенсивного термоокислительного разложения составляет 400 . Фторопласты некоторых марок имеют уникальные антифрикционные свойства. Так фторопласт-4 (политетрафторэтилен) в семь раз ниже коэффициента трения стали по бронзе. Он работает в интервале температур от минус 250 до + 260.

Фторопласты имеют высокую износостойкость при трении без подвода смазочного материала.

Полиамиды – полимерные материалы, содержащие в макромолекуле азот. Среди многообразия полиамидов П6, известный как капрон. Из него делают подшипники, зубчатые колёса, корпуса, крышки, прокладки, шайбы. Из полиамидов изготавливаются нити, корд, ткани.

Полистирол – продукт полимеризации стирола. Как материал- это бесцветный прозрачный материал, обладающий водостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами. Одной из модификации стирола – полиметилметакрилат известный, как органическое стекло.

Полимеры сложных виниловых эфиров используются в качестве основы адгезионных материалов. Представителем этой группы – поливинилацетат известный как клей ПВА.

Пластмассы.

Пластмассы это современный конструкционный материал. Они обладают малой плотностью, высокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью, химической стойкостью, электроизоляционными свойствами, хорошей звукоизоляцией. Как правило, у пластических масс высокие технологические свойства. Их можно формовать, прессовать, обрабатывать на металлорежущих станках, склеивать или сваривать.

Пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные - при каждом нагревании размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Термореактивные - при нагревании размягчаются, а затем затвердевают и больше на повторный нагрев не реагируют.

Пластические массы это искусственные материалы, которые в своей основе могут изготавливаться с наполнителем или без него.

Пластмассы без наполнителя чаще бывают термопластичные. Примерами этого вида пластмасс служит полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, органическое стекло, фторопласт.

Полиэтилен имеет высокую эластичность, химически стоек, морозостоек. Его недостатки: невысокая теплостойкость (до 60 ).

Полипропилен аналогичен полиэтилену, но более теплостоек (до 150), но менее морозостоек (до -10),

Поливинилхлорид используют для производства винипласта, который обладает высокой прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами.

Полистирол – это твёрдый, жесткий, прозрачный полимер. Имеет очень высокие электроизоляционные свойства. Полистирол имеет низкую теплостойкость, склонность к старению.

Оргстекло изготавливают на основе полиакриловой смолы. Имеет высокую оптическую прозрачность, обладает химической стойкостью.

Фторопласты обладают среди пластмасс наибольшей термической и химической стойкостями. Обладает хорошими антифрикционными электроизоляционными показателями.

Большая группа пластмасс являются смесью полимера с наполнителями, который используется в виде порошка. Поэтому появился термин «порошковые пластмассы». Полимер в пластмассах служит связующим материалом. Наполнители необходимы для повышения прочности и получения необходимых свойств. Наполнителем может использоваться цемент, тальк, графит, тальк, глина, древесная мука. Кроме наполнителя в пластмассу входят: отвердители, для перехода смеси в твёрдое состояние; пластификаторы для снижения хрупкости и повышения пластичности; стабилизаторы, замедляющие или предотвращающие процесс старения.

К недостаткам порошковых пластмасс относится сравнительно низкая теплостойкость, а для некоторых пластмасс, склонность к старению.

При изготовлении пластмасс, закладывают желаемые свойства. Так, некоторые пластмассы обладают оптической прозрачностью, хорошими фрикционными, а другие, наоборот, антифрикционными свойствами.

Пластмассы с органическим наполнителем применяют для ненагруженных деталей общетехнического назначения. Чаще всего это корпуса, кнопки, рукоятки, декоративные элементы. Минеральные наполнители придают пластмассам повышенные электроизоляционные свойства, химическую стойкость, водостойкость. Чаще такие пластмассы изготавливаются на основе термореактивных связующих.

Распространенным представителем порошковой пластмассы служит карболит, который изготавливается из фенолформальдегидной смолы с наполнителем из древесной муки или глины. Карболит обладает хорошей электроизоляцией, но имеет ограниченную температуру эксплуатации, не более 80С. Из него изготавливаю детали электрооборудования.

Кроме порошковых существуют слоистые пластмассы. Примером тому могут служить гетинакс и текстолит.

Гетинакс – пластик полученный горячим прессованием листов бумаги, пропитанных фенолформальдегидной смолой (бакелитом). Обладает высокими диэлектрическими свойствами. Применяется для изготовления деталей электрооборудования, в качестве декоративного и отделочного материала. Гетинакс устойчив к действию химикатов. Он эксплуатируется до температуры в 120 – 140 С.

Текстолит – изготавливают, как и гетинакс, только в качестве основы используют хлопчатобумажную ткань. Он обладает высокой механической прочностью, высокими антифрикционными и диэлектрическими свойствами, хорошей износоустойчивостью. Стоек до температуры не более 80 градусов. Применяется для изготовления изоляционных материалов, отделочных работ, изделий технического и бытового назначения.

Разновидностями типов текстолита служат асботекстолит и стеклотекстолит. Наполнителем в асботекстолите служит асбестовая ткань. Имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Из асботекстолита изготовляют фрикционные накладки для дисков сцепления и тормозные колодки. Из стеклотекстолита (стеклопластиков) изготовляют крупногабаритные детали. В частности, они применяются для изготовления кузовов автомобилей.

Прессованием также получают стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ), который получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой. Листы складывают со взаимно перпендикулярными слоями, наподобие производства фанеры. Этот материал обладает высокой прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами и высокой теплостойкость до 400С.

На основе синтетических смол изготавливают газонаполненные пластмассы, которые содержат газовые включения. В пенопластах поры, заполненные газом, не соединяются друг с другом и формируют газовые объёмы. Они характеризуются малой плотностью, водостойкостью, тепло-, звуко- и электроизоляцией.

Поропласты (поролон) газонаполненные пластмассы, поры которых сообщаются между собой. Они представляют мягкие эластичные материалы, обладающие водопоглощением.

Резина

Отдельным материалом выглядит резина, которая является искусственным материалом на основе каучука, Каучук- это естественный или искусственный полимер, который способен выдерживать большие деформации с последующим возвратом в исходное состояние. Резину получают, проводя процесс вулканизации каучука с серой. Если серы составляет до 5% от массы каучука, то резина получается мягкой. С увеличением серы большего количества получаемый материал становится жестким. При 30 % количестве добавленной серы получается твёрдый материал называемый эбонитом. Этот материал находит широкое применение в электротехнической промышленности.

Резину при изготовлении подразделяют на: общего и специального назначения. Из общего назначения изготавливают автошины, транспортёрные ленты, ремни для ременных передач, шланги т.д. Резина специального назначения, которая получается за счёт добавок в момент её изготовления, подразделяется на теплостойкую ( до 350), морозостойкую (до -70), маслобензостойкую, светоозоностойкую, электропроводящую, электроизоляционную, рентгеностойкую.

Композиционные материалы.

Композиционными называют комбинированные по свойствам материалы, не растворимые друг в друге. Основой, как правило, является сравнительно пластичный материал, именуемый матрицей. В матрице равномерно распределяются более твёрдые и прочные материалы, называемые упрочнителями или наполнителями.

Матрица может быть металлической, полимерной, углеродной, керамической. По типу упрочнителя композиционные материалы делятся на дисперсноупрочнённые, в которых упрочнителем служат дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и др.; волокнистые, в которых упрочнителем являются волокна различной формы и слоистые, состоящие из чередующихся слоёв волокон и листов матричного материала.

Среди дисперсно-упрочнённых материалов ведущее место занимает САП ( спеченная алюминиевая пудра), представляющая собой алюминий упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. С увеличением содержания оксида повышается прочность, жаропрочность, твёрдость, но уменьшается пластичность. По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы. Получают САП из окисленной с поверхности алюминиевой пудры путём брикетирования, спекания и прессования.

В волокнистых композиционных материалах упрочнителями служат углеродные, борные, синтетические, стеклянные, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений: карбиды кремния, оксиды алюминия или металлическая проволока. Связь между компонентами в композиционном материале на металлической основе осуществляется с помощью адгезии. Повышение адгезии волокон к матрице достигается их поверхностной обработкой.

Среди неметаллических волокнистых композиционных материалов наибольшее распространение получили материалы с полимерной матрицей. Материалы, содержащие в качестве уплотнителя углеродные волокна, называются карбоволокнитами. Они обладают низкой теплопроводностью и электропроводностью, хорошей износостойкостью. Недостаток – низкая прочность при сжатии и сдвиге. Материалы с упрочнителем в виде волокон бора называют бороволокнитами. Они обладают высокой прочностью при растяжении, сжатии и сдвиге, высокой твёрдостью и повышенным модулем упругости, тепло- и электропроводностью. Материалы с уплотнителем из синтетических волокон (капрон, лавсан и др.) называют органоволокнитами. Они обладают высокой удельной прочностью, с хорошей пластичностью и ударной вязкостью, электроизоляционными свойствами. В качестве уплотнителя используют проволоку стальную или вольфрамовую.

В качестве матрицы для композиционных материалов на металлической основе используют алюминий, магний, титан, никель.