Металловедение

341

следовательно, подшипники меньше нагреваются, высокие механические свой-

ства при нагреве сохраняются до сравнительно высоких температур (~200° С),

поэтому ее применяют для вкладышей подшипников мощных двигателей

(авиационные, дизельные и др.).

Сплавы на основе алюминия. Антифрикционными сплавами на основе алюминия являются сплавы АН-2,5 (2,7-3,3% Ni), ACM (0,3-0,7% Mg; 3,5-6,5% Sb). В этих сплавах мягкая основа - твердые растворы алюминия с элементами,

входящими в данный сплав, а твердые включения - химические соединения

(Al3Ni, AlSb). Антифрикционные алюминиевые сплавы имеют 100 высокую теплопроводность, что ценно для подшипников. Твердость алюминиевых спла-

вов выше, чем баббитов, поэтому их можно применять только в паре с тверды-

ми валами.

Сплавы на основе цинка. Эти сплавы содержат 9-12% А1, 1-5,5% Сu, 0,03-0,05% Mg, остальное Zn(ЦAM 10-5, ЦAM 9-1,5). По свойствам эти сплавы равноценны свинцовым баббитам и их применяют в подшипниках металлоре-

жущих станков, прессов и т. д.

Антифрикционный чугун. В качестве антифрикционных подшипниковых материалов применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Основная ме-

таллическая масса таких чугунов является перлитной или перлито-ферритной.

Антифрикционные серые перлитные чугуны, легированные хромом (0,2-

0,4%) и медью (1,5-2%) - марка АЧС-1; легированные хромом (0,2-0,4%), нике-

лем (0,2-0,4%), титаном (0,03-0,1%) и медью (0,3-0,5%) - марка АЧС-2 и перли-

то-ферритный чугун, легированный титаном (0,03-0,1%) и медью (0,3-0,5%) -

марка АЧС-3 рекомендуется применять при давлении до 500 МН/м2 (50 кгс/мм2).

Антифрикционные чугуны с шаровидным графитом марок АЧВ-1 (пер-

литный) и АЧВ-2 (перлито-ферритный) применяют в узлах трения при повы-

шенных давлениях до 1200 МН/м2 (120 кгс/мм2). Антифрикционные ковкие чу-

342

гуны - это перлитный чугун, легированный медью (1-1,5%) -марка АЧК-1 и

перлито-ферритный чугун - марка АЧК-2.

Перлитные чугуны (содержащие перлита не менее 80%) марок АЧС-1,

АЧС-2, АЧВ-1, АЧК-1 предназначены для работы в паре с термически обрабо-

танными (закаленными или нормализованными) валами, а перлито-ферритные

(содержащие перлита 50-80%) - с термически не обработанными валами.

Антифрикционные сплавы. Эти сплавы получают из порошков как чер-

ных, так и цветных металлов прессованием и спеканием при высоких темпера-

турах; сплавы получаются пористыми. Часто в них вводят графит (1-3%), кото-

рый заполняет поры. При наличии пор, в которых удерживается смазка, и нали-

чии графита, являющегося твердой смазкой, пористые подшипники отличаются малыми износом и коэффициентом трения, потребляют меньшее количество смазки, хорошо прирабатываются.

Пористыми подшипниковыми металлами и сплавами являются: пористое железо; железо-графит; железо - медь и железо - медь - графит; медь - олово -

графит.

343

Г л а в а XX

ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ

Среди новых конструкционных материалов, применяемых для ускорения технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства, видное место принадлежит пластическим массам (пластмассам) и синтетическим смолам.

Пластическими массами называют неметаллические материалы, получае-

мые на основе природных и синтетических полимеров и перерабатываемые в изделия методами пластической деформации.

Производство машин не обходится без использования пластмасс и резин.

Они являются не только заменителями дефицитных цветных металлов, но и са-

мостоятельными машиностроительными материалами, для которых не всегда может быть найдена замена. Широкое использование пластмасс для изготовле-

ния огромной номенклатуры узлов и деталей машин обусловливается много-

образием их свойств (физико-механических, диэлектрических, анти-

коррозионных и др.). Применение пластмасс улучшает качество машин и обо-

рудования за счет снижения их веса и трудоемкости, повышения долговечности и надежности, улучшения внешнего вида, снижения затрат на изготовление,

экономии цветных и черных металлов. Особенно эффективна замена пласт-

массами цветных металлов (свинца, меди, цинка, латуни, бронзы) и легирован-

ных сталей при изготовлении узлов и деталей машин.

Исходными материалами для получения пластмасс служат дешевые при-

родные вещества: продукты переработки каменного угля, нефти, природного газа и т. д. На производство пластмасс требуется в два-три раза меньше капи-

тальных вложений, чем на получение цветных металлов, если сравнивать их выпуск в тоннах.

В настоящее время поставлена задача полного использования во всех от-

раслях народного хозяйства достижений современной химии и, в частности, за-

мена традиционных материалов новыми более экономичными и практичными

344

синтетическими материалами. Предусмотрено увеличение использования неф-

тяного газового сырья для производства полимерных материалов. Создание достаточных мощностей по переработке полимерных материалов в изделия для нужд народного хозяйства.

Пластмассы позволяют обеспечивать технический прогресс про-

мышленности. Применение, например, одной тонны эпоксидной смолы в элек-

тротехнике дает экономию более 4 т меди.

Наиболее крупными потребителями пластмасс являются элект-

ротехническая промышленность, автотракторное и сельскохозяйственное ма-

шиностроение, радиоэлектроника, общее машиностроение.

Основное внимание в планировании производства пластических масс уделяется развитию наиболее прогрессивных видов пластмасс: термопластов (в

первую очередь поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и его сополимеры),

фенольных смол и прессматериалов на их основе и стеклопластиков.

§ 1. Основные свойства пластмасс и их классификация

Материалы, получаемые синтезом органических веществ, называются синтетическими. К ним относятся: пластмассы, пленки и волокна, резины, клеи,

герметики, краски, лаки. В основе этих материалов лежат полимерные соедине-

ния, так называемые полимеры. Свойства синтетических материалов определя-

ются физико-механическими показателями тех полимеров, из которых они по-

лучены. Все полимеры отличаются исключительно большим размером молекул.

Молекулы полимеров называют макромолекулами. Молекулярный вес полиме-

ров составляет от 6-10 тысяч до величины, определяемой размером данного куска полимера, т. е. кусок полимера представляет собой единую молекулу.

Форма молекул полимеров может быть линейной (нитевидной) или сетчатой.

Каждая макромолекула представляет собой совокупность звеньев какой-то од-

ной определенной структуры, соединенных химическими связями. Часто мак-

ромолекулы представляют собой сочетание звеньев двух или трех различных

345

типов структур. Такие полимеры называют совмещенными полимерами или сополимерами. Свойства сополимеров бывают средними показателями свойств отдельных полимеров, составляющих данный сополимер. Сильнее выражены свойства того полимера, звеньев которого больше в макромолекулах сополиме-

ра.

Изделия из пластмасс, приняв при определенной температуре и давлении заданную форму, при обычных условиях представляют собой твердые и упру-

гие тела.

Пластмассы широко применяют в машиностроении благодаря высоким показателям следующих основных положительных свойств:

малая плотность полимерных материалов по сравнению с металлами (1,1-

1,8 г/см3) позволяет значительно уменьшить вес машин при изготовлении их деталей из пластмасс;

химическая стойкость: пластмассы не подвержены коррозии, а многие из них и агрессивным средам;

электроизоляционные свойства, позволяющие применять пластмассы в качестве диэлектриков, незаменимых в высокочастотных устройствах радио-

связи, телевидения и т. д.;

абсолютная и удельная механическая прочность и возможность создания анизотропных материалов;

антифрикционные свойства: некоторые виды пластмасс, например тек-

столит, ДСП (древеснослопстые пластики), капрон, капролон, успешно заме-

няют бронзу и баббит в подшипниковых узлах машин;

фрикционные качества: фенопласты с асбестовым наполнителем, пресс-

композиции на основе каучуков и другие виды специальных пластмасс облада-

ют высоким коэффициентом трения, малым износом; они с успехом заменяют в конструкциях транспортных и прочих машин чугун и дорогие сорта дерева;

346

оптические свойства: некоторые ненаполненные пластические массы, как полиметилметакрилат (органическое стекло), полистирол и другие, прозрачны и бесцветны, способны пропускать лучи света в широком диапазоне волн, в том числе ультрафиолетовую часть спектра, значительно превосходя в этом отно-

шении силикатные стекла; эти пластмассы широко применяют в оптической промышленности и машиностроении для изготовления прозрачных деталей -

водомерных стекол, арматуры масляных и охлаждающих систем, линз смотро-

вых отверстий и т. д.;

технологичность: трудоемкость изготовления самых сложных деталей из пластмасс незначительна по сравнению с трудоемкостью изготовления деталей из других материалов;

9)наличие неограниченных ресурсов дешевого сырья.

Одновременно с указанными достоинствами пластмассы обладают сле-

дующими недостатками:

1) низкая теплостойкость: основные виды пластмасс могут удовлетвори-

тельно работать лишь в сравнительно небольшом интервале температур (от - 60

до + 200° С); пластмассы на основе кремнийорганических полимеров, фурфу-

рольных композиций и фторопластов имеют верхний предел температур 300-

400° С;

2)низкая теплопроводность: теплопроводность пластмасс в

509-600 раз ниже теплопроводности металла, что создает трудности при их применении в узлах и деталях машин, где необходим быстрый отвод больших количеств тепла;

3)низкая твердость (НВ6-60);

ползучесть: это свойство особенно ярко выражено у термопластов;

малая жесткость: модуль упругости самых жестких пластмассстекло-

пластиков на один-два порядка ниже, чем у металлов;

347

старение: пластмассы теряют свои свойства под действием температуры,

влажности, света, воды, длительного пребывания в атмосферных условиях.

Все это необходимо учитывать при конструировании деталей из пласт-

масс.

Пластмассы в зависимости от поведения смолы при нагреве делятся на термореактивные (реактопласты) и термопластические (термопласты).

Реактопласты под действием тепла и давления (или инициаторовускори-

телей отверждения) переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние.

Реактопласты не могут быть вторично переработаны. Термопласты под дейст-

вием тепла плавятся и затвердевают при охлаждении. Изделия из термопластов могут неоднократно перерабатываться. Однако повторный нагрев несколько ухудшает физико-механические свойства материала (за счет разложения и за-

грязнения его).

В зависимости от применяемого наполнителя пластические массы разде-

ляют на композиционные и слоистые. Композиционные в свою очередь делятся на порошкообразные и волокнистые.

§ 2. Компоненты, входящие в состав пластмасс

Основой пластических масс являются смолы - высокомолекулярные со-

единения органического происхождения. Смолы в чистом виде используются реже. В большинстве своем пластмассы состоят из смолы, наполнителя, пла-

стификатора, стабилизатора, красителя и других добавок, улучшающих техно-

логические и эксплуатационные свойства пластмассы. Свойства полимеров мо-

гут быть в значительной степени улучшены и изменены, в зависимости от тре-

бований, предъявляемых различными отраслями техники, с помощью различ-

ных составляющих пластмассы. Наполнители служат для придания пластмассе следующих свойств: улучшения физико-механических, диэлектрических, фрик-

ционных или антифрикционных, повышения теплостойкости, уменьшения теп-

лостойкости и усадки, а также для снижения стоимости пластмасс.

348

Наполнители бывают органические и неорганические. Органическими наполнителями являются: древесная мука, хлопковые очесы, целлюлоза, бума-

га, хлопчатобумажная ткань, древесный шпон. В качестве неорганических на-

полнителей используют асбест, графит, стекловолокно, стеклоткань, слюду,

кварц.

С древесной мукой получают порошкообразные полимерные материалы -

пресспорошки, употребляемые для изготовления не сильно нагруженных дета-

лей. Для получения материала с более высокой механической прочностью употребляют волокнистые наполнители (волокна хлопка, асбеста). Еще боль-

шую прочность пластмассам придают листовые наполнители; их применяют для получения слоистых пластмасс. Так, при применении хлопчатобумажной ткани получают текстолит, стеклоткани - стеклотекстолит, бумаги - гетинакс,

асбестовой ткани - асботекстолит. При применении древесного шпона выраба-

тывают древесные пластмассы - ДСП. Для изготовления деталей, по прочности не уступающих сталям, в качестве наполнителей используют стекловолокно,

стеклошнуры, стекломаты. Связующее вещество-смола прочно сцепляется с наполнителем. Содержание наполнителей в пластмассах составляет от 40 до

70%. Для теплоизоляционных материалов часто используют газы, получая га-

зонаполненные полимерные материалы - пенопласты и поропласты.

Пластификаторы увеличивают пластичность и текучесть пластмасс,

улучшают морозостойкость. В качестве пластификаторов применяют дибутил-

фталат, трикрезилфосфат и др.

В состав пластмасс часто вводят стабилизаторы - вещества, предотвра-

щающие разложение полимерных материалов во время их переработки и экс-

плуатации под воздействием атмосферных условий, повышенных температур и других факторов. Так, для стабилизации полиэтилена используют ароматиче-

ские амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу. Красители добав-

ляют для окрашивания пластических масс. Применяют как минеральные краси-

349

тели (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так и органические (нигрозин,

родамин).

Смазочные вещества - стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло - снижают вязкость композиции и предотвращают прилипание прессма-

териала к стенкам пресс-формы.

§ 3. Сырье для получения пластмасс

Как уже отмечалось большое влияние на свойства пластмасс оказывает их основа, т. е. связующее вещество - смола. По характеру получения связующего вещества пластмассы разделяют на конденсационные и полимеризационные.

Конденсационные пластмассы. Основой этих пластмасс являются синте-

тические смолы, получаемые в результате химической реакции поликонденса-

ции - процесса, при котором образование нового вещества (полимера) происхо-

дит в результате взаимодействия низкомолекулярных веществ. Этот процесс сопровождается выделением побочных продуктов: воды, аммиака, спирта и др.

Реакция поликонденсации в зависимости от исходных продуктов может происходить при нагревании или без него, при пониженном, нормальном или повышенном давлении, в присутствии катализатора или без него. Наиболее распространенными в машиностроении и приборостроении термореактивными конденсационными пластмассами являются фенопласты и аминопласты. Фено-

пласты получают из фенольно-альдегидных смол. Фенольно-альдегидные смо-

лы образуются в результате взаимодействия фенола, крезола, фенолена или ре-

зорцина с альдегидами (формалином, фурфуролом, бензоль-дегидом) в присут-

ствии кислых или щелочных катализаторов. В зависимости от способа произ-

водства смолы этой группы подразделяют на резольные и новолачные. Резоль-

ные смолы - это термореактивные смолы. Основной особенностью резольных смол является их свойство переходить при нагревании в неплавкое и нераство-

римое состояние. В этом состоянии смолы обладают химической инертностью,

350

механической прочностью и высокими изоляционными свойствами. Переход в неплавкое и нерастворимое состояние, осуществляемый без добавления уско-

рителей (катализаторов), под действием нагрева и давления называется бакели-

зацией. Это превращение происходит и при обычной температуре и без давле-

ния, но очень медленно. Резольные смолы получают со щелочными катализато-

рами, например с едкой щелочью. Они могут производиться в виде водных эмульсий (до 20% воды), либо в сухом виде - в кусках желто-коричневой окра-

ски, либо в виде спиртовых растворов - лаков.

Новолачные смолы получают с кислыми катализаторами (например, с со-

ляной кислотой) и даже при длительном нагреве остаются постоянно плавкими и растворимыми, т. е. являются термопластичными смолами, в отличие от тер-

мореактивных - резолов. Если же нагрев новолаков производится с добавлени-

ем уротропина (кристаллическое соединение аммиака и формальдегида), то но-

волаки отвердевают очень быстро. Поэтому они в очень большом количестве идут на производство быстро отвердевающих прессматериалов. Кроме того,

новолаки применяются в виде спиртовых растворов как лаки (марка «Идитол»).

Аминопласты, или мочевино-формальдегидные пластмассы, относятся к группе термореактивных пластмасс. Благодаря красивому внешнему виду и яр-

ким окраскам (смолы бесцветны и светостойки, поэтому их можно окрашивать в различные цвета) из этих смол вырабатывают изделия ширпотреба. Как мате-

риал для изготовления технических деталей аминопласты находят ограничен-

ное применение по сравнению с фенопластами ввиду более низкой водо- и тем-

пературостойкости. Мочевино-формальдегидные смолы применяют также для пропитки древесины. После пропитки ими древесина становится более прочной и водоустойчивой. Сырьем для производства мочевино-формальдегидных смол является мочевина, тиомочевина, меламин, альдегиды, среди которых наи-

большее значение имеют формальдегид и уротропин,