Конструкционные материалы (стр. 4 )

Серый чугун представляет собой сплав Fe – Si – C, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 – 3,8% углерода. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств углерода должно быть не менее 2,4%. Кремний оказывает большое влияние на строение, а следовательно и на свойства чугунов.

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугуна:

1. Белый чугун; весь углерод находится в виде цементита Fe3C.

2. Половинчатый чугун; большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe3C.

3. Перлитный серый чугун; 0,7 – 0,8% углерода находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

4. Ферритно–перлитный серый чугун. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% углерода.

5. Ферритный серый чугун. В этом случае весь чугун находится в виде графита.

Количество марганца в чугуне не превышает 1,25 – 1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, т. е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1 – 0,12%.

Содержание фосфора в сером чугуне приблизительно 0,2%, но иногда допускается даже 0,5%. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна, при этом увеличивая хрупкость отливок.

Серые чугуны по их применению можно разделить на группы:

1. Ферритные и ферритно-перлитные чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе.

2. Перлитные чугуны применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений.

3. Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл.

Белый и отбеленный чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью. Практически не поддается обработке резанием. Высокая твердость поверхности обуславливает хорошую сопротивляемость против износа, поэтому его используют для изготовления прокатных валков листовых станков, колес, шаров для мельниц и т. д.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще для этой цели применяют магний.

Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, износостойкость и т. д.

Высокопрочные чугуны применяют в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станков; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей.

Ковкий чугун. Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах отливок из белого чугуна. Ковкий чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния. Более низкое содержание углерода способствует повышению пластичности, так как при этом уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге.

Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения.

4. Пластмассы.

Пластмассами называют искусственные материалы, полученные на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагревании размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется.

4.1. Термопластичные пластмассы.

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопластичные пластмассы применяют в качестве прозрачных органических стекол, высоко - и низкочастотных диэлектриков, химически стойких материалов; из этих пластмасс изготовляют тонкие пленки и волокна.

Неполярные термопластичные пластмассы. К неполярным пластикам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4.

Полиэтилен (- CH2 – CH2 -)n - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам. Теплостойкость полиэтилена невысока, поэтому длительно его можно применять при температурах до 60 - 100єС. Морозостойкость полиэтилена достигает - 70єС и ниже. Полиэтилен используют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, полиэтиленовых пленок для изоляции проводов и кабелей, чехлов, остекленения парников, облицовки водоемов; кроме того, полиэтилен служит покрытием на металлах для защиты от коррозии, влаги, электрического тока и др.

Полипропилен (- CH2 – CHCH3 -)n – является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико–механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до температуры 150єС. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиленовые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки.

Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые

Полистирол (- CH2 – CHC6H5 -)n - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. По диэлектрическим характеристикам близок к полиэтилену, удобен для механической обработки, хорошо окрашивается. Недостатками полистирола являются его невысокая теплостойкость, склонность к старению, образование трещин. Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции.

Фторопласт-4 являются термически и химически стойкими материалами. Фторопласт-4 можно длительно эксплуатировать при температуре до 250єС. Разрушение материала происходит при температуре выше 415єС. Фторопласт-4 стоек к действию растворителей, кислот, щелочей, окислителей. Фторопласт-4 применяют для изготовления труб для химикатов, деталей (вентили, краны, насосы, мембраны), уплотнительных прокладок, манжет, сильфонов, электрорадиотехнических деталей, антифрикционных покрытий на металлах.

Полярные термопластичные пластмассы. К полярным пластикам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиуретаны, полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид.

Фторопласт-3 полимер трифторхлорэтилена, имеет формулу (-CF2 – CFCl-)n и является кристаллическим полимером. Интервал рабочих температур фторопласта-3 от -105 до +70єС. При температуре 315єС начинается термическое разрушение. Фторопласт-3 используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготовляют трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металла и др.

Органическое стекло – это прозрачный аморфный термопласт на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. При температуре 80єС органическое стекло начинает размягчаться; при температуре 105 - 150єС появляется пластичность, что позволяет формировать из него различные детали. Органическое стекло стойко к действию разбавленных кислот и щелочей, углеводородных топлив и смазок, растворяется в эфирах и кетонах, в органических кислотах, ароматических и хлорированных углеводородах. Органическое стекло используют в самолетостроении, автомобилестроении. Из органического стекла изготовляют светотехнические детали и оптические линзы.

Поливинилхлорид является полярным аморфным полимером с химической формулой (- CH2 – CHCl -)n. Пластмассы на основе поливинилхлорида имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки. Непластифицированный твердый поливинилхлорид называется винипластом. Из винипласта изготовляют трубы для подачи агрессивных газов, жидкостей и воды, защитные покрытия для электропроводки, детали вентиляционных установок, теплообменников, защитные покрытия для металлических емкостей, строительные облицовочные плитки.

Полиамиды – это кристаллизующиеся полимеры. У них низкая плотность. Полиамиды имеют низкий коэффициент трения, продолжительное время могут работать на истирание; кроме того, полиамиды ударопрочны и способны поглощать вибрацию. Они стойки к щелочам, бензину, спирту; устойчивы в тропических условиях. Из полиамидов изготовляют шестерни, втулки, подшипники, болты, гайки, шкивы, детали ткацких станков, маслобензопроводы, уплотнители гидросистем, колеса центробежных насосов, турбин, турбобуров, буксирные канаты и т. д. Полиамиды используют в электротехнической промышленности, медицине и, кроме того, как антифрикционные покрытия металлов.

Полиуретаны содержат уретановую группу – NH – COO -. Свойства полиуретана в основном близки к свойствам полиамидов. Из полиуретана вырабатывают пленочные материалы и волокна, которые малогигроскопичны и химически стойки.

Полиэтилентерефталат является кристаллическим полимером. Является диэлектриком и обладает относительно высокой химической стойкостью, устойчив в условиях тропического климата. Из полиэтилентерефталата изготовляют шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Поликарбонат – сложный полиэфир угольной кислоты. Химически стоек к растворам солей, разбавленным кислотам и щелочам, топливу, маслам; разрушается крепкими щелочами. Выдерживает светотепловакуумное старение и тепловые удары. Поликарбонат имеет ограниченную стойкость к ионизирующим излучениям. Из поликарбоната изготовляют шестерни, подшипники, автодетали, радиодетали.

Полиарилаты – сложные гетероцепные полиэфиры. Полиарилатам присущи высокая термическая стойкость и морозостойкость, хорошие показатели механической прочности и антифрикционные свойства. Полиарилаты применяются для подшипников, работающих в глубоком вакууме без смазки, в качестве уплотнительных материалов в буровой технике.