Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

321

Из эбонита изготавливают аккумуляторные баки, крышки для

баков, пробки, втулки, воронки медицинские к кислородным

подушкам, краны, наконечники и другие детали.

7.5. Резинометаллические изделия

Номенклатура резинометаллических изделий в машиностроении

довольно широка (амортизаторы, буфера, подшипники, шарниры,

уплотнители и т.д.). Металлические элементы применяют как для

повышения жесткости деталей, так и для монтажа и соединения с

другими элементами конструкции. Прочность связи на границе

резина-металл зависит от состояния металлической поверхности,

состава резины и режимов формования. В

зависимости от

технологического процесса различают горячее и холодное крепление

резины к металлу. При горячем креплении сырая резина

присоединяется к металлу при вулканизации, а при холодном -

вулканизованная резина присоединяется к металлу с помощью клея.

Горячее крепление резины к металлу осуществляется с

применением промежуточного подслоя (эбонитового или латунного).

Подслой наносится на предварительно

очищенную и обезжиренную

металлическую поверхность. При использовании эбонитового

подслоя сначала наносят тонкий слой клея на основе эбонитовой

смеси, а затем слой (лист) эбонитовой смеси, на который

укладывается резиновая смесь, и все эти слои плотно прикатываются

к металлу или спрессовываются в форме. После этого изделие идет на

вулканизацию. Однако такое соединение чувствительно

к вибрациям

и ударным нагрузкам, а также требует длительной выдержки для

вулканизации эбонитовой прослойки.

В случае использования латунного подслоя стальную по-

верхность подвергают химическому травлению для удаления оксидов

железа с поверхности и латунируют после промывки ее в

электролизерах. Толщина слоя латуни создается в пределах

0,0002...0,01 мм. Арматура крепится в соответствующую форму

форма заполняется сырой резиной. Далее изделие подвергается

вулканизации. Данный способ применяется в основном для не-

больших металлических деталей.

322

Крепление с помощью клеев более просто в технологическом

исполнении. На обезжиренную поверхность наносят клей и

просушивают, после чего можно накладывать и прикатывать

резиновую смесь или крепить арматуру в форму и заполнять форму

резиновой смесью, а затем производить вулканизацию резины.

Холодное крепление резины к металлам выполняют с помощью

клея. Наибольшее применение для

этих целей получил клей 88Н.

Металлические поверхности, подлежащие склеиванию,

подготавливают, как и в предыдущих случаях. Зачищают и

обезжиривают поверхность резины. На обе поверхности наносят клей,

затем детали соединяют и выдерживают в зафиксированном

положении под давлением 0,01...0,10 МПа до завершения поли-

меризации клея.

Метод холодного крепления резины к металлам, безусловно

проще, не

требует специальных форм или специального

технологического оборудования для латунирования, однако

соединение уступает по масло- и теплостойкости, стойкости к

воздействию агрессивных сред, вибраций и ударных нагрузок

горячему креплению.

Г л а в а 8

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

323

Неорганическим материалам присущи: негорючесть, высокая

стойкость к нагреву, химическая стойкость, неподверженность

старению, большая твердость, хорошая сопротивляемость

сжимающим нагрузкам. Однако они обладают повышенной хруп-

костью, плохо переносят резкую смену температур, слабо сопро-

тивляются растягивающим и изгибающим нагрузкам и имеют

большую плотность по сравнению с органическими полимерами.

Основой неорганических материалов является главным образом

оксиды и бескислородные соединения металлов.

8.1. Неорганические стекла

Под стеклом понимают неорганические расплавленные

продукты, которые при охлаждении не кристаллизуются. В отличие от

других неорганических материалов, стекла не имеют упорядоченной

структуры. Они аморфны, то есть построены из случайно

расположенных в пространстве сетчатых структурных узлов

(например, структурных групп SiO

, PO

, так называемых узловых

центров), в которых размещены остальные составные части

(например, ионы щелочных и щелочноземельных металлов, так

называемые структуропреоб-разователи). Структурные группы,

например тетраэдры SiO

, аналогичны кристаллическим силикатам,

однако в их расположении отсутствует периодичность. О стекле

говорят как о материале, имеющем ближний структурный порядок.

Если типичный расплав стекла, нагретый до высокой температуры,

медленно охлаждать, то в нем не наблюдается признаков

кристаллизации, а наоборот, структура жидкорасплавленного

состояния "замораживается". Поэтому стекло называют также

переохлажденной жидкостью.

8.1.1. Состав и классификация

Неорганическое стекло представляет собой аморфный, изо-

тропный, прозрачный, твердый и хрупкий термопластичный ма-

324

териал, получаемый в результате переохлаждения расплава различных

стеклообразующих компонентов и оксидов металлов.

Стеклообразующий каркас их имеет неправильную пространственную

сетку, образованную кремнекислородными тетраэдрами. При

частичном изоморфном замещении кремния в тетраэдрах, например

на алюминий или бор, образуется структурная сетка

алюмосиликатного или боросиликатного стекла. В структурной сетке

стекла в промежутках между тетраэдрами могут

располагаться ионы

щелочных (натрия и калия) и щелочноземельных (кальция, магния,

бария) металлов (рис. 49).

В качестве стеклообразующих могут быть использованы также

оксиды бора, фосфора, германия, мышьяка. Оксиды щелочных и

Рис. 49. Структура неорганических стекол: а - кварцевое; б –

щелочное; 1 - О, 2 —-Si, 3 —-Na.

щелочноземельных металлов - натрия, калия, кальция, магния, бария -

применяются в качестве модификаторов с

целью изменения физико-

механических свойств и облегчения технологии производства стекол.

Для придания стеклам специфических характеристик, кроме того,

вводят оксиды алюминия, железа, свинца, титана, бериллия и других

металлов.

По стеклообразующему веществу стекла классифицируются на

силикатные, алюмосиликатные, алюмоборосиликатные, алюмофос-

фатные и др.

325

По содержанию модификаторов стекла подразделяют на

щелочные, бесщелочные и кварцевые.

По назначению стекла подразделяются на техническое

(onтическое, светотехническое, химико-лабораторное, медицинское,

электротехническое, приборное, автотранспортное, растворимое и

др.), строительное (оконное, витринное, стеклоблоки, армированное);

бытовое (стеклотара, бытовые зеркала и пр.). Хотя в стеклообразное

состояние можно перевести многие химические соединения, для

технических целей

приемлемы только лишь группы определенного

химического состава. К ним относятся: оксидные стекла –

силикатные (кремниевые, известково-щелочные, боросиликатные,

свинцовые) и несиликатные (боратные и фосфатные); неоксидные

стекла – фторидные, сульфидные, нитратные и др.

Среди этих стекол наибольшая доля принадлежит силикатным, а

среди силикатных - известково-щелочным. Силикатные стекла

состоят в основном из SiO

и кроме того из оксидов щелочных и

щелочноземельных металлов и оксида алюминия. Для получения

необходимых свойств в их состав включают модифицирующие

компоненты, например небольшое количество борного ангидрида (в

йенских стеклах), оксид свинца (в хрустале), оксиды цинка или

редкоземельных металлов (в оптических стеклах). При этом стекла не

являются стехиометрическими химическими соединениями и могут

иметь различное соотношение компонентов.

В табл. 72 приведен состав наиболее распространенных сортов

стекол.

Технические стекла в основном алюмоборосиликатные.

Таблица 72

Химический состав распространенных сортов стекол, %

326

Сорт стекла

SiO

O CaO MgO Al

Прочие

Плоское и

профильное

Зеленое

бутылочное

Хрусталь

Йенское

Разотерм-

гласс

Оптическое

(шверкрон)

6-7

3,5

3-4

1,5

5,5

8,5

O и

2Fe

31PbO и

11K

4BaO

1.5K

30BaO

8.1.2. Свойства стекол

Физико-механические свойства. Переработку стекломассы в

изделия производят обычно при температуре 1000-1100°С, а

температура размягчения ее лежит в пределах 600-800°С. Ниже

температуры 500-425°С стекла находятся в стеклообразном

состоянии. Плотность стекол зависит от их химического состава и

колеблется от 2200 до 6500 кг/м

Стекла практически не имеют пластической деформации при

нормальных температурах, обладают низкими временным

сопротивлением (σ

= 30-90 МПа) и пределом прочности при изгибе

(σ

В ИЗГ

=50-150 МПа), в то время как при сжатии предел прочности ра-

вен σ

В СЖ

=500-2000 МПа. Твердость стекла определяют методом цара-

пания по шкале Мооса, и составляет она 5-7 ед. Стекла обладают

низкой ударной вязкостью, порядка 1,5-2,5 кДж/м

. Значительное

снижение прочности стекол наблюдается в присутствии оксидов

щелочных металлов. Применение термической обработки позволяет

изменять свойства стекол. Отжиг обеспечивает снятие внутренних

напряжений в стеклянных изделиях. Закалкой достигается

значительное повышение механической прочности и термической

стойкости.

327

Термические свойства стекол характеризуют их как материал,

отличающийся от других твердых тел исключительно низкой

теплопроводностью и способностью изменять коэффициент теплового

расширения в очень широких пределах (в 10 и более раз). Зависят эти

свойства от химического состава стекла и режимов термообработки.

Наиболее теплопроводны кварцевые и боросиликатные стекла, а

свинец- и барийсодержащие имеют самую

низкую теплопроводность.

Повышают теплопроводность оксиды алюминия и железа.

Тепловое расширение стекол уменьшается с увеличением

содержания оксидов кремния, бора, титана, цинка, бериллия и резко

возрастает при увеличении содержания оксидов бария, свинца,

натрия, лития, калия.

Для большинства видов стекол термостойкость колеблется в

пределах 90-170°С, а для кварцевого – 800-1000°С.

Химические свойства стекол. Стекло

отличается высокой

химической стойкостью к действию воды и кислот (кроме плавиковой

и фтористой), в то время как в растворах щелочей прочность резко

стойкость повышают оксиды кремния, циркония, титана, бора,

снижается и зависит от химического состава стекла. Химическую

алюминия, кальция, магния, цинка, а оксиды лития, натрия, калия,

бария, свинца, наоборот, снижают химическую

стойкость.

Химическая коррозия усиливается с повышением температуры (в 1,5-

2 раза при увеличении температуры на 10°С), особенно при нагреве

выше 100°С.

Электрические свойства стекол. Стекла являются

диэлектриками с релаксационно-ионной поляризацией. При

температуре менее 200°С подвижность ионов незначительна, в связи с

этим стекла являются хорошими диэлектриками и служат в качестве

высоковольтных изоляторов

(ρ

= 10

-10

Ом/м). Влажность может

повысить поверхностную электропроводность за счет гид-

ролитического разложения. Электропроводность также увеличивается

с ростом температуры, особенно у щелочных стекол. В 1,5-2 раза

увеличивает электропроводность термическая закалка. Электрическая

прочность стекла в постоянном электрическом поле составляет 100-

600 кВ/мм и резко снижается с увеличением температуры. В

переменном электрическом поле сказывается влияние

теплового

328

пробоя вследствие диэлектрических потерь и электрическая

прочность снижается до 16-50 кВ/мм.

Важнейшими специфическими свойствами стекол являются

оптические свойства: светопрозрачность, отражение, рассеивание,

поглощение и преломление света. Обычное оконное стекло про-

пускает до 90%, отражает 8%, поглощает 1% видимого и частично

инфракрасного света, ультрафиолетовые лучи поглощает почти

полностью. Прозрачным для ультрафиолетового облучения является

кварцевое стекло. Коэффициент

преломления стекол составляет 1,47-

1,96. Стекло с большим содержанием оксида свинца поглощает

рентгеновские лучи.

Упрочнение стекол может быть достигнуто путем закалки,

термохимической обработки и создания триплексов. Закалка за-

ключается в нагреве стекол до температуры выше температуры

стеклования и резкого равномерного охлаждения в потоке воздуха

или в масле. При этом сопротивление статическим нагрузкам

увеличивается в 3-6 раз, ударная вязкость в 5-7 раз. При закалке

возрастает также термостойкость стекол.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изме-

нении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло под-

вергается закалке в кремнийорганических жидкостях, в результате

чего на его поверхности образуется полимерная пленка, что

дополнительно упрочняет ее. Повышается прочность стекол за

счет

снижения дефектности поверхности при обработке плавиковой

кислотой, а также при создании слоистых материалов - триплексов и

термопанов.

Триплексы представляют собой два листа закаленных стекол

толщиной 2-3 мм, склеенных прозрачной эластичной полимерной

пленкой (чаще всего поливинилбутиральной). Стекла этого вида

являются безосколочными.

Трехслойное стекло, состоящее из двух стекол с воздушной про-

слойкой между

ними, называется термопаном.

8.1.3. Применение технических стекол

329

Для остекления транспорта применяются триплекс, термопан и

закаленные стекла.

Оптические стекла, используемые в приборах, подразделяются

на: кроны (с малым коэффициентом преломления); флинты (с

большим содержанием свинца и большим коэффициентом

преломления); светорассеивающие стекла, содержащие в своем

составе фтор.

В литейных и мартеновских цехах используют стекла, по-

глощающие до 70% инфракрасного излучения, содержащие оксиды

железа и ванадия.

В качестве термисторов и фотосопротивлений используют

электропроводящие халькогенидные и оксидно-ванадиевые стекла.

Широко используются стекловолокнистые термоизоляционные

материалы АСИМ, АТИМС, АТМ-3 и др. Допустимый диапазон

температур эксплуатации их составляет от -60 до +500°С, плотность –

20-130 кг/м

8.1.4. Технология получения стекол

Технология получения стекол прежде всего зависит от состава

стекол и это можно подробно рассмотреть на примере стекла для

массового производства - силикатного. Если расплавить горный

хрусталь, являющийся природной формой SiO

высокой степени чи-

стоты, для чего требуется очень высокая (выше 1600 °С) температура,

а затем отформовать расплав и достаточно быстро охладить его, то

получится простейшее в химическом смысле стекло. Это кварцевое

стекло - идеальный стеклянный материал с совершенно

исключительными свойствами, который мог бы найти разнообразное

применение, если бы его производство не было бы ограничено двумя

факторами: с одной стороны, относительно редкое и, следовательно,

дорогое сырье; а с другой - настолько высокая температура плавления

чистого SiO

, что это усложняет и удорожает техническую

реализацию процесса. Поэтому так важно выбрать пригодное сырье и

снизить температуру плавления и переработки, чтобы создать

экономичное и высокоразвитое в техническом отношении

производство.

330

Составы технических стекломасс должны содержать лишь

столько дорогих и тугоплавких оксидов, сколько абсолютно не-

обходимо для получения желаемых свойств. С другой стороны,

дешевые и понижающие температуру плавления компоненты должны

применяться лишь в таком объеме, при котором они не ухудшают

целевые свойства материала. С некоторых пор практически во всем

мире применяются примерно одинаковые составы сырья для

производства оконного, хозяйственного, технического (для приборов),

бутылочного стекла и т. д. Примером может служить кварцевое

стекло. Было обнаружено, что вместо дорогого горного хрусталя

можно использовать чистый песок, если к нему добавить щелочное

сырье (например, Na

O). При этом на несколько сот градусов

понижается температура плавления. Однако стекло, состоящее из

диоксида кремния и оксида натрия, для которого в качестве исходного

сырья могут быть использованы песок SiO

, сода Na

, натриевая

селитра NaNO

и глауберова соль Na

, недостаточно водостойкое.

Поэтому для его стабилизации добавляют оксид кальция СаО,

глинозем А1

и оксид магния MgO, а для улучшения перера-

батываемости стекломассы вводят еще оксид калия К

О.

Кроме того, допускается присутствие в виде примесей таких

компонентов, которые не вызывают нежелательных отклонений от

заданных свойств (малые количества Fe

, TiO

и т. д.). Применяется

также экономически выгодное комплексное исходное сырье - каолин

•2SiO

•2H

O или доломит (Mg, Ca)CO

В качестве основного сырья для производства стекла

применяются: песок SiO

, глинозем Al

, оксид цинка ZnO, оксид

кальция CaO, магнезия MgO, оксид бария BaO, оксид свинца PbO,

оксид натрия Na

O, оксид калия K

O, полевой шпат CaF

, белый

мышьяк As

Чтобы облегчить протекающие при плавлении реакции и чтобы

стекломасса быстро приобрела химическую и физическую

гомогенность, все сырье должно быть высушено, измельчено и

интенсивно перемешано. Эти операции совершаются в под-

готовительных цехах, где находятся сушильные печи, сушильные

мельницы, валковые дробилки, шаровые мельницы и

перемешивающие устройства. Последние заслуживают особенного

внимания, так как монодисперсные тяжелые материалы должны