Древесные конструкционные материалы

Древесина подразделяется на две разновидности:

• лиственные породы: дуб, клен, береза, липа и др.

• хвойные породы: ель, сосна, кедр сибирский и др.

Плотность древесины составляет 0, 46...0, 76 г/см³, предел прочности при растяжении вдоль волокон 101... 161 МПа.

По строению древесина является композиционным материалом из прочных волокон целлюлозы и тонких прослоек лигнина.

Основные разновидности древесных материалов:

Прессованная древесина, получаемая горячим прессованием с последующей специальной обработкой. Используют для изготовления подшипников, втулок и других деталей машин.

Древесноволокнистые плиты изготовляют горячим прессованием измельченной древесины, иногда со связующим. Применяют для облицовки и отделки пассажирских вагонов железнодорожного транспорта, автобусов и т.д.

Древесностружечные плиты получают горячим прессованием древесной стружки со связующим. Эти плиты используют в вагоностроении, для производства мебели и др.

Фанера представляет собой листовой материал толщиной 1... 12 мм. Изготовляется путем склеивания слоев шпона, представляющего собой широкую ровную стружку древесины в виде листов толщиной 0, 55... 1, 5 мм.

Керамические технические материалы

Керамические материалы получают из синтезированных или природных тонкодисперсных порошков неорганических химических соединений (оксидов, нитридов и др.). Для приготовления керамической массы применяют и вспомогательные вещества: пластификаторы, улучшающие формование непластичных порошков, связующие вещества, смазывающие жидкие масла с малым поверхностным натяжением, применяемые для уменьшения трения и прилипания массы к поверхности прессформы, поверхностно-активные вещества (олеиновая и стеариновая кислоты), улучшающие смачивание керамических частиц.

В приготовлении керамической массы важнейшими операциями являются: измельчение исходных материалов, составление смеси порошков, гранулирование и сушка керамических масс. Материалы в виде кусков различных размеров с различными физическими свойствами размельчают механическим путем (дробят и размалывают). Сначала производят грубое дробление до размера частиц 10... 15 мм, затем среднее - до размера частиц 1 мм и мелкое дробление. Измельченный материал просеивают через металлические сита, пропускают через магнитный сепаратор для отделения ферромагнитных примесей и направляют для повторного мелкого помола, обычно совмещаемого со смешиванием компонентов. Часто помол осуществляется с добавлением воды.

Смесь исходных материалов получают смешиванием тонкодисперсных компонентов или одновременным тонким измельчением и смешиванием исходных компонентов. Наибольшее распространение в производстве керамических изделий получили пресс-порошки, литьевые шликеры и пластичные формовочные массы. Эти массы отличаются друг от друга содержанием пластификаторов. При малом содержании пластификаторов 3...10 % получают пресс- порошки, при 7...20 % - ном содержании пластификаторов - пластичные формовочные массы и при большем содержании пластификаторов (до 40 %) - литьевые шликеры.

Процесс формования изделий из керамических масс основан на способности их к пластическому течению без нарушения сплошности под действием внешних сил и сохранении полученной формы. Свойства пластичности керамической массе обычно придают специальные вещества - пластификаторы. В производстве наиболее часто формование изделий выполняют следующими способами: прессованием, шликерным литьем, формованием из пластичных масс, прокаткой.

Сформованные заготовки подвергаются обжигу. При обжиге происходит спекание керамического материала в результате протекания ряда физикохимических процессов с приобретением изделиями определенных свойств, уплотнение и упрочнение материала за счет протекания процессов переноса и перераспределения веществ. Обжиг осуществляют в печах периодического или непрерывного действия.

Керамические материалы относятся к телам кристаллического строения и состоят из большого количества зерен химических соединений. Размер зерен, как правило, 50... 100 мкм и более. В зернах наблюдается упорядоченное расположение ионов в пространстве в виде некоторой кристаллической решетки. Кристаллы оксидов и других неорганических химических соединений имеют в основном ионный характер сил связи (ионные кристаллы). Основу ионной связи составляет электростатическое притяжение между ионами с положительным зарядом (катионами) и с отрицательным зарядом (анионами). Ионный характер связи в большей степени проявляется в соединениях, элементы которых относятся к наиболее удаленным друг от друга группам периодической системы элементов Менделеева (например, MgO, ВеО).

Техническая керамика в зависимости от наличия в изготовленном материале определенного химического соединения и свойств подразделяется на несколько основных классов: конструкционная, режущая, электротехническая, радиотехническая и др.

Конструкционная керамика. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлами и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей, преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость.

Высокотемпературная конструкционная керамика характеризуется умеренной пористостью и высокой термостойкостью при сохранении достаточно высоких термомеханических свойств при температурах эксплуатации 1300°С и выше. Детали из этой керамики имеют форму трубок, втулок, стержней, шайб, крюков и более сложных фасонных изделий.

В качестве конструкционной керамики используются нитриды, оксиды, карбиды Si₃N₄, Al₂O₃, ZrO₂, SiC и др. Керамика с содержанием более 95 % Al₂O₃называется корундовой.

Наиболее перспективной технологической схемой изготовления изделий из конструкционной керамики на данном этапе ее развития считается следующая: формование подготовленной композиции - обжиг заготовок - дополнительное уплотнение методом горячего изостатического прессования (ГИП).

Например, ГИП нитрида кремния Si₃N₄ проводится в оболочках из стекла при температурах 1800...2000°С под давлением аргона 100... 150 МПа в течение часа. При этом предел прочности σ _изг возрастает с 830 до 1030 МПа. Предварительный обжиг ведут с использованием нагрева в микроволновых печах (частота тока 28000 МГ ц).

Конструкционная керамика в опытном порядке применяется в автомобилестроении для верхней части толкателя клапана двигателей внутреннего сгорания (д.в.с.), рабочей поверхности кулачков распределительного вала д.в.с. и др. деталей.

Керамические материалы относятся к хрупким материалам, и их прочность в значительной мере зависит от состояния поверхности деталей, особенно от наличия микротрещин, которые являются концентраторами напряжений. Для деталей машин с точными размерами необходимо проведение механической обработки. Вследствие высокой твердости и хрупкости керамики используется абразивная обработка. Наиболее используемым методом обработки в настоящее время является точное шлифование с использованием кругов, имеющих в качестве абразива алмазные порошки. Изменяя такие факторы, как глубина резания и зернистость алмазного порошка в шлифовальном круге, можно контролировать характер разрушения керамики, а следовательно, изготавливать изделия с рациональными параметрами шероховатости обработанной поверхности. Следовательно, структура дефектного поверхностного слоя изделия определяется как физико-механическими свойствами, так и режимами алмазного шлифования керамики.

Режущая керамика (РК). Она характеризуется высокой твердостью, в том числе при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существенно превосходит традиционные режущие материалы - быстрорежущие стали и твердые сплавы.

Различают нитридную и оксидную керамику. Современная РК является композиционным материалом с матрицей из Si₃N₄ (t_раб_max ≤ 1200°С) или А1₂0з (t_раб_max ≤ 1500°С). Наполнителем служат мелкие частицы TiN, TiC, ZrO₂.

РК изготовляется в виде небольших пластин, на поверхность которых наносят два и более слоев покрытий А1 ₂ 0з, TiC, TiN, TiCN. Используют также «градиентные» покрытия, состав которых постепенно изменяется от керамики к рабочей поверхности. Покрытия имеют своей целью «залечивание» дефектов поверхностного слоя керамического материала.

Оксидная режущая керамика AI₂O₃, AI₂O₃ + ZrO₂ используется для черновой и чистовой токарной обработки деталей из сталей, реже чугунов.

Нитридная режущая керамика Si₃N₄, SisN₄+ Zr0₂ применяется для чернового и чистового точения, фрезерования чугунов и суперсплавов.

Режущая керамика по своим свойствам занимает промежуточное положение между твердыми сплавами и сверхтвердыми материалами (алмазами).

Стекло неорганическое

Стеклообразное состояние присуще обширному классу неорганических веществ, от отдельных элементов до сложных многокомпонентных систем. Стекло как искусственный продукт, может включать в свой состав большинство элементов периодической системы.

Наибольшее применение получили стекла, содержащие оксиды SiО₂, В₂О₃. Каждый из этих стеклообразующих оксидов может образовывать стекла в сочетании с модифицирующими оксидами: SiО₂- AI₂O₃, SiО₂- В₂О₃, CaО-MgО₃- В₂О₃и др.

Многовековая история стекловарения, начиная с Древнего Египта, Вавилонии, Ассирии и по настоящее время, связана с изготовлением силикатных стекол, основывающихся на системе Si-Na₂О-CaО. Состав некоторых промышленных стекол представлен в табл. 1.

Таблица I

Химический состав стекол

Вид стекла	Химический состав, %
Si0₂	Na₂О	CaО	В₂О₃	AI₂O₃	MgО	ВаО	К₂О	Fe₂O₃
Посудное			7, 45	–	0, 5	–	–		0, 05
Химико-лаборатор-ное	68, 4	9, 4	8, 5	2, 7	3, 9	–	–	7, 1	–
Полированное (флоат-способ)		13, 4	8, 7	–	0, 9	3, 6	–	–	0, 1; 0, 3 SiО₃
Медицин-ское		8, 5			4, 5		–		–
Термо-стойкое	80, 5		0, 5			–	–		–
Радиаци-онно-стойкое	48, 2		0, 15		0, 65	–	29, 5	7, 5	–

Стекло - это такое состояние аморфного вещества, которое получается при охлаждении переохлажденного расплава. Отличие стекла от кристаллов состоит в отсутствии в нем периодичности строения, дальнего порядка в структуре.

По своему строению силикатные стекла представляют собой непрерывную беспорядочную сетку из тетраэдров SiО₄ (рис. 11). Атом кремния, окруженный четырьмя атомами кислорода, отражает ближний порядок в структуре стекла. Как показали многочисленные рентгеновские и нейтронографические исследования, наличие неупорядоченной сетки подтверждается и применительно к структуре однокомпонентных стекол.

При введении в SiO₂ оксидов натрия непрерывность кремнекислородной сетки нарушается за счет частичных обрывов связей Si-О-Si, соединяющих тетраэдры между собой. Появляются так называемые немос- тиковые атомы кислорода. Тетраэдры соединяются вершинами, а не ребрами и не гранями.

Рис. 11. Тетраэдрическое строение структуры стекла

Компоненты стекла, способные самостоятельно образовывать структурную непрерывную сетку, такие как SiО₂ и другие, принадлежат к группе стек- лообразователей. Компоненты стекла, не способные самостоятельно образовывать структурную непрерывную сетку, называются модификаторами. К группе модификаторов, как правило, принадлежат оксиды элементов первой и второй групп периодической системы. Катионы модификаторов располагаются в свободных полостях структурной сетки (рис. 12).

У неорганических стекол при охлаждении расплав переходит в пластическое физическое состояние, а затем в стеклообразное состояние. При нагревании, соответственно, происходят переходы: стеклообразное состояние —> пластичное состояние —> расплав.

Рис. 12. Схема строения стекла

Температурный интервал, в котором происходит процесс стеклования, называется интервалом стеклования и ограничен двумя температурами: со стороны высоких температур Т_р (температура размягчения), со стороны низких температур Т_ст.Стекло обладает свойствами твердого тела с хрупким разрушением. Температура Т_р является границей пластического состояния и расплава. При температуре Т_р из стекломассы уже удается вытягивать тонкие нити.

Стекло приобретает твердость благодаря постепенному возрастанию вязкости при уменьшении температуры. Характеристические температуры Т_ст и Т_р соответствуют определенным значениям вязкости (рис. 13).

Рис. 13. Зависимость вязкости стекла от температуры (пример). Физические состояния:

I-стеклообразное; II-пластичное; III-расплав

Производство стекла состоит из подготовки сырых материалов и их смешивания в определенных соотношениях в однородную шихту. В качестве источника главного компонента промышленных стекол - кремнезема (S1O2) - используют кварцевые стекольные пески.

Шихта подается в стекловаренную печь, где ведется варка при температурах 1500...1600 °С. На последней стадии температура снижается до ~1000°С (Т_р).

Формование изделий из стекломассы-расплава проводится в области пластичного состояния на стеклоформующих машинах механическими способами (прессованием, прокаткой, выдуванием и др.).

Для получения листового полированного стекла формование расплава стекла в ленту происходит на ровной поверхности расплавленного олова (флоат-способ). Перемещаясь вдоль ванны, лента стекла охлаждается от 1000 С до 600 °С, затем проводится отжиг в туннельной печи длиной 120 метров.

Свойства стекла зависят от сочетания входящих в их состав компонентов. Наиболее характерное свойство стекла - прозрачность (светопрозрачность оконного стекла 83...90 %, а оптического стекла - до 99, 95 %). Стекло типично хрупкое тело, весьма чувствительное к механическим воздействиям, особенно ударным. Для повышения прочности стекло подвергают упрочнению (закалка, химическая и термохимическая обработка и др.), что ослабляет действие поверхностных микротрещин. Для устранения влияния микротрещин применяют стравливание поверхностного слоя. При стравливании дефектный слой растворяется плавиковой кислотой, а на обнажившийся бездефектный слой наносится защитная плёнка, например из полимеров.

Плотность стекла 2200...8000 кг/м³, микротвёрдость 4... 10 ГН/м², модуль упругости 50...85 ГН/м². Предел прочности стекла при сжатии равен 0, 5...2 ГН/м, при изгибе 30...90 ГН/м². Коэффициент теплопроводности стекла мало зависит от его химического состава и равен 0, 7...4, 3 Вт/(м К). Коэффициент преломления 1, 4...2, 2, диэлектрическая проницаемость 3, 8... 16, 0.

Как материал стекло широко испольэуется в различных областях. В соответствии с назначением известны разнообразные виды стекла: оконное, посудное, тарное, химико-лабораторное, термическое, жаростойкое, строительное, оптическое, электровакуумное и многочисленные другие виды стекла технического. В пределах каждого вида стекла имеются самые разнообразные его сорта. В зависимости от условий службы каждого вида и сорта стеклу предъявляются определённые требования в отношении свойств, сформулированные в соответствующих стандартах и технических условиях.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒