Анализ применения неметаллических материалов в машиностроении

 

Технические характеристики стеклотекстолит ВФТ-С, ГОСТ 10292-74Е.

Стеклотекстолит ВФТ-С - листовой слоистый материал на основе конструкционной стеклоткани  и модифицированного термореактивного связующего. Материал трудно горюч, нетоксичен. Изделия из стеклотекстолита ВФТ-С  влагостойки, прочны, могут длительно  работать при температурах до 350OС, кратковременно - до 1000'С.

Таблица 1.2

Технические характеристики Стеклотекстолит ВФТ-С

Изгибающее  напряжение при разрушении, МПа, не менее   Flexural Strengh, break, on warp. MPa	245
Прочность при  разрыве по основе, МПа   Tensile Strength on warp,MPa	314-392
Ударная вязкость по Шарпи по основе, КДж/м2   Charpy Impact Strength on warp, KJ/m2	88-123
Модуль упругости  при растяжении, МПа   Tensile Modulus on warp, MPa	2,1*10 4

 

Стеклотекстолит ВФТ-С поставляется листами толщиной 0, 8-35 мм размером до 1000х2450 мм.

Методы обработки  пластмасс

 

В настоящее  время известны следующие направления  и конкретные методы по переработке  пластмасс:

- прессование  на прессах при высоком давлении;

- прессование  на прессах при низком давлении;

- вакуум- и пневмоформование;

- формование  вспрыскиванием;

- формование  выдавливанием или протяжкой;

- формование  без давления;

- формование  намоткой;

-формование  каландрированием и прокаткой;

- механическая  обработка, сварка, склеивание.

Прессование на прессах при высоком давлении.(более 50*105 Па).

Прессование происходит на ротационных пресс-автоматах, а  также на роторных линиях непрерывного прессования. Для массового производства термореактивных мочевино-меламиновых  слоистых декоративных пластиков, листов и плит на базе фенопластов и других смол используют горячее прессование на этажных прессах.

Прессование на прессах при низком давлении (менее 40*105 Па).

Прессование деталей  больших габаритных размеров из слоистых пластиков на основе фенольноальдегидных и других смол и хлопчато-бумажной, стеклянной, асбестовой ткани, бумажной пленки производят на легких однопозиционных и много этажных прессах при небольшом усилии прессования [11].

Литье при низком давлении применяется для изготовления крупногабаритных изделий (столешницы, двери, различные панели, подставки и пр.), а также изделий с декоративной поверхностью, получаемых методом литья на подложку (ткань, кожу, пленку). В зарубежной литературе для последнего процесса обычно используют термины «In-mold decoration» (IMD) или «In-mold lamination». Методом литья на подложку изготавливают мебель (сиделья стульев и кресел), чемоданы и дипломаты, крупногабаритные детали салона автомобилей и т.д. 
     Особенностью литья на подложку является невозможность применения высоких скоростей впрыска, характерных для обычного литья под давлением, т.к. при высокой скорости впрыска происходит смещение и смятие подложки. При малых скоростях впрыска резко уменьшаются потери давления: давление впрыска в этом процессе обычно не превышает 10 МПа. 
     Хотя время впрыска в данном процессе удлиняется в 3-4 раза по сравнению с обычным литьем, общее время цикла остается на том же уровне из-за того, что практически отсутствует стадия выдержки под давлением и уменьшается время выдержки на охлаждение. Изделие можно извлекать из пресс-формы при более высокой температуре. Изделия, полученные литьем при низком давлении, отличаются низким уровнем остаточных напряжений и малым короблением /1-2/.

Малая скорость впрыска и низкое давление выдвигают особые требования к материалу и конструкции изделия, пресс-форме и литьевому оборудованию.

Требования  к материалу изделия

Для литья на подложку обычно используют материалы  с невысокой температурой переработки, такие как  полипропилен, АБС-пластики и смеси на их основе

Процесс требует  применения материалов с высокой  текучестью. Хотя подложка является хорошим  изолятором и изделие охлаждается  только с одной стороны, при низкой скорости впрыска диссипативное  тепловыделение крайне мало - расплав быстро охлаждается.

Выбор материала  и определение толщины изделия, необходимой для 100% заполнения, может  быть выполнен с высокой точностью  в программном продукте Flow. Для  учета влияния подложки на процесс  литья необходимо также использовать анализ охлаждения пресс-формы Cool (в этом программном продукте предусмотрен специальный анализ литья на подложку) [13].

Требования  к пресс-форме

Использование низких давлений и малых скоростей  резко уменьшает требования к  механической прочности деталей  пресс-формы, что позволяет существенно уменьшить толщину плит и вес пресс-формы по сравнению с обычным литьем. Пресс-форма может изготавливаться из недорогих, легко обрабатываемых материалов.

В то же время  в данном процессе используется горячеканальная  литниковая система. Одной из особенностей литья при низком давлении является малая прочность и низкое качество линий спая. В области спаев наблюдаются дефекты на декоративной подложке. Поэтому для предотвращения появления линий спая в литье при низком давлении применяется особая технология «последовательных впусков» (sequential gating, cascade control). В этой технологии используются запирающиеся горячеканальные сопла. Начальное состояние всех сопел, кроме одного - закрытое. Сопло открывается только в тот момент, когда до него доходит фронт расплава.

ХАРАКТЕРИСТИКА  ФТОРОПЛАСТОВ И КАПРОЛОНА

 

Фторопласты и  их свойства

 

Уникальные  свойства фторопласта делают изделия  из него незаменимыми в химической, электротехнической промышленности, приборостроении, машиностроении, пищевой, легкой и медицинской промышленности, пользуется огромным спросом у нефтеперерабатывающей отрасли. Из фторопласта изготавливают детали, химическую аппаратуру, мембраны, клапаны, прокладки, трубы, отводы, колонны и подшипники, транспортерные ленты и многое др.

В зависимости  от условий применения используются изделия из смеси фторопласта-4 с  различными компонентами: коксом, дисульфидом  молибдена, стеклопорошком и углеродным волокном. При введении добавок повышается стойкость к истиранию, жесткость, прочность при сжатии, уменьшается деформация при нагрузке, при этом большинство ценных качеств фторопласта-4 не изменяются.

Применение  изделий из фторопластов дает быструю  окупаемость всех затрат за счет расширения функциональных возможностей и увеличивает  срока службы оборудования, экономит потребление энергии и расходов на обслуживание и ремонт, повышает надежность работы оборудования.

Композиционные  материалы на основе фторопласта  применяют для изготовления подшипников  скольжения, манжет, уплотнительных колец, прокладок гидравлических систем (станков, автомобилей), механических устройств, уплотнений поршневых и плунжерных компрессоров, направляющих сборочных конвейеров и загрузочных автоматов, оборудования для переработки продуктов, направляющих тросов автомобилей, промышленных и строительных машин, скользящих опор конструкций мостов, железных дорог, машин, дисков сцепления для точных механизмов, деталей системы управления самолетом, системы нейтрализации газа, системы реверсивного устройства двигателя [1].

Фторопласт -4 - кристаллический полимер, температурой плавления кристаллитов 327°С и температурой стеклования аморфных участков от -100 до -120°С. Даже при температуре выше температуры разложения (415°С) фторопласт -4 не переходит в вязкотекучее состояние (при 370°С вязкость его расплава равна ≈1011 П, т.е. в 1000000 раз больше вязкости, (необходимой для литья под давлением), поэтому переработка его возможна только методом спекания отпрессованных таблеток.

В зависимости  от скорости охлаждения (до температуры  ниже 250°С) после спекания можно получить закаленные изделия со степенью кристалличности ≈50% и плотностью ≈2,15 г/см3 или незакаленные со степенью кристалличности более 65% плотностью выше 2,20 г/см3. При температуре эксплуатации и от -269°С до +260°С степень кристалличности, достигнутая при данном режиме охлаждения, не меняется, при температуре выше 260°С степень кристалличности постепенно увеличивается, особенно быстро она вырастает при 310 - 315°С.

Таблица 2.1

Степень кристаллизации фторопластов

 

Степень кристалличности, %	Плотность при  23°С, г/см3	Степень кристалличности, %	Плотность при  23°С, г/см3
40.0	2.12	69.4	2.21
43.2	2.13	72.8	2.22
46.5	2.14	75.2	2.23
49.7	2.15	78.0	2.24
53.0	2.16	80.7	2.25
56.3	2.17	82.6	2.26
59.7	2.18	85.2	2.27
63.1	2.19	89.0	2.28
66.5	2.20	-	-

 

Об отсутствии же пористости свидетельствует полная прозрачность образца во время спекания при 370-390°С. Даже незначительная пористость вызывает мутность образца. Пористость, равная примерно 0,1-0,2%, заметно влияет на точность определения плотности.

Данные о  зависимости удельного объема и  плотности от температуры для  образца со степенью кристалличности 68% (плотность медленно охлажденного изделия) приведены в таблице 2.2:

Таблица 2.2

Зависимость удельного объема и плотности  от температуры

Температура, °С	Удельный объем, см3/г	Плотность, г/см3	Температура, °С	Удельный объем, cм3/г	Плотность, г/см3
-50	0.440	2.27	175	0.4769	2.10
-25	0.443	2.26	200	0.482	2.08
0	0.447	2.24	225	0.488	2.05
+25	0.453	2.21	250	0.495	2.02
+50	0.456	2.19	275	0.503	1.99
+75	0.459	2.18	300	0.514	1.95
+100	0.463	2.16	325	0.534	1.88
+125	0.467	2.14	327	0.640	1.57
+150	0.471	2.12	350	0.655	1.53

 

Основные показатели физико-механических свойств фторопласта -4 приведены в приложении 1.

Антифрикционные свойства фторопласта

Данные о  зависимости коэффициента трения от нагрузки (статической и динамической (при малых скоростях) коэффициенты трения фторопласта-4 по стали без  смазки одинаковы) приведены ниже:

Таблица 2.3

Зависимость коэффициента трения от нагрузки

Нагрузка, кгс/см2	1	3	10	20
Коэффициент трения	0,4	0,1	0,06	0,05

 

При наличии  смазки он примерно в 2 раза меньше.

Динамический  коэффициент трения фторопласта -4 по стали без смазки при нагрузке ~ 20 кгс/см2 зависит от скорости скольжения:

Таблица 2.4

Динамический коэффициент трения фторопласта - 4

Скорость скольжения, см/c	4	8	20	40	80	160
Динамический  коэффициент трения	0,05	0,1	0,15	0,23	0,24	0,27

 

В присутствии  наполнителя при малых скоростях  скольжения коэффициент трения несколько  выше, а при больших скоростях - ниже, чем коэффициент трения чистого фторопласта -4 по стали.

При 327°С (на поверхности  трения) коэффициент трения фторопласта -4 по стали резко возрастает (в  несколько раз), что приводит к  катастрофически быстрому износу и  разрушению подшипника.

Капролон  (полиамид 6 блочный)

 

Капролон  – материал конструкционного и антифрикционного назначения. Применяется в различных отраслях промышленности для изготовления деталей широкой номенклатуры:

Подшипников скольжения, втулок, облицовок, направляющих и вкладышей узлов трения, работающих при нагрузке до 20 МПа при смазке маслом, водой или всухую; снижают потери на трение

Шкивов, блоков, колес и роликов грузоподъемных механизмов с тяговым усилием  до 30 тонн, гидравлических тележек, кран-балок, транспортеров, конвейеров

Корпусов, кронштейнов  для различных приборов и автоматов, ступиц колес тележек, вагонеток, вакуумных  и карусельных фильтров к которым  предъявляются повышенные требования по ударостойкости

Шестерен, звездочек  и червячных колес для автоматов мойки бутылок, разлива и укупорки жидкостей, нанесения этикеток, комбайнов, приводов редукторов; снижают уровень шума и вибрации (до 15 ДБ)

Деталей уплотнения (взамен фторопласта) для дозаторов, сепараторов, арматуры, оборудования для  РТИ и манжет для систем высокого давления (до 500 атм)

Досок из капролона  для обвалочных и разделочных  столов для пищевой промышленности

деталей конвейерных  линий рыбо- и мясоперерабатывающей промышленности, линий для производства напитков.

Капролон имеет  низкий коэффициент трения в паре с любыми металлами, хорошо и быстро прирабатывается, в 6 – 7 раз легче бронзы и стали, взамен которых он устанавливается. Изделия из капролона в 2 раза снижают износ пар трения, повышая их ресурс. Не подвержен коррозии, допускается к контакту с пищевыми продуктами и питьевой водой, экологически чист.

 

Рис.2.1 Эффективность капролона по сравнению  с металлом

 

 

1 – Масса

2 – Материалоемкость

3 - Трудоемкость  изготовления

4 – Стоимость

5 - Износ вала

6 - Срок службы  изделия

Физико-механические и эксплуатационные свойства капролона  представлены в приложении 2.

 

В мировом производстве и потреблении конструкционных  материалов доля пластмасс продолжает увеличиваться. Высокая степень роста темпов потребления особенно характерна для полиамидов. По таким характеристикам, как прочность, коррозионная стойкость, легкость, они успешно конкурируют с металлами и стеклом в автомобилестроении. В отраслях, связанных с электричеством и электроникой, огнестойкий полиамид продолжает вытеснять дорогостоящий полипропиленсульфид и полибутилентерефталат[20].