Матеріалознавство та основи технології виробництва споживчих товарів

 

Мастильні матеріали

До мастильних матеріалів належать речовини, які зменшують  тертя й захищають метал від  корозії. Мастильні матеріали можуть бути рідкими, твердими та консистентними. Рідке мастило (олива) буває мінерального, рослинного та тваринного походження. Найпоширенішою є мінеральна олива — продукт, добутий з нафти або кам'яного вугілля: вазелінова, машинна, циліндрова.

Рослинна олива — бавовняна, касторова, льняна, реп'яхова. До тваринних  олив належать жири: риб'ячий, тюленячий, китовий, сало різних тварин. Ці оливи мають малу в'язкість і найкращу маслянистість, тому застосовують суміш мінеральних олив з тваринними та рослинними оливами.

Рідке мастило застосовують для деталей, що працюють на високих  швидкостях. Поряд з рідкими застосовують тверді мастила, що складаються з мінеральних олив змішаних з милом; звичайно це солідол, тавот, технічний вазелін тощо. Наприклад, мазями називаються суміші мінеральних олив з невеликим додаванням олив тваринного та рослинного походження, згущеними кальцієвими (консталіни) або натрієвими (солідоли) милами.

Консистентні мастила  можуть містити, крім мила, наповнювачі, наприклад графіт, тальк, слюду. До них належать приладне мастило АФ-70 (мастило УНМА), технічний вазелін УН (універсальне низькоплавке мастило), консерваційне мастило.

Вид мастильних матеріалів вибирають  залежно від умов роботи, виду тертя, конструкції тертьових деталей, їх навантаження, нагрівання, а також  від матеріалу частин, що піддаються тертю. Наприклад, індустріальні мастильні матеріали застосовують для змащування верстатів і механізмів; суднові — ходових частин суден; турбінні — підшипників турбін; моторні — двигунів внутрішнього згоряння стаціонарного типу; авіаційні — авіаційних двигунів; циліндрові — парових машин; мастильний мазут, напівгудрон, гудрон — букс вагонів та інших механізмів.

Основними характеристиками рідких мінеральних олив є в'язкість, температура спалаху та застигання, стабільність, вміст домішок. Мінеральна олива має різну в'язкість: ріденька 17...22, густа 60...75 Па•с. Це стосується і температури спалаху та застигання, чим і пояснюється їх поширення. В'язкістю оливи називають його властивість чинити опір пересуванню одного шару відносно іншого. Температуру, за якої виділяються пари оливи і утворюють з навколишнім повітрям спалахуючі суміші, називають температурою спалаху. Температурою застигання називають температуру, за якої олива стає нерухомою. Здатність оливи чинити опір окисленню на повітрі за підвищених температур називають стабільністю оливи. Вміст механічних та інших домішок визначається в відсотках, чим їх менше в оливі, тим вища її якість.

Основними характеристиками консистентних мастил є пенетрація, температура краплепадіння, корозійні  дії та вміст домішок. Пенетрація — число сотих часток сантиметра занурювання в мастило градуйованого конуса протягом 5 с за певної температури. Температурою краплепадіння називають температуру, за якої з'являється перша крапля мастила під час нагрівання її в певних умовах. Корозійна дія мастила — це дія нагрітої оливи на металевий зразок, який знаходиться в мастилі протягом певного часу. За втратою зразком маси визначається корозійна дія мастила.

 

Допоміжні матеріали

 

У машинобудуванні застосовують шкіру, азбест, повсть, текстильні та паперові матеріали. Для забезпечення щільності та герметичності механізмів використовують прокладні та ущільнювальні матеріали, наприклад шкіру, пароніт, повсть, клінгерит, картон, гуму. Шкіра може бути цупкою завтовшки 3...7 мм і м'якою завтовшки 1,5...3,5 мм. Цупку шкіру використовують для виготовлення манжет, прокладок, приводних пасів тощо. М'яку шкіру застосовують для потреб текстильної промисловості, для виготовлення мембран, фільтрів тощо.

Пароніт — прокладний матеріал для металевих з'єднань, які працюють за температури до 400...450 °С у воді та на пару і в нафтових продуктах. Пароніт — композиція азбесту, каучуку та наповнювачів. Композиція з азбесту, сурику, ^графіту, гуми та оксиду заліза називається клін-герит. Його застосовують як прокладний матеріал, що витримує нагрівання до температури 180 °С.

Азбест (гірський льон) —  речовина волокнистої будови мінерального походження, використовують як вогнетривкий матеріал у вигляді прокладок і ущільнювальної жаростійкої речовини і як компонент, який входить у композиції прокладних жаростійких матеріалів.

Широке застосування мають  прокладні матеріали для звуко- і теплоізоляції; наприклад, одним  з кращих звуконепроникних матеріалів є повсть. Вона використовується для виготовлення прокладок, сальників, фільтрів для очищення масел, полірувальних кругів. Повсть застосовують як ізолятор і для виготовлення прокладних кілець, які захищають підшипники від попадання пилу. Виготовляють повсть з низькосортної вовни з додаванням рослинних волокон і клейстеру. Повсть має об'ємну масу 0,32 г/см³, коефіцієнт теплопровідності 0,06 Вт/(м • К). Використовують як прокладний матеріал гуму, свинець, листову мідь, а для ущільнення трубопроводів, різьбових з'єднань використовують конопляні та лляні волокна, гумові та гумово-тканинні ущільнення, манжети, кільця з гуми та бавовняної тканини тощо.

 

Композиційні матеріали

У техніці часто виникає  потреба в застосуванні конструкційних матеріалів з високою міцністю, що витримують високі температури, тиск і агресивні середовища. Високу міцність мають нитки з металу, або монокриста-леві «вуса», але їх важко виготовити. Композиційні матеріали мають комплекс необхідних параметрів, коли кращі властивості різних складових зібрані в одній композиції. Можна одержати матеріали високої міцності армуванням їх високоміцними волокнами. Композиційні матеріали складаються з основи (матриці) та наповнювача, який надає матеріалові міцність, тому його називають зміцнювачем композиційного матеріалу. Наповнювачі бувають волокнисті та дисперсійно зміцнені. До першої групи належать матеріали, зміцнені волокнами або ниткоподібними кристалами А1₂О₃, SiC, вуглецю, вольфраму, дротиною з вольфраму, високоміцної сталі тощо. Друга група — матеріали з наповнювачами з тонкодисперсних часток оксидів, карбідів, боридів, нітридів.

Технологія створення  волокнистих композиційних матеріалів полягає в просочуванні наповнювача  матричним розчином, нанесенні матриці на волокнистий наповнювач електрохімічним або плазмовим напилюванням з наступним пресуванням у дифузійній пакетній сполуці стрічок компонентів зварюванням. Технологія створення дисперсійно зміцнених композиційних матеріалів полягає у внутрішньому окисленні, пресуванні та спіканні окислених порошків або введенні в рідку матрицю тугоплавких часток. Недоліком волокнистих композиційних матеріалів є анізотропність.

Цього недоліку позбавлені дисперсійно-зміцнювальні матеріали. Волокнисті матеріали мають  високу міцність уздовж осі волокна. Як волокна застосовують ниткоподібні кристали, металеву дротину та неметалеві ниткоподібні волокна. Матриця надає їм потрібної форми, монолітності і може сприймати зовнішні розтягуючі, стискуючі, згинаючі навантаження. При цьому вона бере участь у забезпеченні міцності та цупкості системи, захищаючи волокна від пошкодження та окислення. Важливою властивістю матриці є її пластичність. Для одержання якісних композиційних матеріалів необхідно враховувати властивості матриці та наповнювача й їхню взаємодію в роботі.

Можливі різні композиції матеріалів з металевими та полімерними  матрицями на основі графітового та вольфрамового волокна, скловолокна, боралюмінієвого тощо. Вивчено армування металів вольфрамовими, молібденовими та іншими волокнами, наприклад композиції на основі міді та її сплавів, срібла і його сплавів та багато інших варіантів композицій на основі металів і неметалів.

Слід зазначити, що одним  з найважливіших напрямів машинобудування  є зменшення маси та вартості машин  і механізмів. Особлива увага приділяється створенню нових перспективних  матеріалів, потрібних для конструювання швидкісних літальних апаратів і основних елементів транспортних машин. До таких деталей та елементів належать лопаті роторів і статорів компресорів, диски роторів компресорів і вентиляторів авіаційних двигунів, лопаті, елементи керувальних пристроїв, крила та інші частини літальних апаратів, панельні елементи суден, автомобілів і швидкісних поїздів, швидкообертові деталі електромашин і турбін тощо.

Таким чином, для конструювання  перспективних машин потрібні матеріали  високо- і жароміцні з низькою густиною та підвищеною жорсткістю і компактністю. Таким вимогам відповідають нові композиційні матеріали з карбідокремнієвими волокнами на металевій, керамічній, полімерній чи вуглецевій матриці. Ці матеріали сприяють створенню авіаційних і космічних апаратів підвищеної швидкості, дальності польоту, корисного навантаження, ККД двигуна тощо. їх використовують для вдосконалення машин, їх вважають прогресивними пріоритетними матеріалами. Особливо вигідним є волокнистий композиційний матеріал, тобто армований карбідокремнієвим волокном, що дуже добре відповідає поставленим вище вимогам.

Згадані волокна виготовляють довжиною 75... 100 см з нетканих безперервних волокон. Вони мають високі фізико-механічні  характеристики з високою термоокис-ною  стійкістю (1250°С) і стійкістю до хімічних агресивних середовищ. Виробництво волокон екологічно чисте, а вартість значно менша, ніж борних і карбідокремнієвих волокон. Волокна мають такі технічні характеристики: діаметр 12... 18 мкм, густина 2,3...2,5 г/cм³, міцність на розрив 1,8...2,5 ГПа, модуль Юнга 160...180 ГПа, видовження 1,2...1,5 %. Наведені дані підтверджують, що волокна якісніші, ніж традиційні конструкційні матеріали.

 

 

ЛІТЕРАТУРА

1. Кузін О.А., Яцюк Р.А. Металознавство та  термічна обробка металів. –  Львів: Афіша, 2002. – 302 с.   

2. Материаловедение: Учебник для вузов / Ю.Л.Солнцев, Е.И.Пряхин, Ф. Войткун - М.: МИСИС, 1999. - С. 128-170.

3. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. — 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - C. 37-67.

4. Волчок И. П. Сопротивление разрушению стали и чугуна. — М.: Металлургия, 1993. — 192 с.

5. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение: Методы анализа, лабораторные работы и задания. — М.: Металлургия, 1984. — 384 с.

6. Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали. — М.: Металлургия, 1985. — 408 с.

7. Гуляев А.  П. Металловедение: Учеб. для вузов.  — 6-е изд., перераб. и доп.  — М.: Металлургия, 1986. — 544 с.

8. Конструкционные  материалы: Справочник. / Б. Н. Арзамасов, В. А. Прострем, И. А. Буше и др. / Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. — М.: Машиностроение, 1990. — 688 с.

9. Контроль качества  термической обработки стальных  полуфабрикатов и деталей: Справочник. / Под общ. ред. В. Д. Кальнера. — М.: Машиностроение, 1984. — 384 с.

13. Марочник  сталей и сплавов. / В. Г. Сорокин,  А. В. Волосникова, С. А. Веткин  и др. — М., Машиностроение, 1989. —  640 с.