Важнейшие термореактивные полимеры

	Термостойкость стекло-
	пластиков на их основе
Наименование	°С	Область применения
полимеров
	длительная	кратковре-
	менная
Непредельные			Слоистые конструкции, оснастка
полиэфирные
Эпоксидные			Покрытия, слоистые конструк­ции, склеивание, оснастка
Фенольные			То же
Кремнийорганические	260—370		Слоистые конструкции, уплотнения

Наличие наполнителя позволяет сократить расход смолы до ~-50% существенно повысить прочностные и регулировать электрические характеристики, уменьшить величину усадки изделий. В то же время их применение затрудняет формование деталей сложного контура и впрессовывание тонкой металлической арматуры.

При переработке в изделие термопластичных полимеров больше; усадки не наблюдается, она колеблется в пределах 0, 2—4%. Поэтому термопластичные полимеры сравнительно редко сочетают с наполнителями.

Методы переработки пластмасс

Пластические массы перерабатываются в изделия одним из следую­щих методов: прессованием прямым и литьевым, литьем под давлением экструзией, штамповкой, формованием при низком давлении.

Прессование прямое и литьевое является наиболее распространенным, отличается простотой, дешевизной и обеспечивает массовый выпуск изделий без существенных доработок.

Прямое прессование осуществляется в стальных пресс-формах на прессах, преимущественно гидравлических, под давлением 200— 400 кГ/см² в зависимости от физических свойств материала. Требуем давление в цилиндре пресса, показываемое манометром, подсчитывают по формуле

где P — давление в цилиндре пресса, показываемое манометром, в кГ/см²;

S — площадь горизонтальной проекции загрузочной камеры в см²; q — удельное давление прессования в кГ/см²; В — площадь сечения плунжера пресса в см²; k — коэффициент полезного действия пресса.

По конструктивным признакам пресс-формы для прямого прессова­ния разделяются на открытые, закрытые и полузакрытые (рис. 116).

Пресс-формы открытого типа предназначены для прессования изде­лий несложного профиля, они дешевы и мало изнашиваются благодаря отсутствию трущихся частей, но отличаются повышенным расходом пресс-материала и не требуют высокой точности в его дозировке. Избы­ток материала выдавливается через зазор между пуансоном и матрицей, образуя облой.

Рис. 116. Схемы пресс-форм:

а—открытого типа (1—пуансон. 2—матрица, 3—выталкиватель, 4—основание, 5 — изде­лие): б—закрытого типа; в—полузакрытого типа

Пресс-формы закрытого типа позволяют прессовать изделия значи­тельной высоты и сложного профиля, дают большую экономию материа­ла, но требуют точной его дозировки.

Пресс-формы полузакрытого типа сочетают в себе достоинства пресс-форм первых двух типов и имеют наибольшее распространение, обеспечивая возможность прессования изделий различной конфигурации повышенной точности.

Пресс-формы всех типов могут быть одногнездными или многогнездными, стационарными или съемными. Размеры их рабочей полости выполняются с учетом усадки пластмассы. Обогреваются пресс-формы паром или электричеством.

Способ прямого прессования применяется главным образом для де­талей из термореактивных пластмасс. Для получения изделий обогре­ваемая пресс-форма загружается подогретым на 10—15°С выше темпе­ратуры пресс-формы полуфабрикатом (в виде порошка или таблеток), после чего производится двух-трехкратная подпрессовка и выдержка для отверждения. Готовая деталь извлекается из пресс-формы и послед­няя очищается для новой загрузки полуфабрикатом.

Предварительный (перед прессованием) нагрев термореактивной массы значительно ускоряет процесс прессования. Особенно повышается производительность труда при нагреве таблеток токами высокой часто­ты. Качество изделий при этом повышается. Появляется возможность получения изделий с тонкими стенками, поскольку таблетки нагреваются равномерно по толщине, тогда как при нагреве в самой пресс-форме вследствие плохой теплопроводности таблеток материал, соприкасаю­щийся со стенками пресс-формы, начинает отверждаться, а внутри таб­летка не успевает нагреться до состояния пластичности.

Литьевое прессование применяется главным образом для формооб­разования тонкостенных деталей сложной конфигурации и деталей с тонкой арматурой. Прессуемый порошок загружается в камеру 7 (рис. 117), в которой нагревом приводится в вязкотекучее состояние, после чего пуансоном / под давлением 500—1500 кГ/см² выдавливается через

литник 6 в полость между матрицей 2 и пуансоном 3, имеющую форм детали 5. По сравнению с обычным прессованием производительность ниже, однако при этом достигаются высокие точность размеров и чисто та поверхности.

1—литьевой пуансон; 2—матрица; 3—пуансон; 4—вкладыш; 5—деталь; 6—литник; 7—камера с литниковым остатком

Литье под давлением осуществляется на специальных литьевых машинах (рис. 118). Из бункера 5 в нагревательный цилиндр непрерывно подается порошкообразная формуемая масса поступающая при помощи плунжера 4 в обогреваемую приемную камеру 3. В зоне расположения нагревателей 6 эта масса переходит в пластическое состояние и под давлением плунжера через отвер­стие в сопле 2 поступает в полость пресс-формы. После охлаждения пресс-формы (обычно водой, поступающей в пуансон и матрицу по особым каналам) готовая деталь вынимается.

Технологические режимы литья зави­сят от типа полимера, литьевой машины конструкции формы и изготовляемого изделия. Так, рабочее давление создается в пределах 500—1500 кГ/см-. температура колеблется в пределах 150—300°С.

Способом литья под давлением изготовляются главным образом детали из термопластов (полистирол, полиамиды, этролы и др.).

Применение этого способа для изготовления деталей из термореак­тивных материалов затруднительно, поскольку последние при нагреве находятся в пластическом состоянии очень малый промежуток времен;

Рис. 118. Схема литья под давлением:

1—литьевая форма; 2—сопло; 3—приемная камера; 4— плунжер; 5—бункер; 6—электронагреватели; 7—кожух; 8—деталь

Литье под давлением отличается высокой производительностью; его недостатком является наличие в готовых изделиях внутренних напряжений вследствие неравномерного охлаждения полимера, что отражав; на механических свойствах изделий и их поведении при эксплуатации.

Чтобы деталь легко удалить из пресс-формы, ее стенки необходим делать с уклоном. Для внешних поверхностей эти уклоны должны быть не менее 5', для внутренних — не менее 10'. Максимальная величина ук­лона до 2°.

Толщина деталей должна быть по возможности одинаковой во всех сечениях во избежание внутренних напряжений из-за неравномерного нагрева и охлаждения.

Рис. 119. Армирование деталей из пластмасс, конструк­тивные варианты заделки арматуры в пластмассу:

а и б—резьбовой металлической втулкой или болтом для креп­ления смежной детали; в—металлическими втулками (подшипниками) для установки осей; г—проводниками и контактами

Отверстия в изделиях формуются знаками, закрепленными в пресс-форме (диаметр не менее 0, 25 мм).

Резьба шагом более 0, 5 мм легко выполняется в пресс-материале. Более мелкую резьбу получают запрессовкой резьбовых или гладких ме­таллических втулок с последующим нарезанием на них резьбы на станке. Помимо резьбовых втулок, в детали из пластмасс могут быть впрессованы армирующие элементы из других материалов (метал­лов, стекла, фарфора и др.) для местного упрочнения, создания электро­проводящих цепей, крепления к другим конструктивным элементам и т. д.

Для прочного удержания в деталях на арматуре предусматрива­ются рифление, накатка, проточка, выступы, отверстия.

На рис. 119 приведены примеры армирования деталей из пласт­масс.

Прессованием из пластмасс можно получать детали с точностью размеров 4—5-го класса и чистотой поверхности 7— 10.

При конструировании деталей следует предусматривать минимальную механическую обработку, так как она связана с большими трудностями и значительно повышает себестоимость.

Экструзия — процесс, во многом сходный с литьем под давлением, осуществляется на специальных машинах — экструдерах. Методом экструзионного формования получают различные профили, трубы, а так­же пленки и листы из термопластичных полимеров.

В качестве экструдеров наибольшее применение нашли червячные прессы (шнек-машины) непрерывного действия, обладающие высокой производительностью. Схема рабочей части экструдера приведена на рис. 120.

Полуфабрикат в виде порошка, гранул или ленты подается через загрузочный бункер 3 в обогреваемый цилиндр 4 и захватывается шне­ком 1, вращающимся со скоростью 20—100 об/мин. Перемещаясь вдоль оси цилиндра, полуфабрикат проходит температурные зоны I, II и III, перемешивается, постепенно разогревается до вязкотекучего состояний (температура 120—200° С) и продавливается через решетку в формую­щее устройство. Температура цилиндра в различных зонах неодинакова: наиболее низкая — в загрузочной (охлаждаемой) зоне, чтобы материал не раз­мягчался и лучше захватывался первыми витками шнека. По мере приб­лижения к головке экструдера температура растет, достигая максимума, при этом сопротивление трению материала о стенки цилиндра умень­шается, что предупреждает возвратное движение материала. Решетка создает сопротивление, необходимое для уплотнения расплава, задержи­вает крупные непрогретые частицы материала и устраняет вредное дей­ствие шнека на материал. Попадая в приемное устройство, изделие ох­лаждается воздухом или водой.

Экструзию можно осуществлять и без нагрева внешними источника­ми при так называемом адиабатическом процессе выдавливания. Мате­риал при этом нагревается за счет трения о стенки цилиндра и поверх­ность шнека, а также между частицами материала. При скорости враще­ния шнека около 1000 об/мин выделяется достаточное количество тепла для размягчения полимера (термопласта) до стадии текучести. Адиаба­тический процесс выдавливания обеспечивает более равномерное прогре­вание материала и более интенсивное перемешивание, что повышает качество изделий. Получаемые жесткие трубы разрезаются на куски требуемой длины, мягкие трубы наматываются на катушки. Для получе­ния различных профилей используют соответствующие конструкции го­ловок экструдера и формующих устройств.

Раздувкой трубчатой заготовки сжатым воздухом можно изготов­лять из термопластов полые изделия (различные емкости). Для этого трубка, выходящая из головки экструдера, поступает на приспособление для выдувания (рис. 121).

Рис. 121. Выдувание полых изделий:

1—головка экструдера; 2—трубчатая заготовка; 3—половина формы; 4— плита; 5 — направляющие колонки; б—ниппель для подачи воздуха; 7— труба для подачи воздуха; 8—готовое изделие; а—начало формования—форма открыта; б—смыкание формы с одновременным экструдированием материала; в—раздувка материала; г—открытие формы и снятие изделия

В зависимости от сложности и точности внешних форм, требований к качеству поверхности и физико-механических свойств полимера фор­мообразование можно производить одним из следующих способов.

1. Штамповкой в обычных закрытых штампах (рис. 122), состоя­щих из жесткого пуансона и матрицы. При таком способе листу прида­ются несложные контуры и небольшая кривизна. Однако, несмотря на то что штампы обычно изготовляются из неметаллических материалов с обтягиванием замшей, поверхности мягкого листа термопласта трудно предохранить от повреждения.

2. Пневматическим или вакуумным формованием в матрицу, при ко­тором жесткий пуансон заменяется давлением воздуха или вакуумированием (рис. 123). Глубина вытяжки и радиусы закруглений по контурам изделий определяются степенью эластичности нагретой заготовки. Этим способом можно изготовлять детали сложных форм из прозрачных пла­стиков с достаточно высокими оптическими свойствами, так как матери­ал не скользит по оформляющей поверхности, а только прижимается к ней по мере вытяжки.

Рис. 122. Формование в штампах:

1—матрица; 2—термопласт; 3—пуансон; 4 и 5—замша

Рис. 123. Вакуумное формование в матрицу:

а и б—разные стадии процесса; 1—лист термопласта; 2—изделие; 3—матрица; 4—зажимная рама; 5—эластичная прокладка; 6—каналы для отсасывания воздуха; 7—винтовые зажимы

При вакуумном формовании избыточное давление не превышает 0, 8—0, 9 кГ/см², поэтому для деталей, которые требуют более высокого давления, применяется пневматическое формование (например для деталей, имеющих форму, близкую к форме тел вращения, с высокими оп­тическими свойствами). Изменяя контур формообразующего кольца, можно получить детали сложной конфигурации типа каплевидных, эллипсовидных и др.

Рис. 124. Формование при помощи колец:

а—вакуумное; б—пневматическое; 1—прижимное (протяжное) кольцо; 2—протяжное кольцо; 3—листовой тер­мопласт; 4—изделие; 5—указатель глубины вытяжки; 6—винтовые зажимы; 7 —вакуумная и пневматическая камеры; 8—резиновая прокладка; 9 — опорная плита

4. Способом вакуум- или пневмоформования с последующей посад­кой на болванку (рис. 126). Вначале вакуум- или пневмоформованием получают заготовку, имеющую форму тела вращения. Затем внутрь за­готовки вводят болванку соответствующей конфигурации. Вследствие релаксации внутренних напряжений при температуре формования заго­товка плотно обжимает болванку.

В конечной стадии изготовления особенно сложных деталей приме­няется вакуумирование. Температура полимера по окончании формооб­разования должна быть на 10—15° выше температуры его размягчения.

Изменяя контуры протяжного кольца и форму болванок, можно по­лучать детали сложной конфигурации, отличные по форме от тел враще­ния, со значительной степенью утонения листового термопласта.

1 – захваты; 2 – тянущий узел; 3 – органическое стекло; 4 – редуктор; 5 - цепь

Кроме перечисленных способов, на практике применяется формо­вание способом обтяжки по болванке, которое принципиально не отли­чается от обтяжки листовых металлов.

Рис. 126. К пневмоформованию с последующей посадкой на болванку:

1 – заготовка термопласта; 2 – протяжное кольцо; 3 - болванка

Во всех перечисленных выше случаях нагревать заготовки можно непосредственно в приспособлениях. Для этой цели в различные элементы оснастки могут быть вмонтированы нагревательные элементы разнооб­разных конструкций.

Формование при низком давлении применяется пре­имущественно для высоконагруженных и крупногабаритных изделий из высокопрочных термореактивных армированных пластиков. В табл. 7 приведены методы и технологические режимы переработки, а также области применения некоторых пластмасс.

Характеристика материалов для изготовления деталей из керамики и металлокерамики

В авиационной технике некоторые детали и изделия изготовляют из порошков различных металлов и специальных керамических материалов методами порошковой металлургии и керамической технологии (из чисто керамических порошков).

Метод порошковой металлургии предложен русским ученым П. Г. Соболевским в 1927 г. для изготовления монет и других изделий из губ­чатой платины. Дальнейшее развитие и широкое практическое примене­ние этого метода относится к 1930—1940 гг.

Изделия по методу порошковой металлургии получают из тонкодис­персных металлических порошков путем формования, спекания, а в необ­ходимых случаях и последующей обработки. К материалам, перераба­тываемым только этим методом, относятся твердые сплавы, композиции из металлов и неорганических неметаллических материалов и др. В керамико-металлических материалах (керметах) реализуется идея улуч­шения свойств одного материала комбинацией его с другим. Детали от­личаются точностью, соответствующей 4—5-му классу. Подбором сме­сей можно получить изделия с заранее заданными свойствами.

В случае необходимости в детали может быть введена арматура из различных материалов; они могут подвергаться механической обра­ботке, сварке, пайке, термообработке и на них можно наносить всевоз­можные покрытия.

Металлокерамические и керамические изделия отличаются порис­тостью и, следовательно, меньшей плотностью (40—90% плотности ос­новного материала). С изменением пористости существенно меняется прочностная характеристика. Другой особенностью их является сравнительно небольшая деформация в момент разрушения у керметов и ничтожно малая у керамических материалов. Эта хрупкость в сочетании

с пористостью приводит к большому разбросу величин прочности мате­риала одной и той же марки, что в свою очередь приводит к необходи­мости увеличения коэффициента безопасности при расчетах на проч­ность.

Для изготовления металлокерамических изделий применяют порош­ки железа, меди, олова, свинца, алюминия, никеля, хрома, а также по­рошки окислов, карбидов, боридов, нитридов и др.

Металлокерамика применяется при изготовлении подшипников и фрикционных изделий, фильтров для очистки различных жидкостей, га­зов и жидких металлов от твердых частиц, а также в качестве контакт­ных и магнитных материалов. Разрабатываются уплотнительные мате­риалы, способные работать без дополнительной смазки при высоких тем­пературах. — на керамико-металлических и некоторых керамических материалах.

Подшипники из металлокерамики отличаются высокой износостой­костью и способностью длительно эксплуатироваться без смазки, по­скольку поры их в процессе изготовления заполняются маслом. Пористые подшипники выпускаются двух видов: железографитовые (1—3% гра­фита) и бронзографитовые (80—86% меди, 9—10% олова, 2—3% гра­фита). Средний срок службы таких подшипников в 10—15 раз больше, чем бронзовых.

Фрикционные изделия из металлокерамических материалов имеют коэффициент трения 0, 3—0, 5 при работе всухую и 0, 1—0, 2 при работе масле. Для повышения теплостойкости и коэффициента трения фрик­ционных изделий на основе меди или железа к ним добавляется крем­ний, асбест и другие компоненты. Добавление свинца, графита и некото­рых других компонентов создает смазку на поверхности трущихся частей.

Керамические материалы приобретают особое значение с ростом скоростей полета летательных аппаратов, подвергающихся действию вы­соких температур. Например, перспективные высокоскоростные самоле­ты должны работать длительно в окислительной среде воздуха при тем­пературе выше 1000° С. Не говоря уже об обычных широко применяемых в настоящее время материалах, этим требованиям без специальной за­щиты не отвечают даже тугоплавкие ниобий, молибден и вольфрам Перспективными с этой точки зрения являются такие керамические ма­териалы, как чистые окислы и бескислородные соединения металлов — карбиды, бориды, нитриды и некоторые другие.

Однако наиболее стойкими из них в окислительной среде являются окислы. Из табл. 8 следует, что такие окислы, как А1₂О₃, BeO, ZrO₂ и TiO₂, могут работать в окислительной среде в интервале 1700—2600° С В настоящее время наметились два направления применения мате­риалов, работающих в условиях длительного нагрева в окислительной среде:

1) непосредственное изготовление необходимых деталей из керами­ки соответствующей удельной прочности и жаростойкости;

2) защита от окисления и других термохимических процессов достаточно жаропрочных тугоплавких металлов, графита, металлокераки или керамики путем нанесения на их поверхность покрытия на основе окисной или другого типа керамики.

Для первого направления наиболее перспективны окислы, перерабатываемые методами керамической технологии.

Для второго направления в случае керамической или металлокерамической основы также применяется керамическая и металлокерамическая технология, а для нанесения защитного покрытия — самые разнообразные технологические процессы.

Металлические и керамические порошки характеризуются разнозернистостью, насыпным весом, относительными объемом и плотность.

Таблица 8