Машиностроительные неметаллические материалы

1. Резина

Резина как конструкционный материал отличается высокими эластичными свойствами в широком диапазоне температур и частот деформации. Кроме того, резины обладают высоким сопротивлением разрыву, износу, газо-и водонепроницаемостью, химической стойкостью, ценными электрическими свойствами и др.

По назначению производят резины:

а) мягкие — для изделий и деталей промышленной техники;

б) жесткие (эбонитовые) — для изделий электротехнической промышленности;

в) пористые или губчатые, применяемые в качестве амортизаторов;

г) пастообразные для герметизации и уплотнения.

Основой всех резин служат каучуки. Основные свойства и назначение различных резин приведены в табл. 52 и 53.

Таблица 52. Физические и механические свойства резин из разных каучуков

Таблица 53 Назначение наиболее распространенных каучуков

2. Пластические массы

Пластические массы и другие неметаллические материалы обладают рядом превосходных физико-химических, механических и технологических свойств, что обусловило их широкое распространение в различных отраслях промышленности- в машиностроении, электротехнике, электронике и др. Как конструкционный материал пластические массы все более вытесняют дорогостоящие металлы. Изготовление деталей и узлов из пластмасс менее трудоемко, чем из металлов, себестоимость их значительно ниже себестоимости металлических изделий. Применение пластических масс дает возможность постоянно совершенствовать конструкции. Оснащение машин и оборудования деталями из пластмасс позволяет снизить их массу, улучшить надежность и долговечность работы, повысить производительность. Для производства пластмасс требуется в 2-3 раза меньше капитальных вложений, чем для производства цветных металлов. Исходными материалами для получения пластических масс служат дешевые продукты переработки каменного угля, нефти и природного газа.

Пластические массы получают на основе высоко молекулярных соединений — полимеров. Их разделяют на два класса — термопласты и реактопласты. Термопласты (термопластичные пластмассы) при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние. Реактопласты (термореактивные пластмассы) отличаются более высокими рабочими температурами, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают свои исходные свойства. Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов.

Твердость пластмасс определяется по Бринеллю при нагрузках 500-2500 Н на шарик диаметром 5 мм.

Теплостойкость по Мартенсу — температура, при которой пластмассовый брусок размерами 120x15x10 мм, изгибаемый при постоянном моменте, создающем наибольшее напряжение изгиба на гранях 120×15 мм, равное 5,0 МПа, разрушится или изогнется так, что укрепленный на конце образца рьиаг длиной 240 мм переместится на 6 мм.

Теплостойкость по Вика — температура, при которой цилиндрический стержень диаметром 1,13 мм под действием груза массой 5 кг (для мягких пластмасс 1 кг) углубится в пластмассу на 1 мм.

Температура хрупкости (морозостойкость) — температура, при которой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться хрупко.

3. Конструктивные материалы

Композиционные материалы образованы объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними. В композиционных материалах сочетаются лучшие свойства различных составляющих фаз — прочность, пластичность, износостойкость и т. п.

Детали из композиционных материалов изготовляют прессованием, экструзией, прокаткой, вибрационными уплотнениями и т. д. с последующим спеканием в защитной среде.

Пластмассы подвергают армированию. При изготовлении деталей из пластмасс применяют различные наполнители и красители. Ниже приведены наиболее распространенные неметаллические материалы.

Аминопласты — прессовочные карбамидо- и меламиноформальдегидные массы (ГОСТ 9359-80), получаемые на основе аминосмол (термореактивных продуктов конденсации формальдегида с карбамидом, меламином или их сочетанием) с использованием наполнителей (органических, минеральных или их сочетанием), окрашивающих и модифицирующих веществ. Из аминопластов путем горячего прессования изготовляют изделия бытового, технического и электротехнического назначения, а также изделия, применение которых связано с пищевыми продуктами. В зависимости от состава, свойств и назначения аминопласты подразделяются на пять типов (КФА- общего назначения, МФБ — светотехнические, МФВ — с повышенными электроизоляционными свойствами, МФД — с повышенной тепло- и дугостойкостью, МФЕ — с повышенной механической прочностью, тепло- и дугостойкостью) и одиннадцать марок:

• КФА1 — для изготовления просвечивающих изделий технического и бытового назначения, не контактирующих с пищевыми продуктами;
• КФ2 — для изготовления просвечивающих изделий технического и бытового назначения, контактирующих с сыпучими пищевыми продуктами;
• КМФАЗ — для изготовления непросвечивающих изделий бытового назначения, не контактирующих с пищевыми продуктами, а также изделий светотехнического назначения;
• КФБ1 — для изготовления изделий электротехнического назначения и изделий, контактирующих с пищевыми продуктами;
• МФВ1, МФВ2, МФВЗ, МФВ4, МФВ5 — для изготовления изделий электротехнического назначения;
• МФД1 — для изготовления изделий электротехнического назначения, к которым предъявляются повышенные требования по дуго — и теплостойкости;
• МФЕ1 — для изготовления изделий электротехнического назначения, к которым предъявляются повышенные требования по дуго- и теплостойкости, механической прочности, износостойкости в условиях нормального и влажного тропического климата (при 35°С и относительной влажности 98%).

В зависимости от марки аминопласты поставляются в виде тонкого порошка (окрашенного в широкую гамму тонов), крошки серого цвета и рыхлых пучков стеклянной нити. Аминопласты устойчивы к действию влаги, нагреванию, светостойки. Их теплостойкость составляет не менее 100-180°С, ударная вязкость — 3,9-29,4 кДж/м² (4-30 кгс-см/см²), удельное объемное электрическое сопротивление -1·10¹¹ — 1·10¹² Ом-см, усадка на испытуемых дисковых образцах — 0,2-0,8%.

Органическое стекло — продукт ненасыщенных полиэфирных смол, прозрачный полимер. Подразделяется на техническое, конструкционное, листовое, светотехническое и часовое.

Техническое органическое стекло (ГОСТ 17622- 72) — пластифицированный и непластифицированный полимер (сополимер) метилового эфира метакриловой кислоты, широко применяемый в машиностроении. Стандартом предусмотрены три марки стекла:

• ТОСП — стекло техническое органическое пластифицированное;
• ТОСН — стекло техническое органическое непластифицированное;
• ТОСС — стекло техническое органическое сополимерное.

В зависимости от толщины, состояния внешней поверхности и физико-механических свойств техническое органическое стекло выпускается первого и второго сортов бесцветным прозрачным, цветным прозрачным и цветным непрозрачным в виде листов прямоугольной формы.

Физико-механические свойства технического органического стекла: температура размягчения (в зависимости от толщины) — 92-130°С, ударная вязкость -6-9 кДж/м² (6-9 кгс·см/см²), плотность при 20°С — 1,18-1,19 г/см³, светопрозрач- ность (при толщине до 30 мм) — 85-88%, усадка прогрева при 40°С в течение 1ч- 3,5—4%, разрушающее напряжение при растяжении — 60-80 МПа (600-800 кгс/см²), относительное удлинение при разрыве — 2-2,5%.

Конструкционное органическое стекло (ГОСТ 15809-70) — пластифицированный и непластифицированный полимер метилового эфира метакриловой кислоты, применяемый в качестве конструкционного материала в приборо- и агрегатостро- ении, а также для изготовления изделий технического назначения в машиностроении и других отраслях промышленности. Стандартом предусмотрены три марки стекла:

• СОЛ — стекло органическое пластифицированное;
• СТ-1 — стекло органическое непластифицированное;
• 2-55 — стекло органическое сополимерное.

Литьевой полиамид 610 (ГОСТ 10589-73) — продукт поликонденсации соли гексаметилендиамина и себациновой кислоты (ранее назывался полиамид 68). Предназначен для изготовления литьем под давлением различных изделий конструкционного и электроизоляционного назначения. Изделия из полиамида 610, в том числе электроизоляционного назначения, работающие на низких и средних частотах, сохраняют свои механические свойства в интервале температур от -60 до + 70°С (до + 100°С при отсутствии механических нагрузок). Они стойки к действию углеводородов, органических растворителей, масел и щелочей, к солнечной радиации. Температура плавления полиамида 610 в пределах 215-221 °C, вязкость — 130- 190 мл/г, изгибающее напряжение — 45 МПа (450 кгс/см²), плотность — 1,09- 1,11 г/см³, удельное объемное электрическое сопротивление — не менее 1·10¹⁴ Ом·см, электрическая прочность — не менее 20 кВ/мм, твердость -10-15 НВ, относительное. Удлинение — 100%, коэффициент трения по стали — 0,26-0,32, теплостойкость по Вика — 200-220°С, по Мартенсу — 55-60°С, усадка при литье под давлением — 0,8-1,5%. Полиамид 610 выпускается в виде гранул белого и светло-желтого цвета размером 3-5 мм.

Литьевые сополимеры полиамида (ГОСТ 19459-74) — продукты совместной поликонденсации соли АГ и капролактама при их соотношениях 93:7, 85:15 и 80:20. Эти соотношения отражены в обозначениях марок полиамида: АК-93/7, АК- 85/15 и АК-80/20. Литьевые сополимеры полиамида стойки к действию углеводородов, органических растворителей, разбавленных масел и концентрированных растворов щелочей, растворяются в концентрированных минеральных кислотах, муравьиной и уксусной кислотах, в фенолах. Их физико-механические и технологические свойства: плотность — 1,13-1,14 г/см³, температура плавления — не ниже 212-238°С, твердость — 1000-1200 НВ, усадка при литье под давлением -1,4-1,8%, разрушающее напряжение при растяжении — 60-70 МПа (600-700 кгс/см²), при сжатии — 70-120 МПа (700- 1200 кгс/см²), при срезе -55-60 МПа (550- 600 кгс/см²), относительное удлинение — 80-300%, коэффициент трения по стали при скорости скольжения 3 м/мин и нагрузке 0,3 МПа (3 кгс/см²): — 0,22-0,25, теплостойкость по Мартенсу — 50-60°С, по Вика — 210- 230°С, диэлектрическая проницаемость при 10⁶ Гц после 24 ч пребывания в дистиллированной воде — 4~ 5, удельное поверхностное электрическое сопротивление (в исходном состоянии) — 1·10¹⁴— 1·10¹⁵ Ом.

Из литьевых сополимеров полиамида путем литья под давлением изготовляют различные изделия конструкционного назначения, применяемые в машиностроении, электротехнической промышленности, приборостроении и других отраслях народного хозяйства. Изделия эксплуатируются при температурах от -50 до + 70°С.

Стеклонаполненные полиамиды (ГОСТ 17648-72) — полиамидная смола 68 (для П68С-30) или капроновая смола (для КПС-30 и КВС-30), наполненные стеклянными нитями (30% от массы) диаметром 10 мкм. В соответствии с назначением стандарт предусматривает следующие марки этих полиамидов:

• П68С-30 (СП-68 — прежнее обозначение марки) — для изготовления деталей, обладающих повышенной теплостойкостью и вязкостью, для электротехнической и радиотехнической промышленности;
• КПС-30 (КС-ЗОП) — для изготовления деталей конструкционного назначения с повышенными механическими свойствами;
• КВС-30 (КС-ЗОв) — для изготовления изделий конструкционного назначения для текстильной и других отраслей промышленности.

Изделия получают литьем под давлением. Не допускается производство изделий из полиамидов марок КПС-30 и КВС-30, контактирующих с пищевыми продуктами.

В обозначениях марок приняты следующие сокращения: П68 — полиамидная смола 68, КП — первичная капроновая смола, КВ — вторичная капроновая смола, С — стекловолокно, 30 — содержание стекловолокна по массе (в процентах).

Основные физико-механические свойства стеклонаполненных полиамидов: температура плавления — 214-221°С, теплостойкость по Мартенсу-170-200°С, усадка -0,4-0,5%, водопоглощение за 24 ч — 0,25-1,5%, плотность — 1,28-1,38 г/см³, твердость — 1000 кг/см², коэффициент трения по стали без смазки — 0,346, разрушающее напряжение при изгибе — 160-195 МПа (1600-1950 кгс/см²), при растяжении — 100-130 МПа (1000-1300 кгс/см²), относительное удлинение — 5-8%.

Поливинилацетатная дисперсия гомополимерная грубодисперсная (ГОСТ 18992-73) — продукт полимеризации винилацетата в водной среде в присутствии инициатора и защитного коллоида. Выпускается непластифицированной и пластифицированной. В зависимости от назначения подразделяется на следующие марки:

• Д50Н, Д50С, ДБ48/4Н, ДБ48/4С, ДБ47/7С, ДБ48/4НМ, ДБ48/4СМ, ДБ47/7СМ, ДЦ48/4С, ДЦ47/7С, ДБ48/4НЛ, ДБ48/4СЛ — связующее водоэмульсионных красок;
• ДБ48/4С, ДБ47/7С, ДБ47/7В, ДБ48/4СМ, ДБ47/7СМ, ДБ47/7ВМ, ДБ51/7ВМ: ДБ53/4ВМ, ДБ47/7ВП — клеи, применяемые в переплетно-брошюровочном производстве;
• Д50Н, Д50С, Д50В, ДБ48/4Н, ДБ48/4С, ДЦ48/4С, ДЦ47/7С, ДЦ47/7В, ДБ45/4Н, ДБ48/4НМ, ДБ48/4СМ — клеи, используемые для склеивания одежды, обуви и тары под пищевые продукты.

В обозначении марок первые две цифры соответствуют минимальному содержанию полимера (в процентах) в непластифицированной дисперсии и среднему содержанию — в пластифицированной дисперсии, последующие цифры указывают на среднее содержание пластификатора (в процентах). Буквенные индексы означают: Д — дисперсия, Б — дибутилфталат, Ц — дибугилсебацинат, Н — низковязкая, С — средневязкая, В — высоковязкая, М — модифицированная, Л — лакокрасочная, П — полиграфическая.

Полиэтилен высокого давления (ГОСТ 16337-77) — продукт полимеризации этилена, получаемый при высоком давлении в трубчатых реакторах и реакторах с перемешивающим устройством с применением инициаторов радикального типа. Выпускается в виде гранул размером 2-5 мм. Эго один из самых дешевых полимеров, обладающий высокими физикомеханическими и технологическими свойствами. Он поддается всем видам переработки, свойственным термопластам, относительно прочен, пластичен, является хорошим диэлектриком, стоек к щелочам и кислотам (серной, соляной и плавиковой), но разрушается в азотной кислоте, хлоре и фторе. В зависимости от назначения стандарт предусматривает следующие базовые марки полиэтилена высокого давления:

• 10204-003, 10604-007, 10703-020, 10803-020, 10904-020, 11003-020, 11304-040, 11503-070, 15803-020, 16803-070, 17703-010,18103-035,18303-120 — для изготовления изделий, контактирующих с пищевыми продуктами;
• 11503-070,16803-070,18303-120 — для покрытия изделий, контактирующих с пищевыми продуктами;
• 10204-003, 10604-007, 10703-020, 10803-020, 10904-020, 11003-020, 11304-040, 11503-070,’ 15303-003, 15803-020, 16803-070,17603-006,17703-010,18103-035,18303-120 — для изготовления игрушек;
• 10204-003, 10703-020, 15303-003, 17603-006 — для производства труб и фитингов, предназначенных для хозяйственно-питьевого водоснабжения;
• 15803-020, 16803-070, 17603-006, 17703-010, 18103-035, 18303-120 — для изготовления изделий медицинского назначения;
• 10703-020, 10803-020, 10904-020, 11503-070, 11603-070, 15803-020, 16803-070, 17603-006, 17703-010, 18103-035, 18303-120 — для упаковки и укупорки лекарственных средств;
• 15803-020, 16803-070, 17603-006, 17703-010, 18103-035, 18303-120 — для изготовления изделий, контактирующих с живыми тканями (внутреннее протезирование).

Изделия из полиэтилена высокого давления получают прессованием, экструзией, литьем, выдуванием, ротационным формованием, спеканием, напылением, забивкой, обработкой резанием и сваркой.

Полиэтилен низкого давления (ГОСТ 16338-77) — продукт полимеризации этилена, получаемый при низком давлении с использованием комплексных металло-органических катализаторов.

Базовые марки полиэтилена: 20108-001, 20208-002, 20308-005, 20408-007, 20508-007, 20608-012, 20708-016, 20808- 024. 20908-040, 21008-075.

Цифра 2 указывает на то, что процесс полимеризации этилена протекает при низком давлении с использованием комплексных металлоорганических катализаторов, две последующие цифры означают порядковый номер базовой марки, четвертая цифра соответствует степени гомогенизации полиэтилена, ноль означает, что полиэтилен подвергается усреднению холодным смешением, пятая цифра определяет группу плотности полиэтилена — от 0,931 до 0,970 г/см³. Физикомеханические свойства и назначение полиэтилена низкого давления нормируются ГОСТ 16338-77. Отходы производства полиэтилена и отработанные изделия из него используются для повторной переработки.

Полистирол общего назначения (ГОСТ 20282-74) — продукт полимеризации стирола блочным, суспензионным или эмульсионным методами. Выпускается в виде порошка или гранул окрашенным и неокрашенным. Марки полистирола: ПСЭ-1 (эмульсионный) — для получения пенопластов; ПСЭ-2 — для производства продукции технического назначения; ПСМД (блочный) — для производства электроизоляционных изделий и продукции технического назначения; ПСМ — для производства продукции технического назначения и изделий бытового назначения; ПСС и ПССП (суспензионный пластифицированный) — для производства продукции технического назначения и изделий бытового назначения. В обозначениях марок приняты следующие сокращения: ПС — полистирол; Э, М и С — соответственно эмульсионный, блочный и суспензионный методы получения.

Сополимеры стирола (ГОСТ 12271-76) — двухкомпонентные и трехкомпонентные сополимеры с акрилатами, предназначенные для изготовления изделий технического и бытового назначения методом литья под давлением. Выпускаются в виде гранул размером 3×5 мм окрашенными и неокрашенными.

Марки сополимеров стирола:

• МС — продукт сополимеризации стирола с метилметакрилатом; предназначен для изготовления изделий светотехнического назначения;
• МСН, МСН-Л — продукт сополимеризации стирола с метилметакрилатом и нитрилом акриловой кислоты; предназначен для изготовления изделий для автомобильной, радиотехнической и приборостроительной промышленности.

Сополимер стирола марки МСН-Л имеет высокие показатели текучести расплава. Из него изготовляют крупногабаритные и тонкостенные изделия. Физико-механические и другие показатели сополимеров стирола, а также красители для них нормируются стандартом.

Ударопрочный полистирол — продукт сополимеризации стирола с каучуком или другим пластификатором, обладающий более высокими механическими свойствами, чем полистирол общего назначения. Из ударопрочного полистирола и акрилонитрилбутадиенстирольного пластика (ГОСТ 19784-74) методом непрерывной шнековой экструзии изготовляются листы. Температура эксплуатации листов, не испытывающих механических нагрузок (облицовка и др.), — от -40°С до +60°С.

В зависимости от степени вытяжки при формовании выпускаются листы двух типов: первые предназначены для производства крупногабаритных пластмассовых изделий с глубокой вытяжкой /внутренние шкафы холодильников, ванны, емкости); вторые — для изготовления изделий с небольшой вытяжкой, а также для использования в качестве облицовочного и поделочного материала. Листы из ударопрочного полистирола имеют марку А, из акрилонитрилбутадиенстирольного пластика — марку Б. Размеры листов: длина 700-1500 мм, ширина 700-1450 мм, толщина 1,4—6 мм. Физико-механические свойства листов зависят от типа, марки и температуры, при которой проводятся испытания: ударная вязкость в направлении экструзии при 20°С — 2940(1—49000 Дж/м² (30-50 кгс-см/см²), разрушающее напряжение при растяжении вдоль экструзии — 18- 40 МПа (180—400 кгс/см²), относительное удлинение — 10-35%, усадка (в зависимости от толщины листа) 6-15%.

Фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80) — продукт полимеризации тетрафторэтилена. Выпускается в виде белого легкоком- кующегося порошка или пластин. Предназначен для изготовления различных изделий и пленок с высокими диэлектрическими свойствами, стойких к действию сильно агрессивных сред и работающих при температурах до 260°С. В зависимости от назначения подразделяется на следующие марки:

• С — для изготовления специальных изделий;
• П — для изготовления электроизоляционной и конденсаторной пленок;
• ПН — для производства электротехнических изделий и других изделий с повышенной надежностью;
• О — для производства изделий общего назначения и получения композиций;
• Т — для изготовления толстостенных изделий и трубопроводов.

Плотность фторопласта-4 — 2,19-2,21 г/см³, разрушающее напряжение при растяжении незакаленного образца — 15-26 МПа (150-260 кгс/см²), относительное удлинение незакаленного образца — 250-350 %, термостабильность — не менее 100 ч (фторопласт-4Т — 15 ч), удельное объемное электрическое сопротивление при постоянном напряжении — не менее Г10¹⁷ Ом-см. При температурах до 260°С фторопласт-4 невзрывоопасен, негорюч и не оказывает вредного влияния на организм человека. При нагревании выше 260°С он может выделять летучие продукты термоокислительной деструкции, содержащие фтористый водород, перфторизо-бутилен и окись углерода, которые оказывают вредное влияние на организм человека. В таких случаях необходимо соблюдать правила техники безопасности (помещение должно быть обеспечено вентиляцией и техническими средствами контроля состояния воздушной среды). Стандарт предусматривает предельно допустимые концентрации в воздухе рабочей зоны производственных помещений: фтористого водорода — 0,5 мг/м³; перфторизобутилена — 0,1 мг/м³; окиси углерода — 20 мгм/м³ и аэрозоля фторопласта — 4 — 10 мг/м³.

Целлулоид (ГОСТ 21228-75) — пластмасса на основе нитрита целлюлозы (коллоксилина) с добавлением пластификаторов, наполнителей и красителей. Прочный прозрачный и водостойкий материал. Перерабатывают методами горячей штамповки, прессования и механической обработки. Выпускается в виде листов прямоугольной формы длиной 1300 мм, шириной 550 мм и толщиной 0,3-5 мм первого и второго сортов. В зависимости от внешнего вида подразделяется на следующие марки: А — прозрачный или белый однотонный; Б — прозрачный и прозрачный окрашенный однотонный; В — узорчатый под перламутр, бронзу, черепаху и др. Целлулоид марки А применяется для производства изделий технического назначения, целлулоид марок Б и В — для изготовления галантерейных изделий, оправ очков, игрушек, для отделки музыкальных инструментов. Физико-механические свойства целлулоида: плотность -1,4 г/см³, усадка — до 2%, разрушающее напряжение для листов толщиной 0,3-1,5 мм — 38—45 МПа (38СМ50 кгс/см²), относительное удлинение для листов толщиной 0,3-1,5 мм — 15-18%. Температура воспламенения — 100°С, самовоспламенения — 140°С, самонагревания — 50°С. Целлулоид нетоксичный материал, но при его горении выделяется большое количество токсичных газов (окись углерода, окислы азота и цианистые соединения). Он пожароопасен (по пожароопасности относится к категории В, класс ПУЭ П-Па), легко загорается от открытого пламени, склонен к тепловому и химическому самовозгоранию, при нагревании до 80°С загорается от искры, поэтому при использовании его следует соблюдать правила противопожарной безопасности.