Огневой В.Я. Машиностроительные материалы
Подождите немного. Документ загружается.
1
Министерство образования
Российской Федерации
Алтайский государственный технический университет
им. И.И.Ползунова
В.Я.Огневой
М А Ш И Н О С Т Р О И Т Е Л Ь Н Ы Е
М А Т Е Р И А Л Ы
Учебное пособие
2-е издание, переработанное и дополненное
Барнаул · 2002
2
УДК 621.002..3 (075.8)
Огневой В.Я. Машиностроительные материалы.
Учебное пособие / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И.Ползунова. 2-е
издание, перераб. и доп. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2002. – 343 с.
Изложены сведения о современных машиностроительных
материалах и технологиях их получения и изготовления из них
деталей. Рассмотрены материалы: получаемые методами порошковой
металлургии
и методом самораспространяющегося
высокотемпературного синтеза; материалы узлов трения; полимерные
и композиционные материалы; эластомеры и неорганические
материалы (стекла, ситаллы, керамика). Вместе с тем показаны
возможности применения в машиностроении древесных материалов.
Предназначено для студентов различных специальностей.
Может быть полезно аспирантам, научным и инженерно-техническим
работникам.
Автор выражает особую благодарность Огневой Галине
Лукьяновне за
поддержку в написании и издании этого пособия.
Рецензенты:
Марков В.А., доктор техн. наук, зав. каф. Машин и технологии
литейного производства АлтГТУ им.
И.И.Ползунова.
Котляр А.В., нач. конструкторско-технологического отдела
ОАО "Сибэнергомаш"
ISBN
©
Огневой Валерий Яковлевич 2001
3
С О Д Е Р Ж А Н И Е
СОДЕРЖАНИЕ - 3
ВВЕДЕНИЕ - 7
Глава 1. МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДАМИ - 8
ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
1.1. Основы порошковой металлургии (ПМ) - 8
1.2. Порошковые конструкционные материалы - 17
1.2.1. Стали - 17
1.2.2. Материалы на основе цветных металлов и сплавов - 32
1.2.3. Износостойкие материалы - 35
1.2.4. Антифрикционные материалы - 42
1.2.4.1. Материалы на основе железа - 43
1.2.4.2. Материалы на основе меди - 47
1.2.5. Фрикционные материалы - 54
1.3. Порошковые инструментальные материалы - 57
1.3.1. Быстрорежущие стали - 57
1.3.2..
Металло- и минералокерамические материалы - 58
1.3.2.1. Твердые сплавы - 58
1.3.2.2. Минералокерамические материалы - 62
1.3.3. Дисперсноупрочненные материалы - 63
1.4. Пористые материалы - 66
1.4.1. Свойства - 68
1.4.2. Виды пористых материалов - 71
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДОМ - 75
САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА (СВС)
2.1. Интерметаллические соединения - 78
2.2. Карбидные и боридные материалы - 83
Глава 3. ПОЛИМЕРЫ И МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ - 87
3.1. Строение и свойства полимеров - 91
3.2. Конструкционные
полимерные материалы - 105
3.2.1. Термопластичные полимеры - 106
3.2.2. Термореактивные полимеры - 116
3.3. Технологии получения изделий - 118
Глава 4. МАТЕРИАЛЫ УЗЛОВ ТРЕНИЯ - 121
4.1. Основы триботехники - 121
4.1.1. Механизмы изнашивания при трении - 123
4
4.1.2. Виды изнашивания и разрушения - 126
4.1.2.1. Абразивное изнашивание - 126
4.1.2.2. Водородное изнашивание - 127
4.1.2.3. Усталостное изнашивание - 129
4.1.2.4. Окислительное изнашивание - 130
4.1.2.5. Избирательный перенос (ИП) при трении - 131
4.1.2.6. Изнашивание сталей при граничном трении - 131
4.2.Износостойкие и антифрикционные материалы - 133
4.2.1. Стали, чугуны и сплавы цветных металлов - 133
4.2.2. Материалы, получаемые методами порошковой - 140
металлургии
4.2.3. Полимерные антифрикционные материалы - 140
4.2.3.1. АПМ на основе литьевых
термопластов - 141
4.2.3.2. АПМ на основе ПТФЭ - 146
4.2.3.3. АПМ на основе реактопластов - 148
4.2.3.4. Выбор АПМ для подшипников скольжения - 150
4.3. Фрикционные материалы - 153
4.3.1. Фрикционные полимерные материалы - 154
4.3.2.Спеченные (порошковые) фрикционные материалы - 159
4.4. Методы создания эффекта избирательного переноса - 160
в узлах трения
Глава 5. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (КМ) - 161
5.1. Композиты с металлической матрицей - 168
5.2. Композиты с полимерной матрицей - 171
5.2.1.Материалы
на основе термопластичных полимеров - 172
5.2.2. Материалы на основе термореактивных пластмасс - 174
5.3. Волокнистые композиционные материалы - 177
5.4. Слоистые композиционные материалы - 183
5.5. Газонаполненные материалы - 187
5.6. Материалы, наполненные полыми частицами - 190
сферической формы
5.7. Металлополимерные каркасные материалы - 191
5.8. Методы получения изделий из КМ - 194
5.8.1. КМ с металлической матрицей - 194
5.8.2. КМ с полимерной матрицей - 207
Глава 6. ДРЕВЕСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ - 226
6.1. Строение дерева
и древесины - 226
6.1.1. Строение дерева - 226
5
6.1.2. Макроскопическое строение древесины - 228
6.1.3. Микроскопическое строение древесины - 232
6.2. Физические свойства сердцевины - 236
6.2.1. Свойства, определяющие внешний вид - 237
6.2.2. Влажность - 240
6.2.3. Плотность - 245
6.2.4. Тепло-, звуко- и электропроводность - 247
6.3. Механические свойства древесины - 248
6.3.1. Прочность - 248
6.3.2. Твердость, деформативность, ударная вязкость - 250
6.4. Технологические свойства древесины - 252
6.5. Пороки древесины - 254
6.6. Лесоматериалы - 255
6.6.1. Круглые лесоматериалы - 255
6.6.2. Пиломатериалы - 258
6.6.3. Заготовки - 262
6.6.4. Консервирование и огнезащита древесины - 264
6.7.
Древесные полуфабрикаты - 269
6.8. Прессованная древесина - 271
6.9. Клееная древесина - 274
6.10. Композиционные древесные материалы - 278
6.10.1. Наполнители, связующие, добавки - 280
6.10.2. Некоторые виды КДПМ - 282
6.10.3. Технология КДПМ и изделий из них - 285
6.10.4. Перспективы применения КДПМ - 296
Глава 7. ЭЛАСТОМЕРЫ - 298
7.1. Характерные свойства резин - 304
7.2. Основные компоненты резин - 309
7.2.1. Каучуки - 309
7.2.2. Вулканизирующие агенты - 312
7.2.3. Наполнители - 314
7.2.4. Пластификаторы и противостарители - 315
7.3. Классификация резин и их
назначение - 316
7.4. Эбонитовые изделия - 318
7.5. Резинометаллические изделия - 319
Глава 8. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ - 321
8.1. Неорганические стекла - 321
8.1.1. Состав и классификация - 322
6
8.1.2. Свойства стекол - 324
8.1.3. Применение технических стекол - 327
8.1.4. Технология получения стекол - 327
8.2. Ситаллы - 332
8.3. Керамика - 334
8.3.1. Особенности структуры и свойств - 335
8.3.2. Технические керамические материалы - 336
8.3.3. Технология получения керамики - 338
ЛИТЕРАТУРА - 341
7
ВВЕДЕНИЕ
Президент Российского общества металловедов профессор
Б.А.Прусаков [1] предлагает следующую классификацию
машиностроительных материалов: металлы, полимеры, керамика,
стекла и эластомеры, из которых можно образовывать
композиционные материалы (композиты). Приведенная
классификация состоялась исторически с начала деятельности
человечества, только с течением времени изменялось соотношение и
качество материалов.
В настоящее время доля использования
металлов и их сплавов
постепенно уменьшается, уступая место в первую очередь полимерам
и композитам. По прогнозам до 2020 г. доля металлов в мировом
потреблении уменьшится до ≈25%. Увеличение доли пластмасс,
керамики и композитов сопровождается созданием качественно новых
их видов, значительно превосходящих по свойствам многие
металлические материалы: высокомодульные и высокотемпературные
полимеры, композиты с
металлической матрицей, керамические
композиты, пирокерамика, вязкая инженерная керамика и др.
Современный уровень машиностроения предполагает в основе
концепции выбора и применения материалов следующее положение:
материал необходимо рассматривать не просто как вещество с
заданным химическим составом и структурой, а как интегральное
понятие, объединяющее в себе вещество, технологию его
превращения в материал, конструкцию
детали и технологию ее
получения.
В настоящем учебном пособии изложены основные сведения о
некоторых машиностроительных материалах и методах их получения:
материалах, получаемых методами порошковой металлургии и СВС-
технологий; материалах узлов трения; полимерных и
композиционных материалах; эластомерах, керамиках и стеклах, а
также материалах на основе давно знакомого человеку дерева.
8
Г л а в а 1.
МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДАМИ
ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
1.1. Основы порошковой металлургии (ПМ)
Основателем порошковой металлургии по праву является
русский ученый П.Г.Соболевский (1782-1841), который в 1828 г.
разработал способ получения изделий из платины. Сам Соболевский
так описывает технологию этого процесса [2]: "…очищенную платину
в губчатом виде набиваем мы, холодную весьма плотно в толстую
железную кольцеобразную форму произвольной величины,
сдавливаем ею сильным натиском винтового пресса
и, вынув из
формы, получаем плотный кружок, имеющий металлический блеск. В
сем состоянии платиновый кружок не имеет еще ковкости и сила
сцепления частиц платины между собою не противостоит в нем
сильным ударам – оный ломается и крошится. Для обращения
таковых кружков в ковкую платину надлежит только нагреть их до
белого раскаления
и при сей степени жара подвергнуть давлению того
же пресса. От одного удара кружок платины вовсе изменяет вид свой
– зернистое сложение его становится плотным, монолитным и оный
делается совершенно ковким. Величина кружков не представляет в
сем случае никакой разности: большой и малый кружок от одного
удара делаются равно ковки и
тягучи. После такого обжатия кружки
проковываются в полоски или прутки желаемого вида обыкновенным
образом…".
Таким образом П.Г.Соболевский применил технологию, которая
и сегодня позволяет получать беспористые материалы, не
уступающие, а в ряде случаев и превосходящие по своим свойствам
материалы, получаемые традиционной (металлургической)
технологией.
Принципипиальной основой ПМ является использование смесей
различных
порошков для создания прессовок под давлением с
9
помощью инструментов и последующего спекания прессовок при
повышенной температуре для образования металлических связей.
Схема порошковой металлургии, широко используемая на
машиностроительных предприятиях, представлена на рис. 1.
ПРОИЗВОДСТВО
ПОРОШКОВ
ВХОДНОЙ
КОНТРОЛЬ
ПОДГОТОВКА
ПОРОШКОВ
ФОРМОВАНИЕ
ПРЕССОВОК
СПЕКАНИЕ
ПРЕССОВОК
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
ОБРАБОТКА
ИЗДЕЛИЙ
ОКОНЧАТЕЛЬНЫЙ
КОНТРОЛЬ ИЗДЕЛИЙ
МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ФИЗ. – ХИМ. МЕТОДЫ
СУШКА
ОТЖИГ
РАССЕВ (КЛАССИФИКАЦИЯ)
РАЗВЕС
СМЕШИВАНИЕ
ДОЗИРОВКА
ЗАСЫПКА
УПЛОТНЕНИЕ
ВЫТАЛКИВАНИЕ
ПОДГОТОВКА
ЗАГРУЗКА
НАГРЕВ
ВЫДЕРЖКА
ОХЛАЖДЕНИЕ
КАЛИБРОВАНИЕ
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ТО и ХТО
ПРОПИТКА
ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ
И ДРУГИЕ
Рис. 1. Технологическая схема процессов порошковой
металлургии
10
В качестве исходных применяются в основном металлические
порошки, в которые добавляются порошки легирующих элементов,
пластификаторы для сохранения формы прессовок и смазки для более
равномерного уплотнения [3]. Порошки обычно получают на
специализированных производствах механическими и физико–
химическими методами. Метод получения порошков определяет их
свойства и форму. Основные типы форм представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные типы форм металлических порошков
и методы их получения [3]
Форма
Фактор
неравноосност
и
Способ получения
Сферическая
Губчатая
Осколочная
Дендритная
Пластинчатая
(чешуйчатая)
Игольчатая
1,0-1,2
2,0-4,0
2,0-5,0
2,0-5,0
≥ 5,0
≥ 100
Распыление расплава с кристал-
лизацией в свободном полете
Восстановление оксидов
Измельчение в шаровой
мельнице
Электролиз растворов и
расплавов солей
Распыление расплава с кристал-
лизацией на охлаждаемой
поверхности
Экстракция из расплава;
конденсация из паровой фазы