Стр. 1. Введение

Представленный конспект лекций соответствует новому курсу "Новые материалы подъёмно-транспортных машин", созданному в 2006 году на кафедре "Портовые подъёмно-транспортные машины и робототехника" МГАВТ для студентов, обучающихся по специальности 190602.65 - "Эксплуатация перегрузочного оборудования портов и транспортных терминалов".

В курсе отражены основные направления развития современного материаловедения; рассмотрены основные (наиболее часто используемые) и новые (разработанные, а также уже существующие, но незаслуженно игнорируемые по ряду причин) стали и сплавы на основе железа, а также цветных металлов, их технологические свойства и основные области применения; продемонстрированы возможности термической, химико-термической и термомеханической обработки металлов с целью придания им тех свойств, которые в большей степени отражают запросы проектировщика, технолога, специалиста по эксплуатации и ремонту, а, следовательно, и заказчика в целом. Приведены варианты различных способов термообработки характерных элементов, как трансмиссий, так и конструкций грузоподъёмных машин.

Отдельным разделом рассмотрены трибологические проблемы (выбор, как самих материалов подвижных соединений, так и смазочных материалов), без решения которых современное материаловедение просто немыслимо.

Материалы данного курса также могут быть рекомендованы студентам-дипломникам (как очной, так и заочной формы обучения) при выполнении части дипломного проекта, связанной с разработкой технологии изготовления оригинальной детали проекта.

Основы развития современных материалов

Говорить о новых материалах, используемых в подъёмно-транспортных машинах (и в технике вообще), - задача во многих смыслах невыполнимая.

Наука о материалах никогда не стоит на месте. В мире постоянно возникает что-то новое: либо создаются новые материалы под конкретные условия эксплуатации, либо находятся "старые" материалы, которые до этого использовали по каким-то соображениям для других целей, либо разрабатываются технологии обработки материала, чтобы он отвечал требованиям, предъявляемым к нему при выполнении возлагаемых на него функций.

Но, вне зависимости от того, какой из вышеперечисленных этапов выполняется, мы всё равно говорим о новом материале. Это либо действительно "новый", либо "хорошо забытый", либо хорошо известный, но с изменёнными физико-механическими свойствами.

Говоря о грузоподъёмным, перегрузочных, транспортирующих и других машинах, мы вынуждены констатировать, что, несмотря на значительный объём вновь разрабатываемых материалов, эти материалы практически не затрагивают сферу материалов для металлоконструкций машин. Мы можем увидеть вновь разработанные материалы для высокопрочных и износостойких наплавок органов, контактирующих с грузами (особенно сыпучими); для восстановления (например, методом напыления) поверхностей зубьев шестерён и звёздочек; для уменьшения трения в подвижных сочленениях; для диссипации энергии в случае колебательных процессов и т.д. и т.п.

Значителен объём действительно новых материалов (часто металлокерамических) и при создании новых элементов двигателей внутреннего сгорания, а также трансмиссий, работающих в особых условиях.

Но все эти новшества практически растворяются в объёмах металла, использованного в приводах "общего" назначения, а уж тем более в металлоконструкции подъёмно-транспортных машин. В этом случае, часто в силу дороговизны действительно новых материалов, мы вынуждены оперировать перечнем уже существующих материалов, производство которых в больших объёмах налажено, свойства которых при работе в различных условиях эксплуатации достаточно хорошо исследовано, да и параметры технологичности которых позволяют нам использовать обработку давлением, резанием и, конечно же, сварку.

Способы обработки, которые можно приметить к материалу при производстве конструкции, во многом являются определяющими при выборе материала, так как, даже если материал прочен и лёгок, корозионностоек и красив (что с учётом всё большего ужесточения эргономических требований к машинам получает всё большее распространение), но сложно поддаётся обработке, то из него вряд ли будут делать большую часть элементов машины. Лишь там, где без него действительно нельзя обойтись, там и будет его место.

Такая участь, например, выпала сплавам на основе титана. Отвечая всем вышеуказанным требованиям, указанные сплавы плохо технологичны, что и сузило область их применения.

Подбирая для решения существующих задач новые материалы из круга уже существующих, необходимо опираться не только на те свойства, которыми материалы обладают в состоянии поставки, но и на те, которыми они могут быть наделены в результате либо предварительно либо окончательно обработки. Учёт указанного особенно важен, так как после таких мероприятий свойства могут измениться не на проценты, а в разы.

На сегодняшний день выделяют следующих группы обработок, способных сильно повлиять на физико-механические свойства либо всего материала в объёме, либо только на его поверхностные участки:

  • - термическая обработка (закалка, отпуск и др.);
  • - химико-термическая обработка (цементация, азотирование и др.)
  • - термомеханическая обработка (обкатка, дробеструйная обработка и ДР-)-

Ещё одним важным фактором, влияющим на выбор, как самого материала, так и технологии его обработки, является тот комплекс воздействий, которому будет подвергаться материал при эксплуатации со стороны окружающей среды. При этом необходимо говорить не только о природном климате, для работы в котором машина создаётся, но и о том, с какими средами искусственного происхождения машине придётся столкнуться.

Если рассмотреть данный вопрос на примере коррозии, то мы увидим, что уменьшение влажности воздуха будет уменьшать жёсткость требований, предъявляемых к материалу. Тоже будет и при контакте металлических материалов с водой в её капельной форме. Ибо если учитывать химический состав воды, то очевидно, что контакт с морской водой будет куда более разрушающим для конструкции, нежели контакт с речной водой. Ещё больший вред металлам наносит работа в помещениях или на территориях, имеющих значительный процент содержания в атмосфере химически активных компонентов. Поэтому кородирование металлов в условиях промышленных предприятий будет значительно ускоряться.

Но не только влажность или химический состав атмосферы оказывают влияние на выбор материала. Так и температура эксплуатации машины будет играть свою роль. Это особенно актуально для техники, работающей при температурах, опускающихся ниже -30 0 С, когда у многих сталей проявляется эффект хладноломкости.

В связи как с вышеотмечениым, так и с другими причинами, рассмотрение которых требует отдельного разговора, многие машины, даже в своих маркировках имеют обозначение, показывающее, для каких условий эксплуатации эти машины созданы: Хл - холодный климат; Тв - тропический влажный; Тс -тропический сухой.

Подводя итог вышесказанному, можно сказать, что при решении проблемы выбора материала, который будет использован в том или ином узле машины, разработчику приходится учитывать достаточно широкий спектр вопросов:

  • - величина нагрузки (предельные значения усилий или моментов сил);
  • - характер нагружения узла (статическая нагрузка или динамическая; знакопеременная или знакопостоянная и т.п.);
  • - условия работы узла (температура, влажность, контакт с химически активными средами и т.п.);
  • - наличие подвижных элементов в сочленении (поступательная пара или вращательная; полноповоротная или неполноповоротная, скорости перемещения и т.п.);
  • - технологичность (литейные свойства, свариваемость, обрабатываемость резанием или давлением и т.п.);
  • - взаимодействие с другими материалами (выбранные материалы не должны вступать в химические реакции и приводить к разрушению других материалов узла);
  • - экономичность (стоимость материала, затраты на его обработку, а также затраты, связанные с его эксплуатацией - необходимость окрашивания, частота и сложность проверки его состояния и т.п.);
  • - эргономичность (возможность придания презентабельного внешнего вида - для материалов металлоконструкций).

Итогом комплексной оценки при выборе материала является оценка его конкурентоспособности, как показателя того, насколько данный материал может конкурировать с другими представленными на рынке материалами, используемыми для изготовления аналогичной продукции.

При взгляде в первом приближении на весь перечень материалов, используемых на сегодняшний день в машиностроении, мы можем однозначно констатировать, что предпочтение отдаётся не просто металлическим материалам, а именно сталям с низким или средним содержание углерода без или с содержанием легирующих компонентов. Во многом указанное вызвано необходимостью обеспечить восприятие тех больших усилий, без которых сегодня немыслима работа ни одной машины.

В ряде случаем, когда это обосновано, например, по критериям низкого коэффициента трения, предпочтение будет отдано сплавам на основе цветных металлов.

Но в итоге, основа современного машиностроения - это металлы.

Однако, говоря об основных тенденциях развития современных машиностроительных материалов, нельзя обойти вниманием и неметаллические материалы. Если в прошлом, говоря о них, мы чаще своего останавливались разве что на резинах, используемых для уплотнений, то на сегодня указанное хоть и верно, но слишком заужено.

В связи с тем, что неметаллические материалы в подъёмно-транспортных машинах, если сравнивать с металлическими материалами, всё-таки выполняют вторичную функцию, то, чтобы не выделять им отдельную тему, рассмотрим их подробно в начале курса.

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органического и неорганического происхождения:

пластические массы;

композиционные материалы на неметаллической основе;

каучуки и резины;

клеи;

герметики.

Причины постоянно возрастающей степени применения этих материалов в различных отраслях машиностроения во многом определяются комплексом их свойств: достаточная прочность, жёсткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства и др.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические.

Пластические массы

Пластмассами называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ, являющихся обязательным компонентом пластмасс. В качестве таковых используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Помимо этого пластмассы содержат различные добавки - порошкообразные, волокнистые и другие вещества, повышающие механические свойства, снижающие усадку при прессовании и придающие материалу его специфические свойства. В общем случае для получения пластмасс необходимо к полимерам, взятым за основу, добавить:

  • - наполнители, увеличивающие объём материала (древесная мука, сажа, слюда, стекловолокно, древесный шпон и т.п.);
  • - стабилизаторы, упрочняющие и ужесточающие материал (антиоксиданты, антирады и т.п.);
  • - пластификаторы, повышающие пластичность материала (эфиры, касторовое масло, вода и т.п.);
  • - отвердители (сера, перекиси бензола, водорода и т.п.);
  • - специальные добавки, отвечающие специальным требованиям, предъявляемым к конкретной пластмассе (краска, смазка, уменьшающие горючесть компоненты, антимолин и т.п.).

Пластмассы по количеству наполнителей подразделяют на простые (не наполненные) и сложные (наполненные). Сопоставление свойств простых и сложных пластмасс представлено ниже:

Простые пластмассы Дорогие

Высокие диэлектрические св-ва Высокая хим. стойкость к реактивам

Сложная технология производства Узкие пределы проявления свойств

Сложные пластмассы Дешёвые

Удов. Диэлектрические св-ва Средняя хим. стойкость к реактивам

Простая технология производства Широкие пределы проявления свойств

По типу основы пластмассы подразделяют на термопластические (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Для термопластов характерны четыре состояния: аморфное, вязко-эластичное, вязкоупругое, и жидкое. Многократное изменение температуры приводит к многократному изменению вязкости термопластов. Для реактопластов циклическое изменение вязкости материала не наблюдается. Существует некая температура, при которой формируются устойчивые химические связи, полимер затвердевает, не растворяется в реактивах, так как процесс формирования связей необратим.

Термопластичные пластмассы

Термопластичных пластмасс можно подразделить на неполярные и полярные.

Неполярные термопласты

Полиэтилен - продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относящийся к кристаллизующимся полимерам.

Полиэтилен химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Его основным недостатком является подверженность старению. Его применяют для изготовления труб, плёнок, литых и прессованных несиловых деталей.

Полипропилен - производная этилена - является жёстким нетоксичным материалов с высокими физико-механическими свойствами, но обладающий невысокой морозостойкостью (температурный предел от -10 до -20 °C).

Полистирол, обладая твердостью, жёсткостью и при этом прозрачностью, удобен для механической обработки, хорошо окрашивается и растворим в бензине. Однако он имеет невысокую теплостойкость, склонность к старению и образованию трещин. Из полистирола изготавливают детали для радиотехники, приборов и др.

Фторопласт-4, являясь аморфно-кристаллическим полимером, стоек к воздействию растворителей, кислот, щелочей и растворителей, а также не смачивается водой. Разрушение материала происходит при температуре выше 415 °C. Применяют для изготовления труб, вентилей, мембран, уплотнительных прокладок, манжет и др.

Полярные термопласты

Фторопласт-3 (полимер трифторхлортилена) используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того из него изготавливают трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло представляет из себя прозрачный аморфный материал на основе сложных эфиров акриловой и метакриловой кислот. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферо-стойкостью, оптически прозрачен. Его недостаток заключается в невысокой поверхностной твердости. Основная область применения: штампы, литейные модели и абразивный инструмент.

Поливинилхлорид обладает хорошими электроизоляционными свойствами, стоек к химикатам, не поддерживает горение, атмосферостоек и имеет высокую прочность и упругость. Его применяют для изготовления труб, деталей вентиляционных установок, теплообменников и др.

Полиамиды - это группа пластмасс с известными названиями капрон, нейлон, анид и др. Они в течении долгого времени могут работать в условиях трения, ударопрочны, а также обладают способностью к диссипации энергии при вибрации. Из них изготавливают шестерни, подшипники, болты, гайки, шкивы и др.

Полиуретаны в зависимости от исходных веществ, применяемых при получении, могут обладать различными свойствами, быть твердыми, эластичными и даже термореактивными.

Полиэтилентерефталат - сложный полиэфир, выпускаемый в России под названием лавсан, за рубежом - майлар, терилен. Из лавсана изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Фенилон, являясь термостойким пластиком, применяется при изготовлении подшипников, зубчатых колес, детали электрорадиопередатчиков.

Термореактивные пластмассы

Термореактивные пластмассы составляют пластмассы с порошковыми наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стеловолокниты). Термопласты применяют для изготовления деталей работающих на изгиб и кручение. Их перечень достаточно широк и заслуживает детального рассмотрения разве что в спецкурсе.

Помимо термо- и рактопластов существуют ещё и газонаполненные пластмассы, представляющие собой гетерогенные дисперсные системы, состоящие из твёрдой и газообразной фаз (пенопласты и сотопласты). Однако их область применения в машиностроении ограничена разве что вопросами теплоизоляции кабин, контейнеров, приборов, холодильников, труб и т.п., а также применением в качестве амортизаторов, мягких сидений, губок. В судостроении их применяют в виде заполнителей многослойных панелей для несущих конструкций.

Резиновые материалы

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) каучука и серы с различными добавками. Резина отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, высокой стойкостью к истиранию, газо-и водонепроницаемостью, химической стойкостью, электроизолирующими свойствами и небольшой плотностью.

Резины общего назначения

НК - натуральный каучук. Резины на основе НК отличаются высокой эластичностью, прочностью, водо- и газонепроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами (плотность 910-920 кг/м3, предел прочности 24-34 МПа, относительное удлинение 600-800 %).

СКБ - синтетический каучук бутадиеновый (плотность 900-920 кг/м3, предел прочности 13-16 МПа, относительное удлинение 500-600 %).

СКС - бутадиенстирольный каучук (СКС-10, СКС-30, СКС-50) - самый распространенный каучук общего назначения (плотность 919-920 кг/м3, предел прочности 19-32 МПа, относительное удлинение 500-800 %).

СКИ - синтетический каучук изопреновый - служит для изготовления шин, ремней, рукавов, различных резинотехнических изделий (плотность 910— 920 кг/м3, предел прочности 31,5 МПа, относительное удлинение 600-800 %).

Резины специального назначения

Резины на основе наирита основе обладают высокой эластичностью, вибростойкостью, износостойкостью, устойчивы к действию топлива и масел (плотность 1225 кг/м3, предел прочности 20-26,5 МПа, относительное удлинение 450-550 %).

СКН - бутадиеновый каучук (СКН-18, СКН-26, СКН-40) - применяют для изготовления ремней, конвейерных лент, рукавов, маслобензостойких резиновых изделий (плотность 943-986 кг/м3, предел прочности 22-33 МПа, относительное удлинение 450-700 %).

СКТ - синтетический каучук теплостойкий. Имеем низкую механическую стойкость, высокую газопроницаемость, плохо сопротивляется истиранию, набухает в растворителях и маслах (плотность 1700-2000 кг/м3, предел прочности 35-80МПа, относительное удлинение 360%, рабочая температура 250-325°С.

Помимо указанных существует еще ряд различных видов резин специального назначения.

Клеящиеся материалы и герметики

Клеи и герметики относятся к плёнкообразующим материалам и имеют много общего с ними. Это растворы или расплавы полимеров, а также неорганические вещества, которые наносятся на какую-либо поверхность. После высыхания образуют прочные плёнки, хорошо прилипающие к различным материалам.

Клеи на основе модифицированных фенолоформальдегидных смол применяют преимущественно для склеивания металлических силовых элементов, а также конструкций из стеклопластика.

Фенолокаучуковые композиции являются эластичными теплостойкими плёнками с высокой адгезией к металлам (ВК-32-200, ВК-3, ВК-4, ВК-13 и др.).

Полиуретановые клеи, холодного и горячего отверждения обладают универсальной адгезией, хорошей вибростойкостыо и прочностью при неравномерном отрыве, стойкостью к нефтяным топливам и маслам.

Керамические клеи являются тонкими суспензиями оксидов щелочных металлов в воде. Керамические клеи наносятся на склеиваемые поверхности, подсушиваются, а затем при небольшом давлении нагреваются до температуры плавления компонентов и выдерживаются в течение 15-20мин.

Силикатные клеи (жидкое стекло) обеспечивают склеивание стекла, керамики и стекла с металлом.

Герметики применяют для уплотнения и герметизации клёпанных, сварных и болтовых соединений, топливных отсеков и баков, различных металлических конструкций, приборов, агрегатов.

Тиоколовые герметики применяют для подъёмно-транспортной, строительной и коммунальной техники, а также в автомобиле и судостроении. У них высокая адгезия к металлам, древесине, бетону. Они стойки к топливу и маслам.

Эпоксидные герметики хорошо работают при вибрационных и ударных нагрузках; применяются для герметизации металлических и стеклопластиковых изделий.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >