Керамические материалы

Режущая керамика - это материал на основе химических соединений (оксидов

или нитридов), полученный порошковой технологией.

По химическому составу основы керамические материалы подразделяют на

оксидные

(на основе А12О3) и нитридные (на основе Si3N4) керамики.

Керамику на основе А12О3 в зависимости от легирующих компонентов

подразделяют

на подгруппы: оксидная чистая, или белая (легированная оксидами

MgO, ZrO2 и др.); оксидно-карбидная смешанная, или черная (легированная

карбидами тугоплавких металлов и оксидами) и оксидно-нитридная (легированная

нитридом титана TiN и др.).

Важнейшие свойства керамики: плотность (после спекания) и зернистость.

Получают ее холодным

прессованием при 20 °С с последующим спеканием

спрессованных заготовок. Это наиболее дешевая технология. Иногда режущие

пластины получают методом горячего

прессования.

Состав, технология получения и механические свойства керамики приведены в

табл. 6, а рекомендации по ее выбору - в табл. 7

Сверхтвердые материалы

Необходимость обработки резанием закаленных сталей с твердостью около 60

HRC3, жаропрочных сталей и сплавов, керамики, пластмасс, сплавов на основе титана

потребовала применения особо стойких режущих инструментов. Наиболее

перспективным направлением повышения стойкости инструментов стала разработка

новых инструментальных материалов с твердостью выше 20 ГПа:

природных и синтетических алмазов с твердостью около 100 ГПа;

нитрида бора со структурой сфалерита с твердостью 70-90 ГПа;

тугоплавких карбидов, боридов, нитридов, оксидов (например, Si3N4 с

твердостью 33-34 ГПа).

Сверхтвердые материалы для режущих инструментов производят в виде

монокристаллов, поликристаллов, полученных высокотемпературным спеканием;

сверхтвердых композитов, в которых частицы сверхтвердых веществ соединены

металлической или керамической связкой. Последние получают прессованием при

высоких давлениях и температурах, по механическим свойствам и стойкости при

резании они превосходят известные твердые сплавы. Преимуществом композитов

является полное отсутствие в них весьма дефицитных и дорогих вольфрама и

кобальта.

Режущие инструменты из сверхтвердых материалов используют на операциях

получистовой, чистовой и тонкой обработки при скоростях резания, на порядок

превышающих скорости резания твердосплавным инструментом. Высокие скорости

резания обеспечивают точность размеров и пониженную шероховатость

обработанной поверхности при высокой производительности и экономичности.

Свойства материалов на основе нитрида бора, области их применения и режимы

резания приведены в таблицах.

10.Металлы и материалы применяемые для восстановления деталей сваркой

11.Строение и свойства полимеров

Особенности строения макромолекул

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, образованные путем

синтеза низкомолекулярных соединений (мономеров). Молекулы

высокомолекулярных веществ состоят из большого числа атомов, поэтому их

называют макромолекулами. Макромолекулы большинства полимеров — это

длинные, тонкие и гибкие цепи атомов.

В зависимости от условий образования полимеры разделяются на природные

(естественные) и синтетические.

Природные полимеры обладают свойствами, предопределенными их синтезом

в природе. Чтобы получить из них необходимые материалы, требуется лишь их

выделить и подвергнуть необходимой обработке.

Синтетические полимеры являются продуктами химической переработки

нефти, природных газов, ископаемых углей и горючих сланцев. К ним относятся

синтетические смолы, каучуки и продукты на их основе — пластмассы, резина, лаки и

др. Эти полимеры получают искусственным.

Большинство полимеров являются органическими соединениями. Они

содержат в своем составе атомы углерода, которые способны соединяться между

собой, а также с атомами других элементов (кислородом, азотом, водородом, серой,

хлором и др.), образуя сложные молекулы с очень большим количеством атомов.

Энергия связи между атомами в цепи макромолекулы различна для

разнородных атомов, поэтому свойства синтетических полимеров можно менять в

очень широких пределах, изменяя состав и последовательность чередования

отдельных звеньев цепи макромолекулы. Это достигается изменением условий

синтеза и последующей обработкой материалов.

При обычных условиях мономеры являются газами или жидкостями.

Наибольшее применение для синтеза полимеров нашли такие соединения, как этилен

(СН2 = СН2), пропилен (СН2 = СН - СН3), хлористый винил (СН2 = СН – СH2), фенол (С__6Н5ОН), стирол (С6H5 — СН = СН2) и др. Синтез этих мономеров осуществляют путем

реакций полимеризации и поликонденсации.

Полимеризацией называют процесс синтеза простых молекул с образованием

нового вещества с большой молекулярной массой (полимера)..

Примером полимеризации может быть реакция получения полиэтилена. В

качестве исходного вещества (мономера) применяют газ этилен СН2 = СН2. При

соответствующих условиях молекулы этилена могут соединяться друг с другом,

образуя длинные цепные молекулы (макромолекулы). Этот процесс схематично

можно изобразить так;

СН2 = СН2 + СН2 = СН2 + СН2 = СН2 + СН2 = СН2 > СН2 — СН2 — СН2 — СН2

— СН2 — СН2 — СН2 —…,

или сокращенно

(СН2 = СН2)n > ( — СН2 —СН2—)n.

При реакции полимеризации элементарный состав полимера совпадает с

элементарным составом исходных веществ, а молекулярная масса и свойства зависят

от степени полимеризации n — числа звеньев в цепи макромолекулы. С увеличением

молекулярной массы, как правило, увеличивается твердость и прочность полимера,

уменьшается его эластичность и вязкость. Уменьшается растворимость в

органических растворителях, меняется физическое состояние полимера.

По этой реакции получают такие полимеры, как полиэтилен, полипропилен,

полистирол, синтетические каучуки и др.

Различают гомополимеризацшо и сополимсризацию. В первом случае

исходный мономер один, во втором их может быть два или три. Получаемые при

этом полимеры имеют и соответствующие названия — гомополимер или сополимер.

Поликонденсация — химический процесс синтеза простых мономеров,

сопровождающийся образованием полимера с выходом побочных продуктов реакции

(вода или другое низкомолекулярное соединение). При этой реакции химический

состав полимера всегда отличается от состава исходных мономеров. Реакцией

поликонденсации получают синтетические полимеры такие как —

фенолформальдегидные смолы, как полиамиды (капрон, нейлон и др.), полиэфиры,

эпоксидные смолы и др.

Свойства полимеров, как и других материалов, определяются прежде всего их

химическим составом (типом и количеством разнородных атомов) и строением

(взаимным расположением этих атомов в пространстве). В зависимости от элементов,

входящих в состав макромолекул полимеров, различают органические,

элементоорганическпе и неорганические полимеры.

Органические полимеры, основная цепь макромолекул которых состоит только

из углеродных атомов, называют карбоцепными. Если в основной цепи наряду с

атомами углерода присутствуют атомы других органических элементов, таких, как

кислород, азот, фосфор и др., то такие полимеры называют гетероцепными.

Прочность связи в цепи макромолекулы составляет для углеродных атомов 335

Дж/моль, для системы углерод — кислород — 330 Дж/моль, углерод — азот — 275

Дж/моль.

В состав макромолекул элементоорганических соединений, помимо атомов

органических элементов, входят атомы других элементов, например, кремния, титана,

алюминия, бора и др. Энергия связи в этих цепях, как правило больше, чем в

органических. Так, для цепи кислород — кремний она составляет 375 Дж/моль.

Неорганические полимеры содержат в основном окислы и соли различных

металлов, таких, как кремний, алюминий, кальций, марганец. В зависимости от

взаимного расположения атомов в макромолекуле различают полимеры с линейной,

разветвленной и сетчатой структурой (рис. 1).

Полимеры с линейной структурой эластичны, при нагревании размягчаются,

растворимы в органических растворителях. Их физико-механические свойства в

основном определяются плотностью упаковки атомов в единице объема.

В полимерах с разветвленной структурой макромолекулы отличаются

наличием боковых ответвлений, препятствующих их плотной упаковке. Такие

полимеры, как правило, менее прочны и теплостойки, чем линейные.

Полимеры с сетчатой структурой макромолекулы обладают наибольшей

прочностью и теплостойкостью. Такая структура представляет собой ряды линейных

макромолекул, скрепленные поперечными химическими связями в единую

пространственную сетку. Количество поперечных связей может быть различным.

Редкосетчатая структура полимера придает ему упругость (например, резина),

густосетчатая— обеспечивает повышенную твердость, иногда даже хрупкость. По

отношению к нагреву полимеры разделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные могут при нагревании размягчаться, а при охлаждении затвердевать

бесконечное число раз. Термореактивные полимеры на первой фазе образования

имеют линейную структуру, которая затем по мере увеличения температуры или

времени выдержки переходит в сетчатую. Это сопровождается затвердеванием

полимера, и повторный его нагрев уже не вызывает размягчения или расплавления

полимера.

По полярности различают полярные и неполярные полимеры. У неполярного

полимера электронное облако, скрепляющее атомы основной цепи макромолекулы,

распределено в одинаковой мере вокруг нее. Неполярные полимеры имеют обычно

симметрично расположенные радикалы относительно основной цепи макромолекулы.

У полярного полимера электронное облако сдвинуто в сторону более

электроотрицательного атома.

Отношение к полярности характеризует возможность применения данного

полимера как диэлектрика при низких частотах (полярные) и высоких (неполярные).

Полярность оказывает влияние и на некоторые другие свойства полимеров. Как

правило, полярные полимеры имеют лучшую адгезию и более высокую прочность на

разрыв.

Полимеры могут находиться в аморфном и кристаллическом состояниях,

причем кристаллическое состояние полимеров отличается от кристаллического

строения металлов и выражается в упорядоченном (параллельном) расположении

основных цепей макромолекул.

Степень упорядоченности строения (степень кристалличности) у различных

полимеров может быть неодинакова и зависит от природы полимера, а также

технологии его получения и переработки. Наличие кристаллической фазы оказывает

большое влияние на свойства полимеров. Ориентированность расположения основных цепей макромолекул приводит к возникновению анизотропии механических

свойств в изделиях из этих полимеров.

Большинство полимеров с линейной структурой в обычном состоянии

являются аморфными веществами, хотя некоторые из них могут иметь частично

упорядоченное расположение основных цепей макромолекул. Однако под действием

напряжений растяжения и в некотором температурном интервале такие полимеры

способны увеличивать степень упорядоченности строения и приобретать свойства,

характерные для кристаллических веществ. Так, каучук при сильном растяжении за

счет перехода из скрученной клубкообразной формы макромолекул в выпрямленные,

почти параллельные длинные цепи показывает отчетливую рентгенограмму и

приобретает некоторые свойства, присущие кристаллическим веществам. При

изменении температуры натуральный каучук может стать твердым (минус 70° С),

эластичным (плюс 20° С) и пластичным (плюс 150° С).

Для полимеров, обладающих сетчатой структурой, характерно аморфное,

стеклообразное состояние. Редкосетчатая структура полимера обеспечивает ему

некоторую эластичность в определенном температурном интервале. Густосетчатые

полимеры стекловидны, тверды и обладают высокой хрупкостью. Изменение свойств

полимера характеризуется температурами стеклования Тс, текучести Тт и хрупкости Тх

(рис. 125). На приведенной на рис. 2 кривой имеются четыре участка, соответствующе

четырем физическим состояниям полимера.

Переход из одного состояния в другое происходит в некотором

температурном интервале. Средние температуры этих интервалов называют

температурами перехода Тс, Тт, Тх. Характер термомеханической кривой для одного и

того же полимера может меняться в зависимости от молекулярной массы (степени полимеризации). Чем больше молекулярная масса полимера, тем больше интервал Тс

— Тт. Температура стеклования характеризует теплостойкость полимера, а

температура хрупкости — его морозостойкость. Температура текучести,

показывающая уровень прочности сил межмолекулярного взаимодействия, имеет

важное технологическое значение при переработке полимеров в изделия методами

экструзии, литья, прессования и др.

Одним из существенных недостатков полимеров и материалов на их основе

является то, что с течением времени они могут изменять свои свойства, стареть.

Старение полимеров — это самопроизвольное необратимое изменение важнейших

характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических

процессов, развивающихся в полимерах при их эксплуатации и хранении. Старение

приводит к изменению цвета, механических, технологических и физических свойств,

появлению трещин, короблению и расслаиванию материалов, изготовленных на

основе полимеров.

Главной причиной старения является деструкция полимеров. Деструкция—это

сложная цепная реакция, в результате которой происходит разрушение макромолекул

по длине основной цепи или отрыв группы атомов от отдельных звеньев с

образованием свободных радикалов.

В зависимости от характера внешних воздействий на полимеры различают

физическую и химическую деструкцию.

К физическим факторам, вызывающим деструкцию, относятся напряжения и

деформации, температура, свет, электрические разряды, облучение, ультразвук и др.

Наиболее сильное влияние оказывает температура, при которой эксплуатируются

изделия из полимеров. Температура термического разложения полимеров зависит от

их химической природы и находится в интервале температур от 80 до 600° С.

Деструкция под действием ионизирующего облучения может сопровождаться

разрывом химических связей и образованием свободных радикалов или, наоборот,

поглощая излучение, линейные и разветвленные структуры полимеров могут

переходить в сетчатые за счет образования поперечных связей. Последнее приводит к

повышению прочности и теплостойкости полимера. К химическим агентам,

вызывающим деструкцию полимеров, относят кислород воздуха, озон, перекиси и

минеральные окислители, а также воду, кислоты, щелочи и другие химические вещества. В эксплуатации изделия из полимерных материалов подвергаются

воздействию целого ряда различных факторов, что ускоряет процесс деструкции.

Основным способом борьбы с деструкцией и старением полимерных

материалов является введение в их состав ингибиторов — антистарителей. Поскольку

факторы, вызывающие деструкцию, различны, то и состав антистарителей

неодинаков. Большое значение для уменьшения деструкции имеют применение

защитных пленок, препятствующих прямому контакту поверхности полимерного

материала с химическими агентами, а также правильно выбранные условия их

эксплуатации и хранения.

Следует иметь в виду, что при деструкции полимеров, особенно если она

протекает скоротечно (например, при повышенной температуре), образующиеся

газообразные свободные радикалы, как правило, токсичны и могут вызвать серьезные

отравления

В зависимости от свойств и областей применения материалы, получаемые на

основе полимеров, можно разделить на следующие группы:

пластические массы и синтетические смолы;

каучуки или эластомеры;

синтетические волокна;

лаки, эмали и пленки;

синтетические клеи и герметики;

синтетические полупроводниковые материалы.

Один и тот же полимер может быть основой для нескольких групп материалов.

Материалы на основе полимеров обладают широким комплексом свойств,

позволяющих использовать их на транспорте в качестве конструкционных и электро-,

тепло- и звукоизоляционных материалов. Автомобильный и железнодорожный

транспорт является крупнейшим потребителем резины — материала на основе

синтетических каучуков. Для защиты транспортных средств от коррозии широко

применяются синтетические эмали и лаки. Использование на транспорте материалов

на основе полимеров обеспечивает технический прогресс, повышение

производительности труда, снижение затрат при изготовлении, эксплуатации и

ремонте транспортных средств, а также позволяет получить экономию дорогих цветных металлов, высоколегированных сталей, ценных пород древесины и других

материалов.