Контрольная работа по «Материаловедение»

Основные  свойства 
 
Малый вес 
 
Удельный вес стеклопластиков колеблется от 0,4 до 1,8 и в среднем составляет 1,1 г/см3. Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди - 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, - дуралюмина составляет 2,8 г/см3. Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять-шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия.  
 
Диэлектрические свойства 
 
Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока.  
 
Высокая коррозионная стойкость 
 
Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии. Существует целый ряд смол (некоторые полиэфирные смолы, смолы Norpol DION), позволяющие получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей.  
 
Механические свойства 
 
При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы, например Norpol Dion, и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали.  
 
Теплоизоляционные свойства 
 
Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые сэндвичевые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, в судостроении, в вагоностроении и т.д.  
 
Технологии производства изделий из стеклопластиков 
 
Одним из важнейших преимуществ технологии производства изделий из стеклопластика является короткий цикл освоения и подготовки производства изделий из стеклопластика, который составляет всего 2 недели. А так же технология производства позволяет производить изделия практически любой сложности. Это говорит о том, что предприятие в коротких срок может начать производство любых изделий и любой цветовой гаммы. Стеклопластики и базальтопластики получают различными методами: протяжки, пропитки, намотки и прямого прессования.  
 
Открытые методы формования 
 
Метод ручной выкладки 
 
Наиболее простой по аппаратурно-технологическому оформлению. Его применяют для изготовления крупных изделий: строительных конструкций, корпусов лодок, кузовов автомобилей. Примером наиболее крупного изделия, получаемого ручной выкладкой, является корпус тральщика длиной 50 и шириной 8 м. При этом методе исключена возможность регулирования содержания наполнителя. К другим недостаткам относятся:  
- большие затраты ручного труда 
- высокие расходы на материал 
- длительный цикл изготовления изделия.  
 
Достоинством метода является его универсальность, т.е. получение изделий практически любых форм и размеров.  
 
Так как прикатка формуемого изделия рифленным валиком для удаления воздуха и уплотнения материала производится при низких усилиях (менее 1,5 МПа), то нагрузка на формы также невилика, в связи с чем в большинстве случаев применяют формы из стеклопластиков, которые примерно в 10 раз дешевле соответствующих форм для горячего прессования. Низкая стоимость стеклопластиковых форм явилась основной предпосылкой применения метода ручной выкладки в малосерийном производстве, тем более что невысокая износостойкость этих форм ограничивает срок их службы выпуском всего нескольких тысяч деталей. В данной области производства изделий действуют в основном мелкие предприятия. Несмотря на перечисленные недостатки, метод ручной выкладки довольно распространен.  
 
Метод напыления 
 
Более всего подходит для изготовления недорогих деталей простой конфигурации из полиэфирных стеклопластиков, особенно санитарно-технических изделий. В основном их получают из органического стекла, усиленного с наружной стороны слоем из ненасыщенных полиэфирных смол. Чаще всего формы, используемые для изготовления изделий напылением, выполняют из дерева или стеклопластиков, а при больших партиях изделий — из стеклопластиков с металлической облицовкой.  
 
Метод напыления более производительный и менее дорогой, чем ручная выкладка, но имеет ряд недостатков:  
затруднено изготовление изделий сложной конфигурации;  
стекловолокнистая пыль, находящаяся во взвешенном состоянии, а также пары мономера загрязняют воздух, ухудшая условия труда.  
 
Способ напыления довольно простой (рубленое волокно пропитывают отверждающейся смолой, и затем эту смесь равномерным слоем с помощью распылительного устройства наносят на форму, где и происходит отверждение), но, тем не менее, требует точного соблюдения определенных условий. Прежде всего, необходим строгий контроль за качеством смешения смолы, загустителя и инициатора.  
 
Хорошее качество смеси получается при использовании высокопроизводительных, плавно работающих насосов, дозаторов и смесителей, при этом необходимы постоянные температуры смешиваемых компонентов, массовая доля стекловолокна (обычно ~20 %) и одинаковая длина волокон.  
 
Многообразие получаемых при напылении деталей вызывает необходимость не только в автоматической подаче материала, но и в системах распознавания оснастки (головки распылителя, захватов, вставных деталей). Так как это требует значительных капиталовложений, то эффективно только при изготовлении сложных высококачественных изделий.  
 
Метод намотки 
 
Данный метод применяется при изготовлении тел вращения: труб для нефтегазовой, химической промышленности; газоотводящих труб; цистерн для хранения и транспортировки химически активных продуктов, воды, горюче смазочных материалов; промышленных резервуаров.  
 
Емкости и трубы из стеклопластика имеют ряд преимуществ перед аналогичными изделиями из традиционных материалов. Стоимость оборудования и оснастки значительно зависит от метода намотки и диаметра изготавливаемого изделия. Намотка обеспечивает создание ориентированной структуры изделий с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве усилителя жгутов, лент, нитей из высокопрочных стеклянных волокон способствует достижению максимальной прочности изделий.  
 
Намотка, относящаяся к способам производства специальных изделий, позволяет изготавливать их разнообразной конфигурации и размеров: самые маленькие могут быть длиной в несколько сантиметров и диаметром в несколько миллиметров; примерами крупных изделий могут служить корпуса маяков, судов и железнодорожных цистерн. При изготовлении несложных изделий, таких как трубы, наибольшая экономическая эффективность достигается при непрерывной намотке, обеспечивающей высокую серийность производства. Изготовление прецизионных деталей с переменным диаметром требует ведения процесса в периодическом режиме. В этом случае для обеспечения высокопроизводительного процесса с невысокими затратами используют современные наиболее совершенные и сложные в техническом отношении машины типа токарного станка. Эти машины характеризуются высокой скоростью хода осевого суппорта (≥ 2 м/с), имеют программное управление и электронные системы контроля траекторий движения оправки и глазка нитеправителя, обеспечивающие точность позиционирования < 0,1 мм.  
 
Закрытые методы формования 
 
Закрытыми способами формуют препреги и премиксы на основе реактопластов и термопластов. Из них преимущественно получают детали, отличающиеся высокой термостойкостью, стойкостью к тепловому старению, жесткостью и твердостью поверхностного слоя, хорошими звуко-, электро- и теплоизоляционными свойствами.  
 
Пропитка под давлением 
 
Процесс был запатентован в 40-х годах под названием Marco-метод. Пропитка под давлением предназначена преимущественно для мелкосерийного производства (менее 20 тыс. шт.) и характеризуется минимальным выделением мономера по сравнению с другими методами, позволяет быстро перейти на выпуск новой продукции, так как при этом используют недорогую и простую по конструкции оснастку. К недостаткам относятся:  
 
- невозможность получения деталей с высоким качеством поверхности без последующего покрытия;  
- невысокая производительность;  
- значительная усадка изделий.  
 
Существует множество машин, работающих по методу пропитки под давлением, — от небольших с большими затратами труда до сложных автоматических установок. Наиболее эффективные из применяемых способов повышения производительности процесса пропитки под давлением следующие:

- подогрев  форм;  
- использование процессов челночного типа (с движением вперед-назад);  
- повышение степени автоматизации процесса;  
- разработка модифицированного процесса под названием TERTM (thermal expansion resin transfer molding) — пропитка под давлением с термическим расширением;  
- создание новых марок смол, обеспечивающих ускорение цикла формования.  
 
Все эти усовершенствования существенно повышают конкурентноспособность процесса пропитки под давлением по отношению к высокопроизводительным способам формования. Разновидностью технологии пропитки под давлением является пропитка под вакуумом, разработанная в Западной Европе и Японии. В последние годы она распространилась и в США.  
 
Этот метод особенно эффективен при изготовлении деталей большого размера: затраты на оснастку по сравнению с другими методами минимальны. При пропитке под вакуумом отпадает необходимость в наружном механизме замыкания, так как эту функцию выполняет вакуум, а в качестве материала форм используют армированные пластмассы. Незначительный вакуум в полости формы способствует улучшению пропитки волокна смолой, уменьшению воздушных включений и снижению стоимости формы.  
 
Метод прессования 
 
Используется для изготовления мебели (столы, стулья), для производства спортивных товаров, создания игровых площадок и бассейнов. Цикл прессования составляет 4-7 мин в зависимости от размеров изделия. Прессование армированных пластиков в зависимости от способа пропитки волокнистого наполнителя имеет две разновидности:  
 
- прессование сухих, предварительно пропитанных холстов и тканей (препрегов) и премиксов;  
- прессование с пропиткой непосредственно в форме («холодное» прессование).  
 
Наибольшее применение нашел первый способ. При изготовлении изделий простой конфигурации используют обычно прямое (компрессионное) прессование, а для получения прецизионных изделий сложной формы, например, технических деталей, электроарматуры, предпочтительно литьевое прессование.  
 
Требования, предъявляемые к высокому качеству наружной поверхности деталей привели к созданию автоматических установок для дозирования компонентов при подготовке заготовок из препрегов.  
 
Созданы автоматические манипуляторы для загрузки пакетов заготовок в многогнездные формы пресса. Создано новое поколение прессов высокой точности, оснащенных современными системами контроля, на которых можно получать детали с высоким качеством поверхности и примерно одинаковые по стоимости со стальными деталями.  
 
Серьезной и не решенной до конца проблемой в переработке полиэфирных пресс-материалов остается недостаточно высокое качество поверхности получаемых деталей, препятствующие их лакированию. Проблема частично решается: покрытие наносится непосредственно в форме — In-Mould-Coating (IMC), для этого пресс-форму после отверждения связующего приоткрывают на 3-5 мм и через зазор впрыскивают лак (обычно полиуретановый); затем форму закрывают для распределения и отверждения лака, который очень текуч и отверждается в течение 30 с.  
 
В большинстве прессов новых конструкций эта операция предусмотрена. Американская фирма Budd вместо покрытия в форме прелагает создавать вакуум вокруг линии ее разъема. Качество поверхности получаемых деталей такое же как при способе IMC, и кроме того, исключаются затраты на покрытие.  
 
Литье под давлением 
 
Метод начали применять в промышленных масштабах во второй половине 60-х годов. По сравнению с прессованием литье под давлением имеет следующие преимущества:  
 
- высокая степень автоматизации процесса;  
- точность дозирования материала;  
- незначительные потери материала;  
- непродолжительное время цикла;  
- незначительная последующая обработка готовых деталей вследствие лучшего качества поверхности.  
 
При изготовлении одинаковых деталей литьем под давлением производительность процесса на 22% выше, чем при прессовании, из-за меньшей продолжительности цикла.  
 
Недостатки процесса литья под давлением:  
 
- прочность, вязкость и сопротивление ударным нагрузкам деталей из композиций, усиленных коротким волокном, ниже чем прессованных деталей;  
- литьевое оборудование имеет большой расход материала на литниковую систему.  
 
Для литья под давлением преимущественно применяют препреги и в меньшей степени – премиксы и гранулят. Массовая доля стекловолокна обычно не превышает 20-25 %. Хранят и транспортируют препреги в рулонвх массой 400 кг, а премиксы — в резервуарах из листового железа. С целью сокращения отходов в виде литников и грата широко используют литье под давлением с обогреваемыми до температуры 120-130 ºС литниковыми каналами — так называемое безлитниковое формование.  
 
Существуют два метода безлитникового литья под давлением. Первый состоит в том, что центральный литниковый канал укорачивают, вводя выступающую часть литьевого сопла пластикатора в литьевую форму; по второму методу центральный канал укорачивают, регулируя температуру втулки центрального литникового канала независимо от температуры формы. В любом случае отходы материала снижаются на 20-80 %. Совершенствование техники литья под давлением привело к фомованию через «холодно-канальные» литниковые системы.  
 
Пултрузия 
 
Отдельным направлением в изготовлении стеклопластика является метод непрерывной вытяжки (пултрузии) через формообразующую фильеру. Изготовление профиля таким образом осуществляется с помощью специальной пултрузионной машины. Стеклопластиковый профиль трудногорючий и не выделяет при пожаре сильнодействующий газ диоксин, в отличие от поливинилхлорида.  
 
Благодаря своим удивительным свойствам стеклопластиковый профиль находит широкое применение в гражданском и промышленном строительстве, транспортном машиностроении, при изготовлении оконных и балконных блоков, электротехнических коробов, несущих конструкций, труб, лестниц, стеновых блоков и т.д.  
 
Метод протяжки 
 
Один из немногих непрерывных методов изготовления изделия из армированных волокнами реактопластов. Это несложный в аппаратном оформлении процесс, состоящий из трех стадий:  
 
пропитки в ванне непрерывного армирующего волокнистого агента в виде ровницы или мата жидким связующим (термореактивной смолой, содержащей катализатор);  
протягивания пропитанных ровницы или матов через обогреваемое формующее устройство, где происходит формование профиля и отверждение связующего;  
разрезание профиля на секции нужной длины.  
 
В настоящее время ~95 % смол, используемых при протяжке, приходится на ненасыщенные полиэфиры, остальное — на эпоксидные смолы. В последние годы метод протяжки стали применять для получения профилей из винилэфирных и эпоксидных смол. Такие профили обладают более высокой химической стойкостью, чем из полиэфирных смол.  
 
В некоторых областях применения и особенно в строительстве возможна даже частичная замена протянутыми профилями экструдированных алюминиевых изделий. Алюминий корродирует, вдавливается при нагрузках, его необходимо анодировать перед окрашиванием. Изделия, полученные протяжкой, лишены этих недостатков, и их масса составляет 65-70% массы экструдированных алюминиевых профилей. Основным фактором, препятствующим более широкому использованию протянутых профилей, является недостаточно высокая производительность оборудования для протяжки. Одной из быстрорастущих областей применения изделий, изготовленных методом протяжки в строительстве, является производство оконных профилей из армированных ненасыщенных полиэфиров, которые наряду с поливинилхлоридными конкурируют с аналогичными алюминиевыми изделиями.  
 
В последние годы значительно расширились области применения изделий, изготовленных методом протяжки, чему способствовали такие технологические усовершенствования, как усложнение конфигурации профилей, возрастание скоростей протягивания, увеличение срока службы формующего устройства, повышение точности расположения волокнистого наполнителя.

Литаратура

1. Воскобойников В.Г. и др. Общая металлургия - 6-изд., перераб. и доп. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2005 - 768 с.

2. Вегман Е.Ф и др. Металлургия чугуна. – Москва: - 3-изд., переработанное и дополненное. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004 - 774 с.

3. Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А. и др. Электрометаллургия стали и ферросплавов.

- М.: Металлургия, 1974.- 551с.

4. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. — М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.— 528с.

5.Сборник технологических инструкций по выплавке стали в основных дуговых печах .

6. З.Фактор и др. Магнитомягкие материалы. М.: Энергия, 1964 — 312 с.

7. Э.А.Бабич и др. Технология производства ферритовых изделий. М.: Высшая школа, 1978, 1978 — 224 с.

8. Интернет