Економічна ефективність застосування композиційних матеріалів

Області застосування композиційних матеріалів не обмежені. Вони застосовуються в авіації для високонавантажених деталей (обшивки, лонжеронів, нервюр, панелей, лопаток компресора і турбіни і т. д.), в космічній техніці для вузлів силових конструкцій апаратів, для елементів жорсткості, панелей, в автомобілебудуванні для полегшення кузовів, ресор, рам, панелей кузовів, бамперів і т. д., у гірничій промисловості (буровий інструмент, деталі комбайнів і т. д.), у цивільному будівництві (прольоти мостів, елементи збірних конструкцій висотних споруд і т. д.) і в інших областях народного господарства.

Застосування композиційних матеріалів забезпечує новий якісний стрибок у збільшенні потужності двигунів, енергетичних і транспортних установок, зменшенні маси машин і приладів. Композиційні матеріали з неметалевої матрицею, а саме полімерні карбоволокнітів використовують в судно-і автомобілебудуванні (кузова гоночних машин, шасі, гребні гвинти), з них виготовляють підшипники, панелі опалення, спортивний інвентар, частини ЕОМ. Високомодульні карбоволокніті застосовують для виготовлення деталей авіаційної техніки, апаратури для хімічної промисловості, в рентгенівському устаткуванні і другом. Карбоволокніти з вуглецевою матрицею замінюють різні типи графітів. Вони застосовуються для теплового захисту, дисків авіаційних гальм, хімічно стійкої апаратури. Вироби з бороволокнітів застосовують в авіаційній і космічній техніці (профілі, панелі, ротори і лопатки компресорів, лопаті гвинтів, трансмісійні вали вертольотів і т. д.). Органоволокніти застосовують в якості ізоляційного і конструкційного матеріалу в електрорадіопромисловості, авіаційній техніці і т. д.

Навчальне питання 3. Порошкові матеріали.

Основною сировиною порошкової металургії є порошки чистих металів і сплавів, а також порошки неметалічних елементів. Під терміном «порошкова металургія» відповідно до ГОСТ 17359-82 прийнято розуміти «область науки і техніки, що охоплює область виробництва металевих порошків, а також виробів з них або їх сумішей з неметалевими порошками». Порошкова металургія - один з найбільш прогресивних процесів перетворення металу в виріб, за допомогою якого забезпечуються властивості виробу, отриманого традиційними методами, або властивості, які не можуть бути досягнуті при використанні інших технологічних процесів.

Застосування технологічних процесів порошкової металургії при виготовленні деталей і виробів різного призначення дозволяє різко підвищити коефіцієнт використання металу (КІМ) - до 96-98% за рахунок скорочення відходів при обробці, а також можливого переділу відходів у вихідний матеріал (порошок), в багатьох випадках замінити дефіцитні і дорогі метали та сплави менш дефіцитними і дорогими, знизити енергоємність і трудомісткість виробництва, а отже, зменшити собівартість готової продукції без зниження, а в ряді випадків - навіть при підвищенні її експлуатаційних властивостей.

До хімічних методів отримання порошків належить відновлення оксидів і солей металів твердими або газоподібними відновлювачами, дисоціація Карбоніли і нестійких з'єднань, Металотермія. Велику групу порошків - олова, срібла, міді і заліза - отримують методами електролітичного осадження металів у вигляді порошку з водних розчинів солей, а також електролізом розплавлених середовищ (тантал, ніобій, уран та ін.)

До механічних методів одержання порошків відносяться подрібнення металу різанням, розмелювання в кульових, вібраційних, конусно-інерційних та інших млинах і дробарках, розпорошення струменів рідкого металу стиснутим пором, газом, водою.

Вибір методу визначається можливістю отримання порошку необхідної якості та економічною доцільністю застосування того чи іншого методу. Найбільшого поширення набули хімічні методи і методи розпилення, які при мінімальних витратах забезпечують отримання цілої гами порошкових металів і сплавів з властивостями широкого діапазону.

Можливість застосування порошку для виготовлення окремих виробів визначається його властивостями, які залежать від методу отримання та природи металу порошку. Металеві порошки характеризуються технологічними, фізичними і хімічними властивостями.

До технологічних властивостей, згідно з ГОСТ 19440-94, відносяться: насипна щільність, що представляє собою масу одиниці об'єму вільно насипаного порошку; відносна щільність - відношення насипної щільності та щільності металу в безпористі стані; плинність - здатність порошку заповнювати певну форму, що виражається через число грамів порошку , що протікає за 1 с через лійку з діаметром вихідного отвору (носика лійки) 2,5 мм; прессуемость (ГОСТ 25280-90) - здатність порошку під тиском стискаючих зусиль утворювати заготівлю заданої форми і розмірів (формуемость) з мінімально допустимої щільністю (уплотняемость) .

До фізичних характеристик порошків відносяться форма і розмір часток порошків. Вони можуть різко відрізнятися за формою (від ниткоподібних до сферичних) і розмірам (від часток до сотень і навіть тисяч мікрометрів). Важлива характеристика порошків - гранулометричний склад, під яким розуміється співвідношення кількості частинок різних розмірів (фракцій), виражене у відсотках. Розміри частинок порошку зазвичай складають 0,1-100 мкм. Фракції порошків розмірами більше 100 мкм називають гранулами, менше 0,1 мкм - пудрою. Визначення гранулометричного складу може проводитися за допомогою просіювання порошку через набір сит (ГОСТ 18318-94). Цей метод можна застосовувати до порошків розмірами більше 40 мкм; для більш дисперсних порошків застосовується метод седиментації (ГОСТ 22662-77) і мікроскопічний аналіз за допомогою оптичного або електронного мікроскопа (ГОСТ 23402-78). Також до фізичних характеристик відноситься питома поверхня порошків, під якою розуміють сумарну поверхню всіх частинок порошку, взятого в одиниці об'єму або маси.

До хімічних характеристик відносяться хімічний склад порошку (як порошку чистого металу, так і порошку сплаву), визначення якого здійснюється за методиками відповідних компактних (беспорістих) металів і сплавів.

До хімічних характеристикам відносять також пірофорність - здатність порошку самозайматися при зіткненні з повітрям - і токсичність - отруйність порошків. Якщо в компактному стані більшість металів нешкідливі, то в порошкової формі, потрапляючи в атмосферу приміщень, вони утворюють аерозолі, які при вдиханні повітря або прийомі їжі можуть викликати хворобливий стан.

Широке застосування мають порошки міді, нікелю та інших металів. Згідно ГОСТ 4960-75 випускаються і застосовуються такі порошки міді: ПМА, ПМАу, ПМС-1У, ПМС-Н і т. д. Хімічні склади цих марок порошків приведені в табл. 21.2. Тут у назві марок дві перші літери позначають порошок мідний (ПМ), такі: С - стабілізований, К - конопаточний, Н - нізкодісперсних; індекси, зокрема у, Н, В та ін - зі спеціальними властивостями. У табл. 21.3 дано області застосування цих порошків.

Мідний порошок не повинен мати сторонніх домішок і грудок і за кольором відповідати зразку, погодженим виробником і споживачем. Питомий електричний опір мідного порошку марки ПМА не повинно перевищувати 25 мкОм / м.

Принципи відбору виробів для виготовлення методами порошкової металургії .У зв'язку з обмеженими можливостями формоутворення деталей при виготовленні їх методами порошкової металургії важливе значення набувають принципи відбору деталей, що переводяться на виготовлення їх методами порошкової металургії. При цьому необхідно враховувати ряд факторів - матеріал, що застосовується при їх виготовленні, режими їх термічної і хіміко-термічної обробок та обробки різанням, умови і режими експлуатації виробу. Одним з визначальних факторів є складність їх форми. Загальні вимоги до форми деталей викладені в ГОСТ 29278-92 («Вироби порошкові. Конструктивні елементи»). Залежно від застосовуваних конструктивних елементів вироби порошкової металургії розрізняють простий, складною і особливо складної форм.

До виробів простої форми відносяться:

вироби без переходів по висоті;

вироби без отвору або з одним отвором і з торцями, обмеженими паралельними площинами.

Додатковими конструктивними елементами виробів простої форми є стінки, фаски, пази і зуби.

До виробів складної форми відносяться:

вироби з одним переходом по висоті, без отвору і з торцями, обмеженими паралельними площинами;

вироби з одним або декількома отворами, з одним переходом по висоті і торцями, обмеженими паралельними площинами.

До виробів особливо складної форми відносяться:

вироби з двома або більше переходами і буртами по висоті, з торцями, обмеженими паралельними або непаралельними площинами, криволінійними площинами;

вироби, обмежені однією або більше конічними, сферичними та іншими криволінійними поверхнями.

Додатковими конструктивними елементами виробів складної та особливо складної форми є стінки, фаски, пази, зуби, бурти, виступи, ухили, поглиблення в торцях.

Залежно від складності форми виробів, відходи при виробництві та витрати на механічну обробку можуть перекривати інші переваги порошкової металургії. Застосування порошкових методів виготовлення виробів буде виправдано тільки тоді, коли в загальній технології виготовлення досягається позитивний економічний ефект або інші методи виготовлення не забезпечують заданих властивостей.

Оцінка економічної доцільності виготовлення виробів простих і складних форм методами порошкової металургії не представляє особливих складнощів і в основному відображає їх серійність. У разі виготовлення виробів особливо складної форми рентабельність виробництва додатково визначається витратами на виготовлення деталей прес-форм, які зростають в міру ускладнення форми порошкових виробів, необхідністю застосування спеціальних пресів, наприклад, пресів з боковим тиском і т. п., підвищеними витратами на механічну обробку . При пресуванні в прес-формах круп-них деталей відносна вартість виробу різко збільшується, тому що потрібно застосування більш потужних (зазвичай гідравлічних) пресів, які, як правило, тихохідні, що знижує продуктивність праці. У зв'язку з тим що при пресуванні порошків застосовуються високі тиску (500-1000 МПа), площа поверхні, на яку прикладається тиск пресування, лімітується розмірами прес-форми й потужністю преса.

Конструктор при проектуванні порошкових виробів повинен враховувати можливі зміни розмірів при пресуванні і спіканні порошкових заготовок, величини яких у більшості випадків визначаються експериментально, і призначати більш жорсткі і легко відтворювані допуски, визначені в ГОСТ 29278-92. Встановлено, що методами порошкової металургії можна одержувати готові вироби без механічної обробки відхиленням перпендикулярно до напрямку пресування в межах від 0,025 до 0,130 мм на довжині 25 мм. Більш жорсткі відхилення можуть бути отримані за допомогою спеціальних методів порошкової металургії - повторного пресування (калібрування) після спікання або динамічного гарячого пресування, гарячої штамповки. Шорсткість пресованих виробів залежить від шорсткості робочих поверхонь деталей прес-форм. Зовнішні поверхні порошкових виробів мають практично ту ж шорсткість, що й робочі поверхні матриці, знаків, сердечників і інших елементів прес-форми.

Порошкові матеріали, використовувані для виготовлення виробів конструкційного призначення, можуть бути розділені на дві групи: 1) для виготовлення виробів з метою заміни звичайних вуглецевих і легованих сталей, чавунів, деяких кольорових металів і сплавів і 2) матеріали зі спеціальними властивостями, отримати які можна тільки при виробництві виробів методами порошкової металургії.

Найбільш характерними деталями першої групи є шатуни, шестерні, храповики, кулачки, ригеля, накидні і спеціальні гайки, важелі і багато інших, які випускаються промисловістю методами лиття та механічної обробки. Виготовлення деталей цієї групи рентабельно тільки при масовому виробництві однакових виробів, оскільки виготовлення прес-форм, встановлення їх на прес і налагодження процесу пресування - тривала і дорога операція. Так, наприклад, якщо продуктивність пресування залежно від типу преса (прес-автомат, механічний, гідравлічний преси) становить від 150-200 до 2000 і більше прессовок в год, то на зміну інструмента (прес-форми) і його наладку витрачається від 1 -2 до 20-30 ч. У зв'язку з цим, прийнято вважати, що виготовлення виробів методами порошкової металургії може бути виправдане в тому випадку, якщо ці вироби складають в серії 10 000-50 000 штук (простий форми), 5000-10 000 штук (складної форми) і 500-1000 штук (особливо складної форми). У деяких випадках виробництво дрібніших партій порошкових виробів пов'язано зі складністю або неможливістю виготовлення виробів традиційними методами, а використовувані порошкові технології знижують собівартість, матеріаломісткість і енерговитрати і підвищують продуктивність праці.