Глава IX. Неметаллические материалы

§ 1. Пластические массы

Наряду с металлами и их сплавами в машиностроении широко используют различные неметаллические материалы, получаемые на основе органических и неорганических веществ.

К органическим веществам относятся пластические массы, резина, кожа, бумага, фибра и др.; к неорганическим — стекло, асбест, слюда и др.

 

Неметаллические материалы используют как в качестве заменителей дорогих и дефицитных металлов и сплавов, так и в качестве самостоятельных конструкционных материалов, обладающих в ряде случаев более высокими показателями свойств, чем металлы и сплавы.

Пластическими массами называются органические материалы, получаемые на основе искусственных и естественных смол, являющихся связующими веществами, в связи с древесной мукой, очесами хлопка или другими материалами, называемыми наполнителями.

Пластические материалы (пластики) обладают пластичностью и в то же время достаточной жесткостью для сохранения приданной формы. Пластические массы способны при определенных температурах и давлении (прессовании, литье под давлением и т. п.) формоваться.

Искусственные смолы, называемые полимерами, представляют собой соединение гигантских молекул, состоящих из большого числа обычных молекул. Искусственные смолы получают из продуктов переработки каменного угля, нефти и другого естественного сырья.

Для производства пластических масс применяют смолы термонеобратимые, затвердевающие при нагревании (термореактивные) и термообратимые, размягчающиеся при нагревании (термопластические).

Термообратимые смолы при нагревании не переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Изделия, полученные на основе этих смол, извлекаются из форм лишь после охлаждения. Изделия из термообратимых пластических масс можно подвергать повторному формованию.

Термонеобратимые смолы при нагревании легко переходят в вязкотекучее состояние, но с увеличением длительности действия повышенных температур превращаются в твердую стеклообразную или резиноподобную массу, не переходящую вновь в пластическое состояние. Изделия из термонеобратимых пластических масс не поддаются повторной переработке.

Пластические массы делятся на порошкообразные (порошковые), волокнистые и слоистые.

Некоторые пластические массы (органическое стекло) состоят только из чистых смол.

Пластические массы отличаются высокой коррозионной стойкостью. Большинство из них устойчиво к действию кислот и щелочей, обладает диэлектрическими свойствами, что дает возможность применять их в качестве электроизоляционных материалов.

Наиболее распространенными видами пластических масс являются фенопласты и аминопласты.

Фенопласты — это пластические массы, изготовляемые на основе фенолформальдегидной смолы. Фенопласт, в котором наполнителем является хлопчатобумажная ткань, известен под названием текстолит. Фенопласт с наполнителем из бумаги носит название гетинакс.

Пластические массы на основе фенолформальдегидных смол и фенопластов используются преимущественно в качестве конструкционно-поделочных материалов в машиностроении и в электротехнике.

Аминопласты — это пластические массы, изготовляемые на основе мочевинно-формальдегидных смол с различными на полнителями и присадками. Аминопласты легко окрашиваются в светлые тона и хорошо сохраняют цвет. Благодаря безвредности мочевинно-формальдегидных смол пластические массы из этих смол используют для изготовления пищевой тары. Аминопласты применяются также для изготовления деталей яркой окраски простого и сложного профилей, от которых не требуется высоких электроизоляционных свойств (корпуса измерительных приборов, осветительной арматуры и т. п.).

Полиэфирные смолы используются в качестве связующего при изготовлении стеклопластиков, применяемых в машиностроении, а также для изготовления волокнистых материалов и лакокрасочных покрытий. Из волокнообразующих полиэфирных смол изготовляют волокна, известные под названием лавсан или терилен. Они прочны, устойчивы к действию кислот, упруги и сохраняют стойкость до 150°С, используются для изготовления транспортерных лент, шлангов и т. п. Из ненасыщенных полиэфирных смол изготовляются весьма прочные материалы, и в частности стеклопластики.

Стеклопластики наряду с высокими свойствами обладают химической стойкостью и ценными технологическими свойствами.

Эпоксидные смолы обладают ценными физическими,, механическими, химическими свойствами. Они хорошо соединяются с металлами, стеклом и другими материалами. Поэтому их используют в качестве клея, защитных покрытий, связующего вещества для стеклопластиков и для изготовления различных заливочных смесей. Из армированной металлом эпоксидной смолы изготовляют штампы, матрицы, модели и т. п. Эпоксидная смола и вводимые в нее отвердители часто бывает токсична (ядовита) и может вызывать кожные заболевания, поэтому работать с ними необходимо при усиленной вентиляции и в резиновых перчатках.

Полиамидные смолы служат для изготовления пластических масс, известных под названием капрона, нейлона, перлона. Из полиамидных смол изготовляют волокнистые и литые изделия. Полиамидные смолы плавятся при температуре 210—280° С. Тонкие пленки полиамидов можно наносить на металлические детали способом огневого напыления или путем обсыпания деталей порошком полиамида с последующим расплавлением его в атмосфере азота или углекислого газа. Детали из полиамидных смол можно склеивать и сваривать. Материалы из полиамидных смол отличаются высокой износоустойчивостью, что позволяет использовать их в изнашивающихся деталях машин. Из полиамидов изготовляют бесшумно работающие зубчатые колеса, а из полиамидной пряжи — приводные ремни.

В зависимости от наполнителя различают следующие слоистые пластические массы:

Текстолит — хлопчатобумажная ткань, пропитанная фенолформальдегидной смолой и спрессованная под большим давлением и при определенной температуре.

Поделочный текстолит (ГОСТ 5—52) обладает хорошими механическими и электроизоляционными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, выпускается в виде труб и стержней.

Электротехнический текстолит (ГОСТ 2910—54) используется в машиностроении, электро и радиотехнике. Из него изготовляют детали с повышенной механической прочностью (зубчатые колеса, работающие почти без шума и при высоких скоростях, вкладыши для подшипников, прокладки и другие детали). Текстолитовые подшипники, работающие на водяной смазке, износоустойчивее, чем бронзовые.

Гетинакс (ГОСТ 2718—66)—прессованная пластическая масса на бумажной основе, пропитанная фенолформальдегидной смолой, изготовляется в виде листов размером 400х400 и более и толщиной от 0,2 до 50 мм разных марок, предназначенных для использования в различных средах, при различных температурах. Гетинакс обладает хорошими диэлектрическими свойствами и используется для изготовления электротехнических деталей и как изоляционный материал.

Стеклотекстолит (ГОСТ 10292—62) — прессованная ткань, пропитанная фенолформальдегидными или другими искусственными смолами. Стеклотекстолит обладает высокими электроизоляционными свойствами, жаростойкостью и влагостойкостью, имеет большой предел прочности при растяжении и хорошо поглощает вибрационные нагрузки. Стеклотекстолит используется в качестве электроизоляционного и конструкционного материала.

Органическое стекло (плексиглас) изготовляется из специальных смол в виде прозрачных листов различной толщины и размеров, прутков, труб. Органическое стекло эластично, не разбивается при ударах, поддается окраске в различные цвета, устойчиво против воды, бензина, масла и щелочей, растворяется в серном эфире, выдерживает температуру до 100°С. Органическое стекло широко используется в самолетостроении.

Асбестотекстолит получают горячим прессованием на основе асбестовой ткани, пропитанной спиртовым раствором фенолформальдегидных смол. Использование в качестве наполнителя асбестовой ткани дает возможность сочетать в асбестотекстолите высокую прочность к динамическим нагрузкам с повышенной термо- и кислотостойкостью. Асбестотекстолит обладает большим сопротивлением трению. Из асбестотекстолита изготовляют различные прокладки, а также детали тормозных устройств и механизмов сцепления.

Капрон — пластическая масса, изготовляемая из полиамидных смол в виде синтетического волокна путем выдавливания расплавленного поликапролактама через узкие отверстия (фильеры) и последующего охлаждения. Капрон отличается высокой прочностью на разрыв, малым влагопоглощением, большим относительным удлинением и химической стойкостью. Из капрона изготовляют искусственное волокно, бесшумно работающие зубчатые колеса. Капрон используют в качестве защитных покрытий деталей, подвергающихся трению.

Нейлон, как и капрон,— пластическая масса, изготовляемая из полиамидных смол; обладает хорошей вязкостью при низких температурах, малым коэффициентом трения, высокой сопротивляемостью и прочностью. Нейлон обладает самосмазывающими свойствами, легко формуется. Из нейлона изготовляют зубчатые колеса, вкладыши подшипников, крылчатки насосов, Прокладки и т. п.

Пенопласт — газонаполненная пластмасса, получаемая из искусственных смол. В зависимости от технологического процесса производства пенопласты изготовляются как в твердом, так и в мягком виде. Пенопласты характеризуются малым объемным весом, хорошо противостоят проникновению через них различных газов, высокими звуко-, тепло- и электроизоляционными показателями. Пенопласты нашли широкое применение в самолетостроении и машиностроении, а также в производстве предметов широкого потребления.

Целлулоид (ГОСТ 428—53) получают из нитроцеллюлозы с добавлением пластификаторов, пигментов и красителей.

Поделочный целлулоид изготовляется трех марок: А — для изготовления изделий методом выдувания в прессформах в разогретом состоянии; Б — для изготовления изделий обработкой резанием, тиснением, а также прессованием в разогретом состоянии; выпускается в виде полированных и неполированных листов; В — предназначается для изготовления обработкой резанием, выпускается в виде полированных и неполированных листов.

Технический прозрачный целлулоид (ГОСТ 576—41) изготовляется из коллоксилина с добавлением к нему пластификаторов, фосфорнокислого натрия и органических красителей, применяется для остекления машин, измерительных приборов, изготовления планшетов и других изделий; изготовляется трех марок - Т₁, Т₂ и Т₃. Под действием солнечных лучей целлулоид желтеет и теряет окраску.

Винипласт — термопластический материал, изготовляемый в виде листов, плит и отдельных изделий. Это непрозрачная пластическая масса коричневого цвета. Винипласт листовой выпускается трех марок: ВН — непрозрачный или окрашенный; ВП — прозрачный, бесцветный или окрашенный, ВНТ — нетоксичный, используется в тех случаях, когда он соприкасается с продовольственными продуктами. Винипласт имеет высокие антикоррозионные и электроизоляционные свойства. Хорошая химическая стойкость винипласта против кислот и щелочей и способность при нагревании приобретать пластичность позволяет изготовлять из него горячим прессованием трубы, конструкции и детали химической арматуры. Винипласт не горит, обладает малой теплостойкостью; хорошо поддается резанию, сверлению, шлифованию, полированию.

§ 2. Изоляционные материалы

В машиностроении широко используются различного рода изоляционные материалы, из них наибольшее распространение получили следующие.

Резина (ГОСТ 7338—65) — продукт химической переработки каучуков во взаимодействии с вулканизирующими веществами (сера, натрий), получаемый путем горячей или холодной вулканизации. Резина характеризуется эластичностью, вибростойкостью, повышенной химической стойкостью и устойчивостью к истиранию.

 

Резина широко применяется в качестве электроизоляционного материала (изоляционной ленты, оболочки для электрических проводов). При нагреве до 60—70°С и при низкой температуре резина становится неэластичной и трескается.

Эбонит (твердая резина) — продукт черного цвета иногда с коричневым оттенком, получаемый продолжительным нагреванием резиновой смеси, содержащей от 25 до 50% серы (от веса каучука). Изделия из эбонита обладают значительной механической прочностью и твердостью, хорошими электроизоляционными свойствами и высокой стойкостью против действия кислот, щелочей, масел, едких паров. Эбонит выпускается по ГОСТ 2748—52.

Эбонит хорошо обрабатывается резанием и штамповкой (в подогретом виде при толщине пластин до 5 мм). К недостаткам эбонита следует отнести его низкую теплостойкость. Эбонит широко применяют в электротехнической, авиационной и химической промышленностях.

Лента прорезиненная (изоляционная лента) изготовляется из узких полос хлопчатобумажной ткани с нанесением на них слоя резиновой смеси. Прорезиненная лента применяется для изоляции электрических проводов.

Картон водонепроницаемый (ГОСТ 6659—63) изготовляется из небеленой сульфидной целлюлозы, бумажной мануфактуры и битумной эмульсии, выпускается в листах, широко применяется в автомобильной промышленности и в кораблестроении.

Картон электроизоляционный изготовляется из сульфитной целлюлозы и тряпичного волокна, обладает высокими электроизоляционными свойствами и термостойкостью, гигроскопичностью и долговечностью. Электроизоляционный картон группы ЭМ (ГОСТ 4194—62) используется для работы в трансформаторном масле при температуре 95°С. Картон группы ЭВ (прессшпан) применяется при работе в воздушной среде, для пазовой изоляции в электромашинах, корпусов катушек, для изготовления шайб.

Картон прокладочный применяется в нефте- и бензопроводах, бензиновых двигателях, холодильниках, обладает высокой сжимаемостью и эластичностью.

Слюда является важнейшим из природных минеральных электроизоляционных материалов, обладает способностью расщепляться на очень тонкие гибкие, упругие пластинки, термостойка, не горит, нагревостойка, имеет высокие механические свойства. По назначению слюда разделяется на щипаную, предназначенную для производства магмиканитов (твердых электроизоляционных материалов, изготовляемых путем склеивания щипаной слюды при помощи лаков) и конденсаторную, предназначенную для производства деталей для электронных ламп. Температура плавления слюды 1200°С.

§ 3. Прокладочные, уплотнительные и набивочные материалы

В машиностроении широко применяются различные прокладочные, уплотнительные и набивочные материалы.

Асбест (ГОСТ 7—60)—волокнистый минерал, обладающий способностью расщепляться на тонкие гибкие волокна, допускающие при достаточной их длине скручивание в нить. Асбест обладает высокой огнестойкостью, малой электро- и теплопроводностью, кислото- и щелочеустойчивостью, широко используется в технике в качестве уплотняющих сальниковых набивок и прокладок, для изоляции горячих труб, аппаратов и печей. Из длинных асбестовых волокон изготовляют нити и шнуры, из коротких— асбестовый картон.

 

Фибра (ГОСТ 6910—59) — твердый гибкий и эластичный материал, получаемый из пористой спрессованной бумаги, она хорошо поддается механической обработке, гнется, склеивается, склепывается; основной ее недостаток — высокая гигроскопичность. Фибра применяется в качестве прокладочного материала в паровых турбинах, кислородном оборудовании, гидравлических прессах, карбюраторах, бензо- и маслопроводах.

Паронит (ГОСТ 481—58)—листовой прокладочный материал серого цвета, изготовляемый из асбеста, каучука с добавлением наполнителей, применяется для уплотнения мест соединения металлических поверхностей, работающих в среде воды и пара до 450° и давлении до 50 кГ/см², в нефтяных продуктах до 400° и давлении до 70 кГ/см², при жидком и газообразном кислороде до минус 182° и давлении до 2,5 кГ/см².

Кожа техническая (ГОСТ 1898—48) состоит из двух основных слоев внутреннего и наружного, лицевая сторона имеет блестящий вид, внутренняя — негладкую и неблестящую поверхность, называемую бахтармой, эта кожа применяется для изготовления прокладок, приводных ремней и других изделий.

Войлок технический изготовляют из низких сортов шерсти с добавлением растительных волокон и клейстера. Различают грубошерстный (ГОСТ 6418—61), полугрубошерстный (ГОСТ 6308— 61) и тонкошерстный (ГОСТ 288—61). В зависимости от назначения войлок каждой группы разделяется на войлок для сальников, для прокладок, для фильтров.