ис.3.1. Зразок з рамкою: 1 – зразок; 2 – рамка; 3 – вантаж.
Перше зважування зразка з рамкою проводять після витримки у воді протягом 1хв. і визначають масу з похибкою не більше 0,01г.
Інший зразок витримують у воді на протязі 2-х годин і тоді проводять повторне зважування зразків у воді з рамкою. Досліди проводять з використанням однієї і тієї ж рамки. Безпосередньо перед кожним зважуванням вилучають з поверхні зразка повітряні бульбашки скляною паличкою.
Якщо зразок з плином часу витримки зберіг початкову форму, то після повторного зважування не більш ніж через хвилину виміряють лінійні розміри зразка і визначають його об'єм.
Для визначення об'єму зразка, який змінив свою початкову форму, використовують циліндричну ємкість, яка має водозливну трубку. Наповнюють цю ємкість водою до тих пір, поки вода не буде переливатись через злив. Після стабілізації рівня води під злив поміщають градуірований резервуар з такою місткістю, щоб забезпечити вимір об'єму води з похибкою не більше 0,5см3.
Зразок з рамкою дістають з води і на протязі 2хв. витримують на повітрі. Після цього зразок з рамкою обережно занурюють в ємкість зі зливом і вимірюють об'єм витісненої води.
Повторюють цю ж процедуру з рамкою без зразка і визначають при цьому об'єм витісненої води. За різницею між одержаними значеннями обчислюють об'єм зразка.
Обробка результатів
Водопоглинання пінопласту по відношенню до початкового об'єму (Wv) у відсотках обчислюють за формулою:
Wv = [(m-m0 ) : ( V0 × ) + (V – V0 ) : V0 ] × 100%,
де V0 - об'єм зразка до дослідження, см3;
V - об'єм зразка після дослідження, см3;
- густина води при 20°С, г/см3;
m0 - маса зразка з рамкою після витримки у воді на протязі 1хв., г;
m - маса зразка з рамкою після витримки у воді на протязі 2 год., г.
Водопоглинання пінопласту по відношенню до повної поверхні (Ws) в см3/м2; обчислюють за формулою:
Ws = [(m-m0 ) : S) + (V – V0 ) : S ] × 104 ,
де S - повна геометрична поверхня зразка, см2.
Результати дослідження заносять в протокол у вигляді таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 - Експериментальні дані
| Матеріал, марка | mo, г | m, г | Vo,см3 | V, см3 | , г/см3 | Wv, % | S, см2 | Ws, см3/м2 |
| ПСС 1-4 ГОСТ 20282-74 |
3.5. Зміст протоколу
1. Назва роботи.
2. Мета роботи.
3. Описати методику визначення водопоглинання жорстких пластмас.
4. Накреслити схему рамки з зразком.
5. Експериментальні дані оформити у вигляді таблиці 3.1.
6. Висновки по виконаній роботі.
3.6. Питання для самоперевірки
1. В чому суть методу визначення водопоглинання жорстких пластмас?
2. Як визначити об'єм зразка, який змінив свою початкову форму?
3. Приведіть формули для визначення водопоглинання жорстких пластмас.
4. Поясніть одиницю виміру водопоглинення до повної поверхні - см3/м2.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4
Визначення густини і поруватості композиційних матерiалiв
Мета роботи: ознайомитись з експлуатаційними характеристиками KM, практично визначити густину і поруватість текстоліту електротехнічного листового.
4.1. Прилади та матеріали
1. Штангенциркуль
2. Терези аналітичні WA-33 з точністю зважування 0,0002г
3. Вода дистильована
4. Парафін, вазелін або лак
5. Масло індустріальне
6. Комплект зразків текстоліту електротехнічного листового (ГОСТ 12652-74, ГОСТ 2910-74)
7. Ємність (0,5л)
8. Підвіска.
орядок виконання роботи
1. Ознайомитися з методикою визначення густини KM:
- методом обміру і зважування;
- методом гідростатичного зважування.
2. Визначити розміри і масу зразків з текстоліту.
3. Обчислити густину і поруватість зразків і порівняти з даними, наведеними в літературі.
4. Оформити результати дослідів і скласти протокол.
4.3. Загальні відомості
Густина KM визначається розрахунковим і гідростатичним методами. Розрахунковий метод застосовують в тих випадках, коли з композиційного матеріалу можна виготовити зразки правильної геометричної форми. Для зразків складної конфігурації використовують гідростатичний метод. Суттю розрахункового методу є визначення густини за результатами вимірів лінійних розмірів зразків і їх маси. З допомогою штангенциркуля або іншого вимірювального інструменту визначаються розміри зразків і обчислюється їх об'єм. Густину () композиційного матеріалу обчислюють за формулою:
= m0 /V,
де m0 - маса зразка, одержана з допомогою аналітичних вагів; V – його об'єм.
Перед випробуванням зразки очищують від бруду; ті з них, які мають раковини, тріщини, зколи, нерівні краї, відбраковуються.
Суть гідростатичного методу полягає у вимірюванні об'єму за результатами зважування на повітрі і в рідині. Спочатку визначається маса зразка на повітрі
Gnoв, потім маса цього зразка, просоченого розплавленим парафіном або покритого тонким шаром вазеліну чи лаку: на повітрі (G1) і в рідині (G2), яка мас густину рід.
Отже, густину () KM визначають за формулою:
=Gпов х рід /(G1-G2).
Рідина, яка частіше всього використовується - це дистильована вода; можна використовувати також етиловий спирт, безводний газ, бензин або іншу рідину з відомою густиною, яка добре змочує досліджуваиий зразок без утворення на поверхні повітряних бульбашок.
Відносну густину KM (відн.) у відсотках обчислюють за формулою:
відн. =(екс. : теор. ) х 100%,
де екс - густина KM, визначена експериментально;
теор.- теоретична густина компактного KM заданого складу, яка обчислюється за формулою:
теор. = f × Vf + m × ( 1- Vf ),
де f - густина армуючої фази, m – густина матриці, Vf - об'ємна доля армуючої фази.
Загальну поруватість (Пзаг.) у відсотках обчислюють за формулою:
Пзаг. = 100 - відн. = (1- екс. / теор. ) × 100%.
Поруватість в KM може бути відкритою і закритою. Відкрита поруватість, яка обумовлює проникність матеріалів, вимірюється на виробах, які мають загальну поруватість вище 10%, шляхом заповнення їх рідиною. Сухі зразки зважують на аналітичних терезах на повітрі, а потім просочують рідиною, вибір якої визначається досліджуваним KM. Просочуючою рідиною для ПКМ являється дистильована вода з домішками, які знижують її поверхневий натяг. Для металевих KM використовують дегазоване або звичайне індустріальне масло, ксилобензиловий спирт і т.і. Просочений зразок зважують на повітрі і в воді. Відкриту поруватість (Пвідк.) у % обчислюють за формулою:
Пвідк = ( m 1 - m пов. ) × в ×100 / ( m 1 - m 2 ) × рід. ,
де mпов., m1, m2 - результати зважування сухого зразка на повітрі, просоченого зразка відповідно на повітрі і у воді; в - густина води; рід.- густина рідини, якою просочують.
Закриту поруватість у відсотках визначають, як різницю між загальною
(Пзаг.) і відкритою (Пвідк.) поруватістю:
Пзакр. = Пзаг. - Пвідк.
4.4. Методичні вказівки
Дана лабораторна робота виконується фронтально. Студенти одержують зразки композиційних матеріалів і визначають їх густину і поруватість. Вимірювання проводять у відповідності з даними методичними вказівками.
Метод обміру та зважування являє собою визначення густини речовини по відношенню маси зразка до його об'єму, які визначаються безпосередньо зважуванням та обміром. Допускається вимірювати об'єм іншими методами, наприклад, по витісненому об'єму рідини для зразків неправильної або важко вимірюваної форми.
Метод застосовується для визначення густини (об'ємної маси) виробів та напівфабрикатів (стержні, бруски, труби) і забезпечує вимірювання густини до 0,5% при точності вимірювання об'єму 0,3% і маси 0,2%.
Зразки, відібрані для вимірювання, повинні відповідати ГОСТу 115139-86 з наступними вимогами:
- бути рівними, гладенькими, без пустот і тріщин для зменшення можливості захоплення або включення повітряних бульбашок;
- число зразків від однієї партії матеріалу повинно бути не менше трьох;
- зразок повинен мати об'єм не менше 1см3 і вагу не більше 180г.
Масу зразків визначають зважуванням з точністю 0,0002г.
Об'єм зразка визначають таким способом:
а) правильної геометричної форми - обчислюють зарезультатами лінійних вимірювань;
б) неправильної або важко вимірюваної форми - за об'ємом витісненої
рідини.
Метод гідростатичного зважування являє собою порівняння мас однакових об'ємів випробовуваної речовини і рідини відомої густини (наприклад, дистильованої води), яка називається робочою рідиною. Метод призначений для визначення густини (об'ємної маси) відформованих виробів (стержні, бруски, трубки) і забезпечує точність вимірювання густини до 0,1%.
Для випробувань використовують зразки за ГОСТ 15139-86вагою 0,2-5,0г. Визначають масу зразка М1, зважуючи його з точністю до 0,0002г.
Встановлюють підставку зі склянкою, наповненою робочою рідиною, на столик вагів (терезів); випробовуваний зразок за допомогою дроту-підвіски підвішують до коромисла терезів. Після цього зразок опускають в склянку з рідиною до повного його занурення, не дотикаючись стінок і дна посудини і слідкуючи за тим, щоб на ньому не було бульбашок повітря, і проводять зважування, визначаючи масу М2. Якщо зразок в рідині випливає, до підвіски підвішують додатковий груз.
Зразок знімають з підвіски, підвіску (з грузом, якщо він використовувався) опускають в склянку з рідиною (підвіска при цьому не повинна доторкатися стінок і дна склянки) і проводять зважування, таким чином визначають масу М3.
При необхідності, густину робочої рідини визначають пікнометром.
20Н2О = 0,99820 г/см3; 23Н2О = 0,99755 г/см3; 27Н2О = 0,99652 г/см3.
Обробка результатів
За даними зважування масу рідини відомої густини (М4), об'єм якої рівний об'єму зразка, обчислюють за формулою:
М4 = М1 – ( М2 – М3 ),
де: М1 - маса рідини на повітрі, г; М2- маса зразка з підвіскою в рідині, г;
Мз - маса підвіски (з грузом, якщо він застосовувався) в рідині, г.
Густину досліджуваного зразка в г/см3 обчислюють за формулою:
=М1 /М4 ×рід.
За результатом випробувань приймають середньоарифметичне значення розрахунку густини для кожного зразка, якщо вони не відрізняються один від одного більше, ніж на 0,0015г/см3.
Результат записують з трьома знаками після коми.
Якщо зразок був покритий захисним шаром парафіну, то густину його обчислюють за формулою:
=М1 ×рід. ×з.ш. /(М5 - М6)×з.ш. – М7 ×рід. ,
де: М1 - маса зразка без захисного шару, г;
М4 - маса рідини відомої густини;
M5 - маса зразка з захисним шаром, який зважили на повітрі, г;
М6 - маса зразка з захисним шаром, який зважили в рідині, г;
М7 - маса захисного шару, г;
рід.- густина робочої рідини, г/см3;
з.ш.- густина захисного шару парафіну, г/см3.
Результати вимірювань у вигляді таблиці 4.1 заносять в протокол:
Таблиця 4.1 - Експериментальні дані
| Матеріал (марка) | Метод обміру і зважування | Метод гідростатичного зважування | |||||||||||
| М, г | V, см3 | , г/см3 | М1, г | М5, г | М6, г | М7, г | рід., г/см3 | з.ш., г/см3 | , г/см3 | ||||
4.5. Зміст протоколу
1. Назва роботи.
2. Мета роботи.
3. Опис методики визначення густини і поруватості KM.
4. Експериментальні дані щодо густини і поруватості KM у вигляді таблиці 4.1.
5. Висновки по виконаній роботі.
4.6. Питання для самоперевірки\
1. Суть і методика вимірювання густини і поруватості KM.
2. Назвіть методи, які застосовуються при вимірюванні густини KM.
3. Приведіть формулу для визначення густини KM.
4. Що таке загальна, відкрита і закрита поруватість?
5. Чому важливо вміти визначати густину і поруватість композитів, де це застосовується?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5
Випробування композиційних матерiалiв на розтяг, мiцнiсть i пластичність
Мета роботи: Ознайомитись з основами i методикою проведення випробувань на розтяг i визначення показників мiцностi та пластичності.
5.1. Прилади та матеріали
1. Розривна машина для випробувань типу ВМ-4В
2. Зразки для випробувань на розтяг
3 Штангенциркуль (ГОСТ 166-73)
4. Лiнiйка (шкільна)
5. Мікрометр (0-25)мм.
орядок виконання роботи
1. Ознайомитись з методикою підготовки зразків для випробувань на розтяг, будовою розривної машини для випробувань, порядком проведення випробувань.
2. Провести випробування на розтяг зразків КМ.
3.Ознайомитись з методикою визначення за дiаграмою розтягу, автоматично накресленій на машині при випробувані величин навантажень: границі мiцностi В., границь пропорцiйностi ПЦ, i плинності; фізичну Т або умовну 0.2, видовження та звуження .
4. Результати випро6увань на розтяг оформити протоколом.
5. Написати звіт по роботі у вiдповiдностi з пунктами 3 і 4 порядку виконання роботи.
5.3. Загальні відомості
Найважливiйшими із композитів є КМ з полімерною матрицею (ПКМ), яка зміцнена волокном. Рiзноманiтнiсть армуючих волокон i полімерних зв’язуючих, а також схем армування, дозволяє спрямовано регулювати якості ПКМ, найбільш повно вiдповiдаючи характеру i умовам роботи конструкцій з них.
Щодо спосо6у армування, можна виділити дві основні групи матерiалiв: 1 - композити, утвopeнi з шарів, які складаються з паралельних безперервних волокон, 2 - композити, apмовані тканинами.
5.3.1.КОМПОЗИТИ, APMOBAНI ОДНОСПРЯМОВАНИМИ НАПОВНЮВАЧАМИ
Даний композит являє собою, як правило, багатошарову волокнисту систему, в якій кожний шар складається з односпрямованих жгутiв, стрічок, ниток тощо, розташованих відносно один одного певним способом. При проектуванні виробів із КМ розраховують кути укладання армуючих волокон в кожному шарі, узгоджуючи поле напруг i деформацій у виробі з полем механічних характеристик КМ. При цьому враховують, що най6iльш високі показники механічних характеристик КМ досягаються, коли напруження в конструкції діють вздовж волокон, а найменші - поперек волокон. Механiчнi та iншi якості виробів зі складною схемою армування підлягають розрахунку і визначаються якостями окремих односпрямованих шарів, їх товщиною, заданим кутом орiєнтацiї волокон в кожному шарі i структурою всього пакету. Для експериментальної оцінки якостей односпрямованого матеріалу широко застосовують кiльцевi зразки.
Кільцеві зразки виготовляються i випробуються при вiдпрацюваннi технологічних режимів виготовлення нового виробу, а також як зразки - свідки при виготовленні вiдповiдальних конструкцій. При цьому можна визначити граничні напруження при розтязі, стисненні, згинанні, зсуві, вiдповiднi модулі пружності, відносної деформації, коефiцiенти Пуассона. Пристосування для виготовлення i випробування кільцевих зразків складається з 2-х жорстких напiвдискiв, внутрiшнiй діаметр випробуванного кільця може бути 150 або 300мм при ширині зразка 20...50мм i товщині 1...2мм. Теоретично механiчнi характеристики КМ в напрямку армування можна визначити за правилом "сумішей". Нижче подаються формули для приблизного розрахунку міцності КМ, його модуля пружності Ek i густини k:
k = bb+(1-b)m;
Ek = bEb+(1-b)Em;
k = bb+(1-b)m,
де b – об’ємний вміст волокна; b, Eb, b - граничнi напруження, модуль пружностi при розтягу i густина волокон; b, Eb, b - граничнi напруження, модуль пружностi при розтягу i густина матриці.
Величина b має свої, для кожного матерiалу оптимальнi значення: 0,7...0,72 для склопластика і боропластика, 0,60...0,65 для органо- i вуглепластикiв.
Для розрахунку k, Ek, k можна використовувати данi, приведенi в та6лицях 5.1-5.3 даних методичних вказівок. В табл.5.1 приведенi усередненi характеристики односпрямованих КМ на ocнoві епоксидних зв'язуючих. Порiвняння характеристик односпрямованих композитiв при розтягу вздовж волокон показує, що найбiльшу питому мiцнiсть має органопластик, а вуглепластики i боропластики значно перевершують скло- i органопластики по жорсткостi.
Бiльшiсть односпрямованих КМ при стисненнi в напрямку вздовж волокон поводяться як пружнi тiла, пiдпорядкованi закону Гука, аж до руйнування матерiалу. Модулi пружностi при розтягу i стисненнi таких матеріалів мають однакове значення. В бiльшостi ПКМ мiцнiсть при розтягу вища, нiж при стисненнi, за виключенням боропластикiв. Основним недолiком даних ПКМ є їx низькі механiчнi властивостi при поперечному навантаженнi i зсуві, обумовленi недостатньою мiцнiстю матрицi i зв'язку на границi роздiлу компонентiв.
5.3.2. КОМПОЗИТИ, APMOBAHI ТКАНИНАМИ
Бiльшiсть застосованих волокон (виняток складають борні волокна) в результатi тектильної переробки дозволяют отримати тканини, якi широко використовуються в КМ в якостi армуючих наповнювачiв. Основною перевагою тканинних матерiалiв є простота ix використання, особливо при виготовленнi крупногабаритних виробiв.
Таблиця 5.1 – Технічні характеристики односпрямованих композитів
| Характеристика | Склопластик | Вуглепластик | Органопластик | Боропластик |
| Густина*103, кг/м3 | 2,1 | 1,5 | 1,38 | 2,0 |
| Мiцнiсть при розтягу /+/ i стиснeнi /-/ вздовж -волокон, ГПа | +1,75 -0,65 | +1,10 -0,45 | +1,80 -0,28 | +1,60 -2,40 |
| Модуль пружності вздовж волокон, ГПа | ||||
| Мiцнiсть при розтягу впоперек волокон, ГПа | 0,034 | 0,33 | 0,028 | 0,065 |
| Модуль пружностi при розтягу впоперек волокна, ГПа | 6,2 | 4,9 | ||
| Мiцнiсть при зсуві, ГПа | 0,048 | 0,027 | 0,042 | 0,102 |
| Модуль зсуву, ГПа | 5,2 | 5,0 | 2,0 | 6,2 |
В виробництвi композитiв на основі тканин застосовуються, як правило, тканини полотняного i сатинового переплетіння. В конструкцiях, якi пiдлягають значним мiжшаровим зсувовим навантаженням, добре зарекомендували себе тканини об’ємного плетiння, якi складаються iз кiлькох шарiв, послiдовно з’єднаних спiльними нитками.
Тканини виробляються iз текстильних кручених ниток i жгутiв i характеризуються схемою плетіння, щільністю ниток на одиницю довжини і ширини, масою одиниці площi, а також деякими іншими параметрами. Механiчнi властивості композитів, армованих тканинами, залежать як від типу волокон, виду плетiння, так i від спiввiдношення волокон по основі i утку тканини.
Типовi властивостi КМ на основі тканних наповнювачiв рiзноманiтного переплетiння показанi в табл.5.2.
5.3.3. МЕТОДИ ОДЕРЖАННЯ ПКМ
Вiдрiзняюча особливiсть виготовлення деталей з ПКМ полягає у тому, що матерiал i виріб в бiльшостi випадкiв створюють одночасно. При цьому виробу вiдразу надаються заданi геометричнi розмiри і форма, що дозволяє суттєво знизити його вартість i зробити конкурентноспроможнiм з виробами iз традицiйних матерiалiв, не дивлячись на порiвняно високу вартість полiмерних зв'язуючих i волокнистих наповнювачiв.
Таблиця 5.2 - Властивостi КМ, армованих рiзними тканинами
| Марка тканини | Вид | Товщина тканини, мм | Густина, кг/м3 | Вміст зв’язую-чого, % | Міцнiсть при розтягу, ГПа | Модуль пружності при розтягу, ГПа | |||
| Осно-ва | Уток | Осно-ва | Уток | ||||||
| Склоткани-на аСТТібі-С (фенолформал.) | Сатино-ве 8/3 | 0,35 | 38,8 | 26,6 | |||||
| Склоткани-на (поліефірне зв’язуюче) | полот-няне | 0,27 | 27,1 | ||||||
| Склотканина МТБС-2,5 (поліефірне зв’язуюче) | багато-шарове | 2,5 | 31,5 | 17,7 | |||||
| Вуглеткани-на П-5-13 (фенолформальдег.) | -//- | 3,0 | 32,5 | 13,5 | |||||
| Арамідна тканина (Кевлар-49) (епоксидне зв’язуюче) | сатинове 5/3 | 0,35 | 50,0 | 27,6 | 21,5 | ||||
Технологiя виготовлення деталей ПКМ включає слiдуючi основні операцiї:
1 - пiдготовка армуючого наповнювача і приготування зв'язуючого, 2 - сумiщення арматури i матрицi, 3 - формотворення деталi, 4- отвердiння зв'язуючого в КМ, 5- механiчна доробка деталі, 6 - контроль якостi деталi. Пiдготовка початкових комонентiв полягає в перевiрці їx властивостей на вiдповiднiсть технiчним умовам, а також в обробцi поверхнi волокон для покращення їх змочуванностi i пiдвищення мiцностi зчеплення мiж наповнювачем та матрицею в готовому ПКМ.
Сумiщення армуючих волокон i зв'язуючого може здiйснюватися прямими та непрямими способами.
До прямих способiв належать такі, при яких виріб формується безпосередньо з початкових компонентiв КМ, обминаючи операцiю виготовлення iз них напiвфабрикатiв. Непрямими способами виготовлення називають такі, в яких елементи конструкції створюються iз напiвфабрикатiв. В цьому випадку насичення армуючих волокон зв'язуючим являє собою самостiйну операцiю, в результатi якої одержують попередньо насиченi матеріали (препреги) - нитки, жгути, стрiчки та тканини, якi потiм пiдсушуються i частково отвержуються. Препреги приготовляють в спецiальних установках вертикального та горизонтального типу.
Метод намотки. Намоткою називають процес формотворення корструкцiй з КМ, при якому заготовки одержують автоматизованим укладнанням по заданим траекторiям армуючого наповнювача (ниток, стрiчок, тканини), насиченого полiмерним зв'язуючим, на конструктивнiй формi, що обертається або на технологiчних оправках.
Оправки або форми мають конфiгурацiю i розмiри, вiдповiднi внутрiшнiм розмiрам деталi, яка виготовляється. Формування деталi намоткою завершується отвердженням намотаної заготовки. Оправка пiсля цього вилучається, хоча в окремих випадках вона може залишатися i виконувати функцiю конструктивного елементу.
В теперiшнiй час намотка здiйснюється на автоматизованих намоточних верстатах з програмним управлiнням, які дозволяють одержувати вироби рiзних форм та розмiрiв. Най6iльш широко метод намотки застосовується для виготовлення конструкцiй, якi мають форму тiл обертання або близьку до неї. Намоткою виготовляються труби, баки, емкості тиску рiзноманiтної форми, конiчнi оболонки, стержнi, короби i т.і.
Формотворення деталей сучасної техніки iз ПКМ здiйснюється багатьма технологiчними методами: намоткою, пресуванням, вакуумним та автоклавним формуванням, пултрузiєю.
Метод пресування. Пресування є одним з найбiльш розповсюджених методiв формотворення деталей iз ПКМ. Пресування деталей здiйснюється за допомогою прес-форми, в якiй створюється необхiдний тиск i температура для формування заготовок i отверження полiмерного зв'язуючого. Прес-форма нагрiвається за допомогою електронагрiвачiв, якi розташованi в плитах матрицi i пуансона або iншими способами. Тиск формування створюється за допомогою гiдравлiчного пресу, на столi якого прикрiпляється матриця, а на рухомiй плитi - пуансон прес-форми.
Пресуванням виготовляють деталi з матерiалiв з хаотичним i орiентованим розташуванням волокон.
Початковими матерiалами при пресуваннi в цъому випадку можуть бути короткі волокна, обрiзки стрiчок, гранули (пучки волокон, попередньо насиченi зв'язуючими), з'єднаннi в резулътатi його часткового отвердження в таблетки.
При виготовленнi деталей, в яких композит повинен мати шарувату структуру з повною орiєнтацiєю волокон, використовують заготовки препрегiв (стрiчок або тканин). В цъому випадку попередньо розкроєнi заготовки укладаютъся в певному порядку в пакет i трохи спресовуються.
Таблетована або зiбрана шарувата заготовка помiщується в нагрiту прес-форму, пiсля цъого прес-форма закривається з матерiалом i матерiал витримується заданий час при температурi отверження зв'язуючого, а потiм готовий виріб вилучається за допомогою виштовхувачiв, якi є в прес-формi.
Вакуумне та автоклавне формування. Процеси вакуумного i автоклавного формування полягають у викладаннi заготовок на плоску або криволiнiйну форму i наступному формотвореннi деталi тиском стиснутих газiв (автоклавний метод) або атмосферним тиском, який діє на замкнутий об’єм, в якому створюється розрядження (вакуумний метод). Методи призначенi для одержання конструкцiй складної форми з попередньо насичених термореактивними зв'язуючими тканинних армуючих матерiалiв шляхом пошарового укладнання заготовок iз них на технологiчнiй оправцi i наступного отвердження при одночасному впливi тиску формування, яке прикладається через еластичну діафрагму, виготовлену з плівок або гуми. При цьому тиск формування досягає 2МПа в автоклавах, 40МПа в гiдроклавах i до 0,1МПа в вакуумних чохлах. Отвердження заготовок проходить в печi або безпосередньо в автоклавi. Температура i тривалiсть процесу отвердження визначаються типом зв'язуючого i геометрiєю деталi. Охолодження деталi вiдбувається пiд тиском спiльно з усим оснащенням. Пiсля охолодження деталь вилучається iз форми i при необхiдностi проходить подальшу обробку.
Пултрузія. В останні роки широке застосування набувають профiлi, прутки, труби та iншi конструктивнi елементи, якi виготовляються з волокнистих композитiв на полiмерній матрицi шляхом безперервного протягування армуючого матерiалу, насиченого зв'язуючим, який отверджується в профiльованiй формi спецiальної установки. Такий процес називають пултрузiєю (по аналогii з екструзiєю, при якiй матерiал виходить через фiльеру пiд дiєю тиску). При пултрузiї він протягується пiд дiєю зовнiшнього зусилля.
Армуючий матерiал (жгути, полотна або тканні стрiчки) послiдовно проходить крiзь ванну з рiдким зв'язуючим, насичується, стискується i йде далi в матрицю попереднього формування, а потiм в прес-форму, яка обiгрiвається, де і фiксується потрiбна конфiгурацiя та отверджується полiмерне зв'язуюче. Для завершення отвердження елемент пiсля формування додатково термообробляють в печi.
Одержаний профiль - труба або пруток - розрiзається на частини певної довжини i далi може використовуватись при складаннi конструкцiй.
5.3.4. ГАЛУЗІ ЗАСТОСУВАННЯ ПКМ
Склопластики- один з перших конструкцiйних матерiалiв на полiмернiй основі. Вони найбiльш повно вивченi, ix давно використовують в судобудiвництвi, на транспортi, в будiвництвi, нафтохiмiчній, горнобудiвнiй та iнших галузях промисловостi. Склопластики з усіх КМ є найдешевшими. Тому їx застосування виправдано в серiйному і масовому виробництвi. Висока корозiйна стiйкiсть, здатнiсть до сприйняття ударних навантажень, вiдмiнна якiсть поверхнi i гарний зовнiшнiй вигляд обумовили застосування склопластикiв в спортивномy виробництвi i виробництвi корпусiв човнiв, катерів, рiчкових та морских суден.
Будiвельнi панелi, повiтряпроводи, реакцiйнi апарати та рiзнi емкості, хiмiчно стiйкi i міцні труби, корпуси насосів і вентиляторiв - це далеко не повний список виробiв iз склопластикiв, якi використовються в будiвництвi i хiмiчнiй промисловостi. Видне мiсце займають цi матерiали в виробництвi виробiв для автомобiльного та залiзничного транспорту. 3 них виготовляють корпуси легкових автомобiлей, кабiни грузовикiв, баки для пального, цистерни для перевезення рiдких та сипyчих вантажiв.
Органопластики. Низька густина, висока мiцнiсть, жорсткiсть, вологостiйкiсть, хiмiчна стiйкiсть i електричнi та теплофiчнi властивостi органопластикiв визначили їx застосування в якостi матерiалiв електро- i радiотехнiчного, теплоiзоляцiйного i теплозахисного, ерозiйно- i корозiйностiйкого, фрикцiйного призначення в виробах рiзних галузей промисловостi.
Найбiльш повно мiцнiсть органiчних волокон реалiзується при розтягу, тому вигiдним виявилось застосування односпрямованого органопластика для виготовлення методом намотки рiзноманiтних посудин, якi працюють при високих внутнiшнiх тисках, емкостей для рiдких кисню i водню. Переваги органопластика в порiвняннi з склопластиками, якi використовуються при виробництвi посудин високого тиску, видно з даних табл.5.3.
Таблиця 5.3 - Властивостi КМ, якi використовуються у виробництвi посудин тиску, виготовлених методом намотки
| Тип КМ | Армуючi волокна | Тип зв'язу-ючого | Bмicт волокон, % | Густина, кг/м3 | Модуль Пружності, ГПа | Міцні-сть при розтягу, МПа | Питома жорст кість 106, Дж/кг | Питома міцність 106, Дж/кг |
| Склопластик Органопластик | скляне орган. | епоксидне | 60,7 91,0 | 32,5 76,2 | 0,72 1,29 |
Органопластики широко використовуються в якостi теплоiзоляцiї контейнерiв для зберiгання та транспортування зрiджених природних газiв, автомобілів - рефрижераторiв i т. і. Висока стiйкiсть органопластикiв до дiї агресивних середовищ дозволяє широко використовувати їx для виготовлення хiмiчної апаратури. В сполученнi з деревом вони широко використовуються у виробництвi спортивних виробів: хокейних клюшок, тенiсних ракеток, лиж та iнш. Завдяки високим дiелектиричним характеристикам органопластики, якi мають високi показники тривалої мiцностi і працездатностi при пiдвищених температурах, застосовують в якостi обмотувальних стрiчок pотopiв електродвигунiв.
Легкi листовi матерiали на основі тканин з органiчних волокон використовуються при виробництвi динамікiв радiоприймачiв, магнiтофонiв та iнших деталей радiо- та телеапаратури, де дуже важлива вогнетривкiсть.
Вуглепластики. Для вуглепластикiв характерно сполyчення ряду властивостей: високi значення жорсткостi i мiцностi, вiдносно невелика густина, хiмiчна інертність, тепло- i електропровiднiсть та iнш. Важливим фактором, який визначає перспективнiсть виробництва вуглепластику, є доступнiсть та налагоджене виробництво вихідної сировини.
Особливо важливе значення цi матерiали можуть набути при їx використаннi для антикорозiйного захисту обладнання хiмiчних виробництв. Вуглепластики застосовуються для посилення металу в комбiнованих конструкцiях цилiндричних баків, емкостей, якi працюють пiд тиском; деталей, якi знаходяться в полi дiї вiдцентрованих сил або пiдлягають вiбрацiям. Застосування високомодульних вуглепластикiв в обшивках та iнших деталях конструкційного призначення гвинтокрилих забезпечує зниження маси до 30% i пiдвищує довговiчнiсть виробiв. Вуглепластики знайшли застосування в якостi обшивки трьохшарових панелей з сотовим, гофрованим або трубчатим заповнювачем в рiзниx конструкцiях. Трьохшаровi конструкцii елементiв поверхонь керування лiтаком (кермо, закрилки, гальмiвнi щитки, створки люкiв i т.д.) забезпечують зниження маси на 12...40%, а впровадження вуглепластикiв для панелей пiдлоги та перегородок лiтакiв зменшує вібpaцiї та piвень шуму на 20-30%.
Бiологiчна сумісність вулецевого волокна з тканинами живого органiзму дозволяє використовувати вуглепластики для протезування та в медичних приладах.
В останні роки вони використовуються для виготовлення рiзних спортивних товapiв: рам велосипедiв, тенicних ракеток, вудилищ, байдарок, яхт та iнш. Висока хiмiчна стiйкiсть вуглепластикiв дозволяє застосовувати їx в хiмiчному машинобудуваннi для виготовлення трубопроводiв, цистерн, насосів, посудин, ущiльнювачiв та iнших елементiв конструкцiй, якi працюють в агресивних середовищах, а їx електропровiднiсть використовується при cтвopeннi рiзних нагрiваючих пристроїв.
Боропластики. Впровадження боропластикiв ефективно в елементах конструкцiй, в яких визначальним критерiєм працездатностi є високi питомi значення жорсткостi i мiцностi при дiї стискуючих навантажень.
В теперiшнiй час боропластики використовуються в основному у виробах авiацiйної та ракетно-космiчної технiки iз-за великої вартості вихідної сировини (борних волокон).
Висока мiцнicть i жорсткiсть при стисненнi боропластикiв використовуються при конструюваннi балок, панелей, cтpiнгepiв несучих частин лiтальних апаратiв. В перспективi використання боропластикiв в корпусних деталях, якi працюють при всебiчному або всеосному стисненнi, в трубах, посудинах внутрiшнього тиску. Замiна металевих виробiв боропластиковими дозволяє знизити їx масу, пiдвищити питому жорсткiсть, статичну мiцнiсть та вiбромiцнiсть.
Економiя маси, яка одержується при використаннi матерiалiв на основі борних волокон та полiмерної матрицi, стимулювала розробку рiзноманiтних конструкцiй i технологiчних процесiв.
5.4. Методичні вказівки
Для випробувань на розтяг використовують цилiндричнi або плоскі зразки (рис.5.1 i 5.2). За ГОСТом 11262-92 рекомендується використовувати плоскі зразки. На робочій частині зразків не повинно бути слiдiв механічної обробки та інших дефектів; зразки повинні бути без кривизни.
Перед випробуванням вимірюють поперечний переріз зразків - у циліндричних - початковий діаметр робочої частини d0, (мм), а у плоских - початкову товщину робочої частини а0, (мм), i початкову ширину в0, (мм). Точнicть вимірювань циліндричних зразків діаметром 10мм i менших та плоских зразків товщиною 2мм і менше - до 0,01мм.
Рис.5.1. Стандартні зразки для випробувань на розтяг:
h - довжина головки, за допомогою якої зразок закріплюється в захват машини; l0 - початкова розрахункова довжина зразка; R -радіyc закруглення робочої частини; d0 - початковий діаметр робочої частини циліндричного зразка; а0 - початкова товщина робочої частини плоского зразка; в0 - початкова ширина робочої частини плоского зразка; L- загальна довжина зразка.
Рис.5.2. Зразки для випробувань на розтяг на машині ВМ-4Р:
а) круглий; б) плоский
Вимірюють не менше, ніж в 3-х місцях по довжині робочої частини зразка (в середині i по краям). Одержані найменші розміри записують в графу 2 протоколу випробувань, по них обчислюють площу поперечного перерізу зразка F0 i записують в графу 3 протоколу випробувань. Для того, щоб після випробувань визначити видовження, вимірюють початкову довжину L0 зразка з точністю до 0,1мм i заносять в графу 4 протоколу. Встановлена початкова розрахункова довжина L0 обмежується неглибокими кернами, рисками або іншими помітками.
Машина ВМ-4В (рис.5.3) має невеликi габарити i проста в обслуговуваннi. Зразок (на cxeмi не показаний) закрiплюються головками в затискувачах 1 i 2. Нижнiй затискувач з’єднаний з гвинтом 13 навантажуючого механiзму. Верхнiй затискувач 2 з’єднаний з силовимiрювальним механiзмом, який складається iз важеля 3 та маятника 9. При обертах електродвигуна 14 гвинт 13 починає пересуватися вниз, в зв’язку з чим зусилля розтягування передається на два затискувачi, зразок i важiльно-маятникову вимiрювальну систему. Лiвий кiнець важеля пiднiмається, маятник 9 відхиляється, при цьому стрiлка 8 змiщується по шкалi 6, яка являє собою лiнiйку з подiлками, показуючи дiюче навантаження, а перо 7 автоматично записує на паперi на барабанi 5 криву в координатах “навантаження - деформацiя” Обертання барабана вiдбувається при допомозi двох зубчатих колес 4 i 12. Машина має двi шкали навантаження: (0-40000) Н (коли закрiплюються два вантажi) i (0-20000) Н (коли закрiплюється тiльки один вантаж). Цiна найменшої подiлки шкали при (0-20000) и складає 50Н, а при (0-40000) Н вона становить 100Н. Машина має два приводи: електродвигун, який є нормальним приводом, i ручний привід, який застосовується дуже рiдко, наприклад, коли навантаження треба вести до строго визначеної величини. При роботi з ручним приводом використовують рукоятку 10, яку треба надiти на правий кiнець черв’яка 11. Крiм цього, треба висунути кнопку, яка знаходиться на кришцi коробки (на рис.5.3 не вказанi). Це робиться для того, щоб звiльнити черв’як 11 вiд зчеплення з вiссю черв’ячного колеса 15. Обертаючи ручку в напрямку годинникової стрiлки або проти годинникової стрiлки дають прямий (навантаження) або зворотний (розвантаження) хiд.
При роботi з електродвигуном рукоятка повинна бути знята, а кнопка на коробцi повинна бути втоплена до упору. Прямий або зворотний хiд вдiйснюється вимикачем.
Для проведения випробувань необхiдно:
1) пiдготовлений для випробувань зразок розмiстити в затискувачах машини;
2) ввiмкнути електродвигун;
3) спостерiгати за перемiщенням стрiлки 8 по шкалi 6 (див. рис.5.3), зафiксувати крайне праве положения, до якого дiйде стрiлка 8, тобто найбiльше навантаження Рmаx, яке передувало руйнуванню зразка i записати його в графу 8 протоколу випробувань;
4) пiсля розриву зразка вимкнути електродвигун, обидвi частини зразка витягнути iз затискувачiв і зняти з дiаграмного апарату частину паперової смужки з записаною дiаграмою.
Рис. 5.3. Розривна машина ВМ - 4Р
Обробка результатів
1. Визначення границi мiцностi. (тимчасового опору)
Границя мiцностi при розтягуваннi В (Па) , визначається за формулою:
В =Рmах/F0
і одержаний результат записують в графу мiцностi протоколу випробувань.
2. Методика визначення за дiаграмою розтягу навантажень границь пропорцiйностi та плинностi
На дiаграмi (рис.5.4) по вертикальнiй осi вiдкладенi величини навантажень Р(Н), а по горизонтальнiй осi - величини абсолютних видовжень зразка L, мм. Спочатку, до точки РПЦ йде пряма лiнiя. Це означає, що видовження пропорцiйнi навантаженням, якi прикладаються до зразка, який випробовується. Навантаження, яке вiдповiдає точцi РПЦ, називається навантаженням границi пропорцiйностi. До границi пропорцiйностi в КМ виникають тiльки пружнi деформації. Якщо навантаження усунути, то зразок повернеться в попереднiй стан i нiяких залишкових видовжень в зразку виявлено не буде. При подальшому пiдвищеннi навантаження прямолiнiйнiсть порушується і пряма переходить в криву, тобто виникає порушення пропорцiйностi мiж напруженням і видовженням і в зразку починають виникати залишковi видовження. Якщо при розтягуваннi зразка не утворюється горизонтальної площини, то за навантаження границi плинностi приймають таке навантаження, яке обумовлює видовження, що дорiвнює 0,2% розрахункової довжини зразка, і позначають Р02 - навантаження, яке вiдповiдає границi плиностi умовнiй. Пiсля границi плиностi навантаження починає збiльшуватися до максимуму в точцi Рmax. Найбiльше навантаження Рmax вiдповiдає границi мiцностi (тимчасовому опору). Далi в зразку починає утворюватися шийка (мiсцеве зменшення перерiзу зразка), навантаження в зв’язку з цим зменшується; нарештi при навантаженнi, яке вiдповiдає точцi РК, виникає розрив зразка.
3. Визначення навантаження границі пропорційностi
Провести пряму Оа (рис.5.5), яка спiвпадає з прямолiнiйною дiлянкою кривої розтягування. Через точку С провести вiсь ординат ОР. Потiм на довiльнiй висотi, але в iнтервалi пружностi кривої розтягування, провести пряму ВС, яка паралельна осi абсцис. На прямiй ВС вiдкласти вiдрiзок ОЕ, рiвний половинi вiдрiзку ОР. Через точку Е і початок координат провести пряму ОМ. Навантаження границi пропорцiйностi РПЦ визначається точкою дотику кривої розтягування прямої НІ, проведеної паралельно прямiй ОМ. Навантаження Р границi пропорцiйностi записують в графу протоколу випробувань. Границю пропорцiйностi визначають за формулою:
пц =Рпц /F0
і одержаний результат записують в графу протоколу випробувань.
4. Визначення навантаження границi плинності
Перший спосіб.При наявності на дiаграмi розтягування ясно вираженої площадки текучостi по нiй визначають навантаження фiзичної границi плинностi (рис.5.6, а).
Результат записують в графу протоколу. Границю плинностi (фiзичну) п визначають за формулою:
п = Рm / F0
і одержаний результат записують в графу протоколу випробувань.
Другий спосіб.
Якщо на діаграмі розтягування немає площадки текучостi, то можна визначити навантаження Р0.2 умовної границi плинностi, для чого необхідно провести пряму Оа (рис.5.6,б), яка спiвпадає з прямолiнiйною дiлянкою кривої розтягування. Через точку О провести вісь ординат ОР. Вiд т.О налiво треба вiдкласти дiлянку ОВ, величина якої дорiвнює величинi заданого залишкового видовження, тобто 0,2% вiд початкової розрахункової довжини зразка L0, збiльшеної до масштабу дiаграми розтягування (наприклад, в 100 раз, якщо дiаграма одержана на машинi ВМ-4В з масштабом 100:1). Із точки В треба провести пряму ВС, паралельну прямiй Оа. Точка D перетину прямої ВС з кривою розтягування визначає висоту ординати,тобто навантаження Р0.2, яке вiдповiдає умовнiй границi текучостi, яку записують в графу протоколу випробувань.
Границя плинностi (умовна) 0.2 визначається за формулою:
0.2 = Р0.2 / F0
i одержаний результат записують в графу протоколу випробувань.
5. Методика визначення видовження і поперечного звуження
Для визначення довжини розрахункової частини зразка пiсля розриву LK двi частини зразка пiсля розриву щiльно прикладають одну до другої. Якщо пiсля випробувань зразка в тому мiсцi, де вiн розiрвався, виникає щiлина, то її зараховують в довжину розрахункової частини зразка пiсля розриву. Довжина LК зразка пiсля розриву визначається вимiрюванням вiдстанi мiж кернами (рисками), якi обмежують розрахункову довжину зразка. Одержаний результат довжини LK зразка пiсля розриву записують в графу протоколу вимiрювань, вiдносне видовження (%) обчислюють за формулою:
= [(LK – L0) /L0] · 100%
i одержаний результат записують в графу протоколу випробувань.
При розтягуваннi в тому мiсцi, де зразок розiрвався, виникає шийка, тобто зменшується поперечний перерiз зразка. Рiзниця мiж початковою площею поперечного перерiзу F0 зразка i площею поперечного перерiзу FK в мiсцi розiрвання дaє величину абсолютного звуження. Початкова площа поперечного перерiзу F0 вiдома. Щоб одержати площу поперечного перерiзу в мiсцi розiрвання круглого зразка, треба дiаметр зразка в мiсцi розiрвання вимipяти в двох взаємоперпендикулярних напрямках i по середньоарифметичному значенню обчислити площу FK. Щоб одержати площу в мiсцi розipвання плоского зразка, треба вимiрювати в мicцi розiрвання найменшу товщину n i найбiльшу ширину m зразка. Добуток n на m дaє величину FK, тобто:
FK = n·m.
Результат записують в графу протоколу.
Щоб обчислити вiдносне звуження в (%), треба величину абсолютного звуження (F0 - FK) подiлити на початкову площу F0 i помножити на 100%:
F0 - FК) /F0] ·100%.
Одержаний результат записують в графу протоколу випробувань.
5.5. Зміст протоколу
1. Назва роботи.
2. Мета роботи.
3. Описати методи виготовлення виробів з ПКМ.
4. Зарисувати схеми зразкiв з ПКМ для випробування на мiцнiсть.
5. Проаналізувати отримані результати та зробити висновки.
5.6. Питання для самоперевірки
1. Якими методами одержують вироби з полімерних композитів?
2. Галузі застосування склопластиків.
3. Галузі застосування органопластиків.
4. Галузі застосування вуглепластиків.
5. Галузі застосування боропластиків.
6. Поняття границi мiцностi. Спосiб її визначення.
7. Поняття границi плинностi. Спосiб її визначення.
8. Способи визначення видовження i поперечного звуження.
ПРОТОКОЛ ВИПРОБУВАНЬ НА РОЗТЯГ
Форма i матерiал зразкiв......................................................................................
Машина.................................................................................................................
Робоча шкала........................................................................................................
Таблиця 5.4 - Результати виконання роботи
| Матерiал для випробування | Текстолiт | Склотекс-толiт | ||
| Розмiри розрахункової частини зразка для випробування | Дiaметp d0, мм | 4,0 | 7,0 | |
| Площа поперечного перерiзу, F0,мм2 | ||||
| Розрахункова довжина зразка, L0, мм | ||||
| Навантаження, якi вiдповiдають | Границi пропорцiйностi, РПЦ | H | 6,0 103 | 2,1 104 |
| Границi плинностi фiзична, РТ | 6,7 103 | 2,6 104 | ||
| Границi плинностi умовна, Р0.2 | 6,5 103 | 2,3 104 | ||
| Границi мiцностi, Рmax | 104 | 3,5 104 | ||
| Розрахункові навантаження | Границi пропорцiйностi пц | МПа | ||
| Границi плинності фізичної, п | ||||
| Границi плинності умовна, 0.2 | ||||
| Границi мiцностi, В | ||||
| Розмiри розpaхункової частини зразка пiсля випробування | Довжина LK, мм | |||
| Площа перерiзу в мiсцi розриву FK, мм2 | 9,96 | 38,26 | ||
| Відносне видовження ,% | ||||
| Відносне звуження , % |
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6
Вивчення технологічних прийомів плазмового напилення композиційних покриттів
Мета роботи: Ознайомитись з технологією одержання композиційних покриттів на поверхні деталей методом плазмового напилення.
6.1. Прилади та матеріали
1. Комплекс автоматизованого обладнання плазмового напилення марки ОПН – 11:
- установка плазмового напилення;
- пристрої аспіраційні марки А - 9000;
- блок плазмового напилення;
- блок керування марки БУ – 1, а також;
- установка струминно – абразивна марки АП – 1М;
- установка миюча.
2. Аргоновий і водневі балони з редукторами.
3. Зразки або деталі для напилення
4. Аргон вищого сорту по ГОСТ 10157 – 79 і водень технічний марки А ГОСТ 3022 – 80.
5. Порошки окислів [Al2O3 + (1–13%)TiO2];
6. Композиційні (плаковані) порошки: (Ni–Ti); (WC+Co); (Ni–Al); (NiCr+Al).
7. Інструмент і прилади для вимірювання і закріплення деталей.
8. Штангенциркуль ГОСТ 166 – 73;
9. Лупа ЛІП – 7х ГОСТ7594 – 75;
10. Набір надфілів;
11. Набір еталонів різної шорсткості поверхні;
12. Прилад для вимірювання твердості методом Роквелла ТК – 2.
орядок виконання роботи
1. Ознайомитися з обладнанням і призначенням його вузлів.
2.Вивчити технологічні операції процесу плазмового напилення композиційних матеріалів.
3. Визначити якість напилення методом вимірювання товщини шару і його шорсткості, а також твердість покриття методом Роквелла.
4. Оформити результати вимірювань і скласти протокол.
6.3. Загальні відомості
Сутність процесу плазмового напилення поверхні полягає в
утворенні направленного потоку дисперсних частинок напилюваного матеріалу, що забезпечує перенос їх на поверхню обробляємого виробу при оптимальних для формування шару покриття значеннях температури та швидкості.
При плазмовому нанесенні покриттів з порошків (рис.6.1) плавлення вихідного матеріалу відбувається в плазмовому струмені, температура якого 5000…5500К і швидкість польоту частинок порошку - 100...200м/с.
Рис. 6.1. Схема плазмово – дугового нанесення покриттів з порошків:
1 – плазмовий струмінь; 2 – підвід та злив води; 3 – плазмоутворюючий газ;
4 – подача порошку
Плазмовий струмінь одержують вдуванням плазмоутворюючого газу в електричну дугу, яка утворюється між двома електродами .
Найбільш поширений спосіб одержання плазмового струменя інтенсивним обдуванням стовпа електричної дуги – обдування струменя в спеціальних пристроях - плазмотронах.
Плазмовий струмінь - це потік речовини, яка складається із електронів, іонів та нейтральних атомів плазмоутворюючого газу: аргону, азоту, водню, аміаку, гелію та інших газів , а також їх суміші.
Частинки вихідного порошку, попадаючи в плазмовий струмінь, розпилюються, інтенсивно нагріваючись до температури плавлення, і з великою швидкістю направляються на обробляєму поверхню.
При ударі частинки зчіплюються з поверхнею і одна з одною і утворюють на поверхні шар покриття, товщину якого можливо регулювати в межах від десятків мікрон до декількох міліметрів.
Найбільш важливі фактори, які впливають на процес розплавлення порошкового матеріалу, формування покриттів та їх кінцеві експлуатаційні властивості, це:
- потужність плазмового струменю;
- склад плазмоутворюючих газів;
- хімічний склад, фізичні властивості, форма і розміри частинок порошку;
- характеристика поверхні, яку необхідно напилити;
- технологічні прийоми нанесення покриття.
Потужність плазмотронів, які використовуються для напилення, звичайно складає 20-40 кВт. При цьому, як правило, 40% потужності губиться при охолодженні пальника.
Хімічні і фізичні властивості матеріалу, застосовуваного для напилення, найбільш істотно впливають на кінцеві властивості покриття.
В процесі плазмового напилення частинки порошку перетворюються в рідкі краплі, які затягуються плазмовим порошком і, потрапляючи на напилену поверхню, розтікаються, твердіють і утворюють покриття.
Необхідні умови для напилюваних матеріалів - постійність їх складу в процесі розплавлення, тобто вони повинні плавитись до розкладання.
Найбільш важливі фізичні властивості матеріалів, які визначають можливість їх застосування для нанесення захисних покриттів: температура плавлення, кристалічна структура, а також особливі властивості, які задаються умовами експлуатації покриттів: твердість, термо - і зносостійкість, опір впливу агресивиих середовищ, електроізоляція та ін.
Транспортабельність порошку газовим потоком в зону плазмового струменя визначає форму і розміри частинок порошкових матеріалів.
Досвід показує, що для плазмового напилення частіше застосовуються порошки з сферичною формою частинок і розмірами 20...160мкм в залежності від природи напилюваного матеріалу.
Немале значення для напилення якісних покриттів має стан поверхні і матеріал напилюваної деталі.
Звичайно плазмові композиційні покриття наносять на різні сталі, чавуни, алюмінієві і мідні сплави.
Для забезпечення якісного зчеплення покриттів напилювану поверхню очищають від забруднення окисних і жирових плівок.
Характеристики, які суттєво впливають на продуктивність процесу, якість утворюваного покриття і технологічні умови напилення:
· відстань від зрізу плазмотрона до напилюваної поверхні;
· кут напилення;
· швидкість відносного переміщення деталі і плазмотрона.
Плазмове напилення дозволяв наносити в якості покриттів практично всі матеріали, які існують в твердому вигляді.
В практиці напилення використовують як однорідні порошки різних матеріалів, так і гетерогенні порошки складної структури – композиційні, а також їх механічні суміші . В останній час все більше поширення для плазмового напилення покриттів отримують композиційні порошки.
Сьогодні існує ряд різноманітних формулювань, які використовують різні автори для позначення матеріалів такого типу: плаковані порошки (або порошки з покриттям), термореагуючі порошки та біметалеві порошки. З визначення, яке дається терміну "композиційний матеріал" випливає, що він покликаний відповідати слідуючим критеріям: композиція повинна бути виготовлена людиною і являти собою сполучення мінімум двох хімічно різнорідних матеріалів з чіткою межею розподілу між цими компонентами; компоненти композиції утворюють її своїм об’ємним сполученнями; композиція має такі властивості, яких немає ні який з компонентів зокрема.
Аналіз цих положень дозволяє стверджувати, що новий тип компонентів для газотермічного напилення задовольняє всім цим умовам, тобто може бути віднесений до класу КМ і названий композиційним порошком. Він може мати визначення, як порошок складного сполучення, кожна гранулометрична самостійна характеристика якого складається із макрооб’ємів декількох компонентів, які відрізняються за хімічним складом, і ідентична за якісним складом всім іншим. В об’ємі цього визначення композиційний порошок може бути диференційований від порошків сплаву і дисперснозміцнюючого матеріалу (по розміру, об’єму компонентів) і механічної суміші (по характеру суміші). Не треба підміняти також указаний термін терміном порошкова композиція, який по точному змісту визначає компактний композиційний матеріал, одержаний із порошків.
Розділення композиційних порошків на класи може бути проведено на основі декількох принципів: за типом будови частинок; за характером взаємодії компонентів при нагріванні; за методом одержання; за призначенням.
До основних типів частинок за їх будовою відносяться плаковані іконгломеровані частинки (рис.6.2).
Рис. 6.2. Головні типи будови часток композиціїних порошків
а – плаковані б, в – конгломеровані.
Будова плакованих частинок така: на поверхні вихідної частинки (ядра) одного із матеріалів розміщені один або декілька шарів других матеріалів (рис.6.2, а). Частинка композиційного порошку конгломератного типу сформована з множини вихідних частинок декількох матеріалів. Потрібно розрізняти гетеродисперсні конгломентарні частинки, коли між дисперсністю компонентів є велика різниця і частинки одного з них служать основою (ядром), а на їх поверхні розміщуються частинки залишкових компонентів ( рис.6.2, б). В цьому випадку відношення діаметру частинок основи до діаметру частинок залишкових компонентів зазвичай знаходиться в межах 10 - 20 і більше. Другим варіантом є гомодисперсні конгломератні частинки, які сформовані із різноманітних вихідних компонентів з близькими розмірами частинок (відношення діаметрів зазвичай 1-3) (рис.6.2, в). Комбінація цих двох основних типів дозволяє одержати ряд структур змішаного типу.
На рис.6.3 зображені деякі варіанти змішаних структур частинок 3-х компонентних композиційних порошків.
Рис. 6.3. Типи змішаних структур трьохкомпонентних композиційних порошків
Виходячи з характеру поведінки композиційних порошків при напилені, за складом їх доцільно розділяти на реагуючі при нагріванні та термонейтральні. У першому випадку одержання покриття суміщено з синтезом нових речовин і його склад різко відрізняється від вихідного складу частинок. В другому випадку суттєвих змін складу в процесі напилення не відбувається (якщо не враховувати звичайні для всіх матеріалів процеси окислення, азотування в плазмовому струмені і т.і.
Характерні типи структури плазмовий покритів приведені на рис.6.4.
&nb