Полимеры и полимерные материалы в машиностроении

Полимеры и полимерные материалы в машиностроении

Машиностроение - одна из немногих базовых отраслей народного хозяйства, определяющая развитие всего хозяйства в целом, как было специально подчеркнуто на XXVI съезде КПСС. Развитию и совершенствованию машиностроения наша партия всегда уделяла первостепенное внимание - от пятилетки индустриализации, даже раньше, от плана ГОЭЛРО, до сегодняшних дней. Во всех современных развитых странах объем продукции машиностроения составляет более четверти всего объема промышленной продукции, основные фонды машиностроения и металлообработки - почти четверть всех основных фондов; в этой отрасли занято от трети до половины всех промышленных рабочих. И это естественно, простой перечень подотраслей машиностроения убедительно подтверждает его базовую роль. Вот этот перечень: энергетическое машиностроение; электротехническое; станкостроительная и инструментальная промышленность; приборостроение; тракторное и сельскохозяйственное машиностроение; транспортное; автомобильная и авиационная промышленность; судостроение и др. Другой убедительный факт: в 1970 г. машиностроение СССР выпустило более 30000 наименований изделий.

Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1978 г. машиностроение нашей страны потребило 800000 т пластмасс, а в 1960 г. - всего 116000 т. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37-38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а к 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизиться потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали применять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности и др. еще более интенсивно.

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки. Ниже будет подробнее рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких судов - катеров, шлюпок, лодок и т. п. - теперь строится из пластических масс.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. О преодолении температурного рубежа рассказано в главе "Шаги в будущее". Что же касается прочностных свойств полимерных материалов, то этот рубеж удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло- и углепластикам. Так что теперь выражение "пластмасса прочнее стали" звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки, Мы уже упоминали об этом, говоря о строительстве.

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок и тканей, искусственной кожи и т. п. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности, тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами, что повышает уровень полезного использования (и безотходность) термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс-материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров, В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей и сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им свойствен "королевский порок" - они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол.

Таковы лишь некоторые примеры и основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место по темпам роста применения пластических масс среди других подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Десять лет назад в автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х годов это число перешагнуло за 30. С точки зрения химической структуры, как и следовало ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях в наши дни изготовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот и т. д. и т. п. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем, те же, что и в других подотраслях. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации. В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.

Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии. Жесткие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажирского самолета "Конкорд". Было рассчитано, что от трения об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150° С, ив то же время требовалось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 ч. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта. Не меньшие трудности испытали конструкторы "Конкорда" и при решении вопросов герметизации топливных и гидравлических систем. И здесь выход из затруднительного положения обеспечили полисилоксановые и фторуглеродные эластомеры, герметики и мастики. Кстати, об эластомерах. По ходу изложения сведений о применении полимерных материалов в машиностроении мы практически не затрагивали этот тип полимеров. А ведь они тоже широко применяются в форме манжет и сальников, прокладок, трубок и шин. Для автомобиля очень существенна маслобензостойкость этих сальников, прокладок и шлангов, что обеспечивается применением бутадиенакрилонитрильного, полихлоропренового и тому подобных каучуков. Но вот недавно, в связи с повышением цен на нефтепродукты, начали появляться сообщения о применении в автомобилях нового горючего - спирта. В связи с этим можно предполагать, что в ближайшем будущем автомобилестроители потребуют от Химиков спиртоустойчивых резин. Такие резины и иные полимерные материалы создать не так уж и трудно, был бы при этом шофер спиртоустойчив. Ну, а теперь перейдем к описанию нескольких колоритных и малоизвестных случаев применения полимерных материалов в машиностроении. (БСЭ, 3-е изд., т. 15; Plast. World, 1979, 37, № 2).

Режущая нить

Можно ли перерезать стальную болванку синтетической нитью? Чтобы это удалось, надо, чтобы нить была сверхпрочной и высокотвердой, либо сталь помягчала. Да и зачем это нужно? Ту же болванку можно распилить закаленным ножовочным полотном. Но в том-то и беда, что после подобной распилки в стали остаются вредные остаточные напряжения и деформации. А смягчить сталь и другие металлы можно специальными химическими реагентами - для каждого металла свои химикаты. Синтетическая нить будет только доставлять эти химикаты к месту будущего распила. Именно такой метод разработали польские химики. Нить движется по поверхности распиливаемой заготовки с частотой 24 хода в минуту. В конце каждого хода продукты реакции растворителя с металлом удаляются, нить пропитывают свежей порцией, и она делает обратный ход. (Юный техник, 1965, № 8).

Пластмассовые ракеты

Оболочку двигателя ракет изготавливают из углепластика, наматывая на трубу; ленту из углеволокна, предварительно пропитанную эпоксидными смолами. После отверждения смолы и удаления вспомогательного сердечника получают трубу с содержанием углеволокна более двух третей, достаточно прочную на растяжение и изгиб, стойкую к вибрациям и пульсации. Остается начинить заготовку ракетным топливом, приладить к ней отсек для приборов и фотокамер, и можно отправлять ее в полет. (Compsites, 1981, 12, № 1).

Пластмассовый шлюз

На одном из каналов в районе Быгдощи установлен первый в Польше (а вероятно, и первый в мире) цельнопластмассовый шлюз. Работает шлюз безукоризненно.

Пластмассовые элементы рассчитаны на более чем 20-летний срок эксплуатационной службы. Конструкции же из дубовых балок приходилось менять каждые 6 лет. (Наука и жизнь, 1969, № 3).

Сварка без нагрева

Как прикрепить друг к другу две пластмассовые панели? Можно приклеить, но тогда необходимо оборудовать рабочее место системой вентиляции. Можно привинтить или приклепать, но тогда надо загодя сверлить отверстия. Можно приварить, если обе панели термопластичны, но и тут без вентиляции не обойтись, да к тому же из-за локальных перегревов соединение может оказаться продеструктировавшим и непрочным. Самый лучший способ и оборудование для него, разработала французская фирма "Брансон". Генератор ультразвука мощностью 3 кВт, частотой 20 кГц, "звуководы" - сонотроды - и все. Наконечник сонотрода, вибрируя, проникает сквозь верхнюю из скрепляемых деталей толщиной до 8 мм, погружается в нижнюю и увлекает за собой расплав верхнего полимера. Энергия ультразвуковых колебаний превращается в тепло лишь локально, получается точечная сварка. Тот же метод и то же оборудование годятся и для того, чтобы "замуровывать" в пластмассу различные крепежные и фурнитурные детали. Наиболее эффективно применение ультразвуковой сварки при производстве электроосветительной аппаратуры, деталей отделки автомобилей, вентиляционных систем в строительстве резервуаров, в авиапромышленности и т. д. Особенно рекомендуется ультразвуковая сварка при изготовлении изделий из полиолефинов, стирольных пластиков, полиамидов, поликарбонатов, различных виниловых и акриловых смол. (Offic. plast et caoutch., 1979, 26, № 275).

Полиуретаны против хулиганов

Это сообщение не нуждается в комментариях:

"Полиуретановые покрытия обладают высокой твердостью, долговечностью свыше 10 лет и хорошим глянцем. Их применение, возможно, позволит решить проблему долговечной окраски вагонов метрополитена Нью-Йорка. На таких покрытиях не удается писать и рисовать ни карандашом, ни фломастером, что значительно снижает затраты на уборку вагонов". (Mod. Paint and Coat, 1979, 69, № 11).

Универсальные пластмассы

Оригинальную точку зрения на практическое применение полимерных материалов, в частности в приборостроении, высказал недавно обозреватель английского журнала "Мир пластмасс".

По его мнению, все разнообразие требований к свойствам пластмасс можно удовлетворить восемью полимерами: АБС-сополимером, найлоном, фенольными смолами, полиэтиленом и полипропиленом, полиуретановым пенопластом и поливинилхлоридом.

Автор отметил, что отношение стоимости к объему в последнее время закономерно возрастает для всех материалов, но для синтетических органических полимеров этот рост идет медленнее, чем для стали, алюминия и стекла. Основными преимуществами пластмасс при их использовании в приборостроении автор считает:

1. Детали из полимерных материалов можно формовать без их последующей обработки, так как в процессе формования обеспечивается требуемая окраска и внешний вид готового изделия.

2. Конструктору предоставляется возможность разрабатывать детали со сложной конфигурацией при значительной экономии рабочего времени и стоимости.

3. Присущие полимерным материалам характеристики термических и электрофизических свойств предотвращают повреждение электрических приборов и уменьшают их теплоотдачу.

4. Благодаря легкому весу изделий из пластмасс сокращаются транспортные расходы и облегчается их применение.

Автор утверждает также, что наибольшее применение пластмассы получили в пяти группах приборов: в крупногабаритных конструкциях; бытовых электроприборах; радиоэлектронике; кондиционерах и увлажнителях. Именно для этих пяти групп, утверждает обозреватель, достаточно восьми основных полимеров, и тут же иллюстрирует это примерами новейших выставочных экспонатов холодильников, стиральных и посудомоечных машин, вентиляторов, пылесосов, радиоустановок, телевизоров, счетных машин, лабораторного оборудования и т. п., вплоть до домашних масловыжималок, тостеров и кофеварок. К сожалению, перечень полимеров, из которых изготовлены эти приборы, оказывается намного шире того восьмичленного списка, что приведен в начале обзора. Тут и ацетальные смолы, и разнообразные полиэфиры, и поликарбонат, и полифениленоксид и т. д., к тому же еще многие, как правило, не в чистом виде, а в составе композиций друг с другом и различными волокнистыми и порошкообразными наполнителями.