Главная Контакты Случайная статья Автоматизация Антропология Археология Архитектура Биология Ботаника Бухгалтерия Военная наука Генетика География Геология Демография Деревообработка Журналистика Зоология Изобретательство Информатика Искусство История Кинематография Компьютеризация Косметика Кулинария Культура Лексикология Лингвистика Литература Логика Маркетинг Математика Материаловедение Медицина Менеджмент Металлургия Метрология Механика Музыка Науковедение Образование Охрана Труда Педагогика Полиграфия Политология Право Предпринимательство Приборостроение Программирование Производство Промышленность Психология Радиосвязь Религия Риторика Социология Спорт Стандартизация Статистика Строительство Технологии Торговля Транспорт Фармакология Физика Физиология Философия Финансы Химия Хозяйство Черчение Экология Экономика Электроника Электротехника Энергетика
	Об­ра­баты­ва­емый ма­тери­ал. Твер­дость. Ско­рость ре­зания, мм/мин, инс­тру­мен­том, ос­на­щен­ным ⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2 Об­ра­баты­ва­емый ма­тери­ал	Твер­дость	Ско­рость ре­зания, мм/мин, инс­тру­мен­том, ос­на­щен­ным
ке­рами­кой	твер­дым спла­вом
Уг­ле­родис­тая сталь	150…250 НВ	250…300	100…200
Ле­гиро­ван­ная сталь	46…56 HRC	100…160	25…65
Се­рый чу­гун	120…240 НВ	300…400	100…200
Вы­сокоп­рочный чу­гун	160…300 НВ		50…100

Для из­го­тов­ле­ния ре­жуще­го инс­тру­мен­та ши­роко при­меня­ют ке­рами­ку на ос­но­ве ок­си­да алю­миния с до­бав­ка­ми ди­ок­си­да цир­ко­ния, кар­би­дов и нит­ри­дов ти­тана, а так­же на ос­но­ве бес­кисло­род­ных со­еди­нений — нит­ри­да бо­ра с ку­бичес­кой ре­шет­кой (b-BN), обыч­но на­зыва­емо­го ку­бичес­ким нит­ри­дом бо­ра, и нит­ри­да крем­ния Si₃N₄.

Ре­жущие эле­мен­ты на ос­но­ве ку­бичес­ко­го нит­ри­да бо­ра в за­виси­мос­ти от тех­но­логии по­луче­ния, вы­пус­ка­емые под наз­ва­ни­ями эльбор, бо­разон, ком­по­зит 09 и др., име­ют твер­дость, близ­кую к твер­дости ал­мазно­го инс­тру­мен­та, и сох­ра­ня­ют ус­тойчи­вость к наг­ре­ву на воз­ду­хе до тем­пе­рату­ры 1400°С. В от­ли­чие от ал­мазно­го инс­тру­мен­та ку­бичес­кий нит­рид бо­ра хи­мичес­ки инер­тен по от­но­шению к спла­вам на ос­но­ве же­леза. Его мож­но ис­пользо­вать для чер­но­вого и чис­то­вого то­чения за­кален­ных ста­лей и чу­гунов прак­ти­чес­ки лю­бой твер­дости.

Сос­тав и свойства ос­новных ма­рок ре­жущей ке­рами­ки при­веде­ны в табл. 9.4. Ре­жущие ке­рами­чес­кие плас­ти­ны ис­пользу­ют для ос­на­щения раз­личных фрез, то­кар­ных рез­цов, рас­точных го­ловок, спе­ци­ально­го инс­тру­мен­та.

Таблица 9.4. Свойства основных марок режущей керамики

Ке­рами­чес­кие дви­гате­ли.Из вто­рого за­кона тер­мо­дина­мики сле­ду­ет, что для по­выше­ния КПД лю­бого тер­мо­дина­мичес­ко­го про­цес­са не­об­хо­димо по­вышать тем­пе­рату­ру на вхо­де в энер­ге­тичес­кое пре­об­ра­зова­тельное ус­тройство: КПД = 1 - Т₂/Т₁, где Т₁, Т₂ — тем­пе­рату­ра со­от­ветс­твен­но на вхо­де и вы­ходе энер­ге­тичес­ко­го пре­об­ра­зова­тельно­го ус­тройства. Чем вы­ше тем­пе­рату­ра Т₁, тем больше КПД. Мак­си­мально до­пус­ти­мые тем­пе­рату­ры оп­ре­деля­ют­ся теп­лостойкостью ма­тери­ала. Конс­трук­ци­он­ная ке­рами­ка до­пус­ка­ет при­мене­ние бо­лее вы­соких тем­пе­ратур по срав­не­нию с ме­тал­лом и по­это­му яв­ля­ет­ся пер­спек­тивным ма­тери­алом для дви­гате­лей внут­ренне­го сго­рания и га­зотур­бинных дви­гате­лей. По­мимо бо­лее вы­соко­го КПД дви­гате­лей за счет по­выше­ния ра­бочей тем­пе­рату­ры дос­то­инс­твом ке­рами­ки яв­ля­ет­ся низ­кая плот­ность и теп­лопро­вод­ность, по­вышен­ная тер­мо- и из­но­сос­тойкость. Кро­ме то­го, при ис­пользо­вании ке­рами­ки сни­жа­ют­ся или ис­клю­ча­ют­ся рас­хо­ды на сис­те­му ох­лажде­ния.

Вмес­те с тем сле­ду­ет от­ме­тить, что в тех­но­логии из­го­тов­ле­ния ке­рами­чес­ких дви­гате­лей ос­та­ют­ся не­решен­ные проб­ле­мы. К ним преж­де все­го от­но­сят­ся проб­ле­мы обес­пе­чения на­деж­ности, стойкос­ти к тер­ми­чес­ким уда­рам, раз­ра­бот­ки ме­тодов со­еди­нения ке­рами­чес­ких де­талей с ме­тал­ли­чес­ки­ми и плас­тмас­со­выми.

На­ибо­лее эф­фектив­но при­мене­ние ке­рами­ки для из­го­тов­ле­ния ади­абат­ных пор­шне­вых дви­гате­лей, име­ющих ке­рами­чес­кую изо­ляцию, и вы­соко­тем­пе­ратур­ных га­зотур­бинных дви­гате­лей.

Конс­трук­ци­он­ные ма­тери­алы ади­абат­ных дви­гате­лей дол­жны быть ус­тойчи­вы в об­ласти ра­бочих тем­пе­ратур 1300…1500 К, иметь проч­ность при из­ги­бе не ме­нее 800 МПа и ко­эф­фи­ци­ент ин­тенсив­ности нап­ря­жений не ме­нее 8 МПа×м^1/2. Этим тре­бова­ни­ям в на­ибольшей ме­ре удов­летво­ря­ют ке­рами­ки на ос­но­ве ди­ок­си­да цир­ко­ния и нит­ри­да крем­ния. Ос­новные ра­боты по ке­рами­чес­ким дви­гате­лям про­водят­ся в Япо­нии и США. Фир­ма Isuzu Motor (Япо­ния) ос­во­ила из­го­тов­ле­ние фор­ка­меры и кла­пан­но­го ме­ханиз­ма ади­абат­но­го дви­гате­ля, Nissan Motor (Япо­ния) — крыльчат­ки тур­бо­ком­прес­со­ра, Mazda Motor (Япо­ния) — фор­ка­меры и пальца тол­ка­теля.

Ком­па­ния Cummins (США) ос­во­ила альтер­на­тив­ный ва­ри­ант дви­гате­ля гру­зови­ка с плаз­менны­ми пок­ры­ти­ями из ди­ок­си­да цир­ко­ния, на­несен­ны­ми на дни­ще пор­шня, внут­реннюю по­вер­хность ци­лин­дра, впус­кные и вы­пус­кные ка­налы. Эко­номия топ­ли­ва на 100 км пу­ти сос­та­вила бо­лее 30%.

Фир­ма Isuzu Motor со­об­щи­ла об ус­пешной раз­ра­бот­ке ке­рами­чес­ко­го дви­гате­ля, ра­бота­юще­го на бен­зи­не и ди­зельном топ­ли­ве. Дви­гатель раз­ви­ва­ет ско­рость до 150 км/ч, ко­эф­фи­ци­ент пол­но­ты сго­рания топ­ли­ва на 30…50% вы­ше, чем у обыч­ных дви­гате­лей, а мас­са на 30% меньше.

Конс­трук­ци­он­ной ке­рами­ке для га­зотур­бинных дви­гате­лей в от­ли­чие от ади­абат­ных не тре­бу­ет­ся низ­кая теп­лопро­вод­ность. Учи­тывая, что ке­рами­чес­кие де­тали га­зотур­бинных дви­гате­лей ра­бота­ют при бо­лее вы­соких тем­пе­рату­рах, они дол­жны сох­ра­нять проч­ность на уров­не 600 МПа при тем­пе­рату­ре 1470…1670 К (в пер­спек­ти­ве 1770…1920 К) при плас­ти­чес­кой де­фор­ма­ции не бо­лее 1% за 500 ч ра­боты. В ка­чес­тве ма­тери­ала для та­ких от­ветс­твен­ных де­талей га­зотур­бинных дви­гате­лей, как ка­мера сго­рания, де­тали кла­панов, ро­тор тур­бо­ком­прес­со­ра, ста­тор, ис­пользу­ют нит­ри­ды и кар­би­ды крем­ния, име­ющие вы­сокую теп­лостойкость.

По­выше­ние так­ти­ко-тех­ни­чес­ких ха­рак­те­рис­тик ави­аци­он­ных дви­гате­лей не­воз­можно без при­мене­ния ке­рами­чес­ких ма­тери­алов.

Ке­рами­ка спе­ци­ально­го наз­на­чения. К ке­рами­ке спе­ци­ально­го наз­на­чения от­но­сят­ся сверх­про­водя­щая ке­рами­ка, ке­рами­ка для из­го­тов­ле­ния кон­тейне­ров с ра­ди­оак­тивны­ми от­хо­дами, бро­невой за­щиты во­ен­ной тех­ни­ки и теп­ло­вой за­щиты го­лов­ных час­тей ра­кет и кос­ми­чес­ких ко­раб­лей.

Кон­тейне­ры для хра­нения ра­ди­оак­тивных от­хо­дов. Од­ним из сдер­жи­ва­ющих фак­то­ров раз­ви­тия ядер­ной энер­ге­тики яв­ля­ет­ся слож­ность за­хоро­нения ра­ди­оак­тивных от­хо­дов. Для из­го­тов­ле­ния кон­тейне­ров при­меня­ют ке­рами­ку на ос­но­ве ок­си­да бо­ра B₂O₃ и кар­би­да бо­ра В₄С в сме­си с ок­си­дом свин­ца РbO или со­еди­нени­ями ти­па 2Pb—PbSO₄. Пос­ле спе­кания та­кие сме­си об­ра­зу­ют плот­ную ке­рами­ку с ма­лой по­рис­тостью. Та­кая ке­рами­ка ха­рак­те­ризу­ет­ся сильной пог­ло­ща­ющей спо­соб­ностью по от­но­шению к ядер­ным час­ти­цам — нейтро­нам и g-кван­там.

Уда­роп­рочная бро­невая ке­рами­ка. Впер­вые бро­невая ке­рами­ка бы­ла ис­пользо­вана в ави­ации ар­мии США во вре­мя войны во Вьет­на­ме. С тех пор неп­ре­рыв­но рас­тет при­мене­ние ар­ми­ями раз­ных стран бро­ни из ке­рами­ки в ком­би­нации с дру­гими ма­тери­ала­ми для за­щиты су­хопут­ных бо­евых ма­шин, ко­раб­лей, са­моле­тов и вер­то­летов. По раз­ным оцен­кам, рост при­мене­ния бро­невой ке­рами­чес­кой за­щиты сос­тавля­ет 5…7% в год. Од­новре­мен­но наб­лю­да­ет­ся рост про­из­водс­тва ком­по­зици­он­ной бро­ни для ин­ди­виду­альной за­щиты сил ох­ра­ны пра­вопо­ряд­ка, обус­ловлен­ный рос­том прес­тупнос­ти и ак­тов тер­ро­риз­ма.

По сво­ей при­роде ке­рами­чес­кие ма­тери­алы яв­ля­ют­ся хруп­ки­ми. Од­на­ко при вы­сокой ско­рос­ти наг­ру­жения, нап­ри­мер в слу­чае взрыв­но­го уда­ра, ког­да эта ско­рость пре­выша­ет ско­рость дви­жения дис­ло­каций в ме­тал­ле, плас­ти­чес­кие свойства ме­тал­лов не бу­дут иг­рать ни­какой ро­ли и ме­талл бу­дет та­ким же хруп­ким, как и ке­рами­ка. В этом кон­крет­ном слу­чае ке­рами­ка су­щес­твен­но проч­нее ме­тал­ла.

Важ­ны­ми свойства­ми ке­рами­чес­ких ма­тери­алов, обус­ло­вив­ших их при­мене­ние в ка­чес­тве бро­ни, яв­ля­ют­ся вы­сокие твер­дость, мо­дуль уп­ру­гос­ти, тем­пе­рату­ра плав­ле­ния (раз­ло­жения) при плот­ности, в 2—3 ра­за меньшей по срав­не­нию с плот­ностью ме­тал­ли­чес­ких ма­тери­алов. Сох­ра­нение проч­ности при наг­ре­ве поз­во­ля­ет ис­пользо­вать ке­рами­ку для ку­муля­тив­ных сна­рядов.

В табл. 9.5 при­веде­ны ос­новные свойства ши­роко при­меня­емых уда­роп­рочных бро­невых ке­рами­чес­ких ма­тери­алов в срав­не­нии со свойства­ми бро­невой ста­ли.

На­ибо­лее вы­сокие за­щит­ные свойства име­ют ма­тери­алы на ос­но­ве кар­би­да бо­ра. Их мас­со­вое при­мене­ние сдер­жи­ва­ет­ся вы­сокой сто­имостью ме­тода прес­со­вания. По­это­му плит­ки из кар­би­да бо­ра ис­пользу­ют при не­об­хо­димос­ти су­щес­твен­но­го сни­жения мас­сы бро­невой за­щиты, нап­ри­мер, для за­щиты ав­то­мати­чес­ких сис­тем уп­равле­ния вер­то­летов, кре­сел эки­пажа и де­сан­та. Ке­рами­ку из ди­бори­да ти­тана, име­ющую на­ибольшую твер­дость и мо­дуль уп­ру­гос­ти, при­меня­ют для за­щиты от тя­желых бро­небойных и ку­муля­тив­ных тан­ко­вых сна­рядов.

Для мас­со­вого про­из­водс­тва ке­рами­ки на­ибо­лее пер­спек­ти­вен срав­ни­тельно де­шевый ок­сид алю­миния. Ке­рами­ку на его ос­но­ве ис­пользу­ют для за­щиты жи­вой си­лы, су­хопут­ной и мор­ской во­ен­ной тех­ни­ки.

По дан­ным фир­мы Morgan M. (США), плас­ти­на из кар­би­да бо­ра тол­щи­ной 6,5 мм или из ок­си­да алю­миния тол­щи­ной 8 мм ос­та­нав­ли­ва­ет пу­лю ка­либ­ром 7,62 мм, ле­тящую со ско­ростью бо­лее 800 м/с при выс­тре­ле в упор. Для дос­ти­жения то­го же эф­фекта стальная бро­ня дол­жна иметь тол­щи­ну 10 мм, при этом мас­са ее бу­дет в 4 ра­за больше, чем у ке­рами­чес­кой.

На­ибо­лее эф­фектив­но при­мене­ние ком­по­зици­он­ной бро­ни, сос­то­ящей из не­скольких раз­но­род­ных сло­ев. На­руж­ный ке­рами­чес­кий слой вос­при­нима­ет ос­новную удар­ную и теп­ло­вую наг­рузки, дро­бит­ся на мел­кие час­ти­цы и рас­се­ива­ет ки­нети­чес­кую энер­гию сна­ряда. Ос­та­точ­ная ки­нети­чес­кая энер­гия сна­ряда пог­ло­ща­ет­ся уп­ру­гой де­фор­ма­ци­ей под­ложки, в ка­чес­тве ко­торой мо­жет ис­пользо­ваться сталь, ду­ралю­мин или кев­ла­ровая ткань в нес­колько сло­ев. Эф­фектив­но пок­ры­тие ке­рами­ки лег­коплав­ким инер­тным ма­тери­алом, иг­ра­ющим роль сво­еоб­разно­го сма­зоч­но­го ма­тери­ала и нес­колько из­ме­ня­ющим нап­равле­ние ле­тяще­го сна­ряда, что обес­пе­чива­ет ри­кошет.

Ке­рами­ка в ра­кет­но-кос­ми­чес­ком ма­шинос­тро­ении. При по­лете в плот­ных сло­ях ат­мосфе­ры го­лов­ные час­ти ра­кет, кос­ми­чес­ких ко­раб­лей, ко­раб­лей мно­гора­зово­го ис­пользо­вания, наг­ре­ва­емые до вы­сокой тем­пе­рату­ры, нуж­да­ют­ся в на­деж­ной теп­ло­защи­те.

На рис. 9.2 по­каза­на за­виси­мость тем­пе­рату­ры наг­ре­ва го­лов­ных час­тей ле­тательных ап­па­ратов от ско­рос­ти их по­лета. Ма­тери­алы для теп­ло­вой за­щиты дол­жны об­ла­дать вы­сокой теп­лостойкостью и проч­ностью в со­чета­нии с ми­нимальны­ми зна­чени­ями ко­эф­фи­ци­ен­та тер­ми­чес­ко­го рас­ши­рения, теп­лопро­вод­ности и плот­ности.

Рис. 9.2.Примерная зависимость температуры лобовых поверхностей головных частей летательных аппаратов от скорости их полета:
1 — над уровнем моря; 2 — на высоте 12000 м над уровнем моря

Ис­сле­дова­тельский центр НА­СА США (NASA Armes Research Centre) раз­ра­ботал сос­та­вы теп­ло­защит­ных во­лок­нистых ке­рами­чес­ких плит, пред­назна­чен­ных для кос­ми­чес­ких ко­раб­лей мно­гора­зово­го ис­пользо­вания. Свойства плит не­кото­рых сос­та­вов при­веде­ны в табл. 9.6. Сред­ний ди­аметр во­локон — 3…11 мкм.

Таблица 9.6. Составы и свойства теплозащитных плит из волокнистой керамики для космических кораблей многоразового использования

Для по­выше­ния проч­ности, от­ра­жательной спо­соб­ности и аб­ля­ци­он­ных  ха­рак­те­рис­тик внеш­ней по­вер­хнос­ти теп­ло­защит­ных ма­тери­алов их пок­ры­ва­ют сло­ем эма­ли тол­щи­ной при­мер­но 300 мкм. Эмаль, со­дер­жа­щую SiC или 94% SiO₂ и 6% B₂O₃, в ви­де шли­кеpa на­носят на по­вер­хность, а за­тем под­верга­ют спе­канию при тем­пе­рату­ре 1470 К. Пли­ты с пок­ры­ти­ями ис­пользу­ют в на­ибо­лее наг­ре­ва­емых мес­тах кос­ми­чес­ких ко­раб­лей, бал­листи­чес­ких ра­кет и ги­пер­зву­ковых са­моле­тов. Та­кие пли­ты вы­дер­жи­ва­ют до 500 де­сяти­минут­ных наг­ре­вов в элек­тро­дуго­вой плаз­ме при тем­пе­рату­ре 1670 К. Ва­ри­ан­ты сис­те­мы ке­рами­чес­кой теп­ло­защи­ты ло­бовых по­вер­хнос­тей ле­тательных ап­па­ратов при­веде­ны на рис. 9.3.

Рис. 9.3.Системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов для диапазона рабочих температур 1260…1700°С:
1 — керамика на основе карбида кремния или нитрида кремния; 2 — теплоизоляция; 3 — спеченная керамика; q — тепловой поток

Вы­соко­порис­тый во­лок­нистый слой теп­ло­изо­ляции на ос­но­ве FRCI, А­ЕТВ или HTP за­щищен об­ли­цов­кой из слоя кар­би­да крем­ния. Об­ли­цовоч­ный слой пре­дох­ра­ня­ет теп­ло­изо­лиру­ющий слой от аб­ля­ци­он­но­го и эро­зи­он­но­го раз­ру­шения и вос­при­нима­ет ос­новную теп­ло­вую наг­рузку.