Технология изготовления изделий из порошков (порошковая металлургия). Пластики и керамика
Раздел. Технологии получения современных материалов.
Темы урока. 1. Технология изготовления изделий из порошков (порошковая металлургия). 2. Пластики и керамика.
Тип урока. Комбинированный.
Цели урока. По теме 1: организовать деятельность обучающихся по ознакомлению с технологией изготовления изделий из порошков; по теме 2: организовать деятельность обучающихся по ознакомлению с современными многофункциональными материалами; обучить школьников выполнять поиск в Интернете и других источниках информации о предприятиях региона проживания, использующих современные материалы и технологии их обработки.
Технологии получения современных материалов
Что такое материал? Материал — это вещество (смесь веществ), которое используется для изготовления продукции, строительства или создания каких-либо материальных благ. В отличие от сырья под материалами обычно понимают продукты, прошедшие предварительную (промышленную) обработку.
Материалы могут быть основными и вспомогательными. Основными называют материалы, входящие в состав готовой продукции в виде её главной составляющей (например, мука при производстве хлебобулочных изделий). Вспомогательными называют материалы, которые применяются для придания продукту определённых свойств (соль, красители) либо способствуют нормальному протеканию производственного процесса.
§1. Технология изготовления изделий из порошков (порошковая металлургия)
В современном мире возникла необходимость создания изделий с особыми свойствами, которые невозможно получить с помощью известных технологий обработки материалов. Для решения этой задачи была создана порошковая металлургия.
Порошковая металлургия — технология получения металлических порошков и изготовления изделий из них (или их сочетаний с неметаллическими порошками).
Элементы порошковой металлургии существовали ещё в Египте в III в. до н. э., где из порошков золота создавали украшения нужной формы.
В настоящее время данная технология позволяет получать высокоточные изделия из комбинации материалов, которые не смешиваются в обычных условиях, причём эти изделия обладают заранее заданными человеком свойствами (механическими, магнитными и др.). Кроме того, можно создать изделие, имеющее очень сложную форму, которую нельзя получить никакими другими технологическими операциями.
В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из четырёх основных этапов:
1) производство порошков: металлические порошки изготавливают измельчением металлов в специальных мельницах, распылением жидких металлов в среде газа, химическими методами и др.;
2) смешивание: порошки тщательно смешивают до получения однородной смеси;
3) формование: порошок засыпают в стальную пресс-форму, имеющую форму готовой детали, прессуют под большим давлением, в результате чего частички порошка плотно сцепляются друг с другом, и из формы достают готовую деталь;
4) спекание: спрессованные детали нагревают в печи при температуре ниже температуры плавления металла, после чего готовая деталь приобретает необходимую прочность и другие свойства.
Иногда применяют дополнительные операции: механическую, термическую или химическую обработку, пропитку смазками и др.
Широкое распространение получила металлокерамика — искусственный материал, представляющий собой соединение металлов (или сплавов) с неметаллами (керамикой). Металлокерамические изделия объединяют важные конструкционные и эксплуатационные свойства металлов и неметаллов. Твёрдые сплавы, полученные на этой основе, обладают повышенной прочностью и износостойкостью, благодаря чему их применяют для обработки металлов резанием (рис. 1), бурения горных пород и др.
Жаростойкость металлокерамики позволяет применять её в тормозных устройствах самолётов, автомобилей и других машин, так как при торможении выделяется много тепла.
Другим примером металлокерамики, полученной спеканием порошков из смеси металла (железа, бронзы и др.) и графита, могут служить пористые (имеющие мелкие отверстия — поры) самосмазывающиеся подшипники, хорошо удерживающие смазку (рис. 2). При изготовлении их пропитывают маслом, которое во время работы подшипников выдавливается из пор и смазывает трущиеся поверхности деталей. Такой же метод смазки применяют и в современных швейных машинах.
Изделия порошковой металлургии сегодня используют в различных отраслях: ракетостроении, авиастроении, автомобилестроении, транспортном и химическом машиностроении, приборостроении, турбостроении, при строительстве ядерных реакторов и др.
В настоящее время созданы пористые металлические сплавы, способные изменять свою форму под действием температуры или магнитного поля.
Таким образом, порошковая металлургия позволяет создавать многофункциональные материалы, удовлетворяющие возрастающие потребности людей.
Видео - институт порошковой металлургии
Запоминаем опорные понятия
Материал основной, вспомогательный, порошковая металлургия, металлокерамика.
Самостоятельная работа
Подготовка к образовательному путешествию (экскурсии). Выясните, выполнив поиск в Интернете и других источниках информации, какие предприятия вашего города (региона проживания) используют современные материалы и технологии их обработки. Выберите предприятие, на которое можно совершить экскурсию, чтобы ознакомиться с применяемыми на нем технологиями. Сохраните информацию в форме описания, фотографий и др.
Ответьте на вопросы
1. Чем основной материал отличается от вспомогательного?
2. Что такое порошковая металлургия?
3. Где применяется металлокерамика?
Технологии получения современных материалов
§2. Пластики и керамика
Пластики и керамику называют современными многофункциональными материалами из-за широкого их применения во многих областях человеческой деятельности.
Пластики
В 5 и 6 классах вы кратко ознакомились с искусственными материалами — пластмассами.
Пластики, или пластмассы (пластические массы) — это органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение нашли пластмассы на основе синтетических полимеров.
Синтетическими полимеры называют потому, что их получают с помощью технологий синтеза (синтез — процесс соединения веществ в единое целое) определённых химических веществ.
Полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Термореактивные полимеры при нагреве не плавятся, а разрушаются.
Кроме полимера, пластмассы содержат наполнители (для придания пластмассе таких свойств, как прочность и термостойкость), пластификаторы (для повышения пластичности материала) и красители (для окрашивания пластмасс в разные цвета).
Способ производства пластмасс был открыт учёными-химиками в середине XIX в. В настоящее время во многих областях деятельности человека недорогие пластмассы заменили дорогостоящие металлы и другие материалы (рис. 3).
Наиболее распространённой технологией получения изделия из пластмассы является технология литья под давлением, которая заключается в том, что расплавленная пластмасса впрыскивается в металлическую пресс-форму и при остывании образует готовую деталь.
Достоинством пластмасс является меньший, чем у металлов, вес, они не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и растворителей, не оказывают вредного воздействия на человека. Однако, многие пластмассы являются более хрупкими и менее прочными, чем металлы.
Благодаря полезным свойствам пластмассы широко применяют в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении и в быту.
Из-за широкого распространения пластмасс в мире возникла проблема утилизации их отходов, которые обязательно должны перерабатываться, поскольку при сжигании пластика выделяются токсичные вещества, а разлагается пластик в течение 100-200 лет.
В 1988 г. была введена система международных универсальных кодов переработки пластмасс (табл. 1).
Таблица 1
Международные универсальные коды переработки пластмасс
| Значок маркировки пластмассы | Название | Примечание |
 | ПЭТ, ПЭТФ (полиэтилентерефталат) | Используется для производства тары для безалкогольных напитков, фруктовых соков и др. |
 | ПЭНД (полиэтилен низкого давления) | Применяется для производства бутылок, фляг, полужёсткой упаковки. Считается безопасным для пищевого использования |
 | ПВХ (поливинилхлорид) | Используется для производства труб, садовой мебели, оконных профилей, тары для моющих средств. Является потенциально опасным для пищевого использования |
 | ПЭВД (полиэтилен высокого давления) | Применяется для производства мусорных мешков, пакетов, плёнки и гибких ёмкостей. Считается безопасным для пищевого использования |
 | ПП (полипропилен) | Используется в автомобильной промышленности, при изготовлении игрушек, а также в пищевой промышленности, в основном для упаковок. Распространены полипропиленовые трубы для водопроводов. Считается безопасным для пищевого использования |
 | ПС (полистирол) | Используется при изготовлении плит теплоизоляции зданий, упаковок, посуды, ручек и др. Является потенциально опасным, особенно в случае горения, поскольку содержит стирол |
 | Прочие | К этой группе относится любой другой пластик, который не может быть включён в предыдущие группы. В основном это поликарбонат, который может содержать опасные для человека вещества |
Сегодня на базе пластиков создано углеродистое волокно, в 15 раз превосходящее по прочности самую лучшую сталь. Для этого изготовленное на основе целлюлозы вискозное волокно смешивают с синтетическими волокнами, искусственными смолами, другими высокомолекулярными соединениями и нагревают до высокой температуры в среде инертных газов. Получившееся волокно содержит более 85 % углерода, откуда и происходит его название. Благодаря прочности, устойчивости к воздействию высоких температур и химических веществ его используют в авиастроении, также из него изготавливают изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жёсткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь, защитные костюмы.
Керамика
Керамические изделия (керамику) получают из порошка, состоящего из соединений металлов с кислородом, азотом или углеродом, уплотнённого в пресс-форме и нагретого до 2000 °C в специальной печи. Детали из керамики, в отличие от металлов, могут выдерживать сильный нагрев, не теряя прочности, поэтому их стали широко использовать в двигателях внутреннего сгорания, установленных на современных автомобилях (клапаны, поршни, толкатели, шарики для шарикоподшипников и др.) (рис. 4). Причём эти детали легче стальных. Кроме того, керамика отличается высокой твёрдостью и стойкостью к истиранию. Учёными успешно испытан в лабораторных условиях полностью керамический двигатель, работающий при очень высоких температурах.
В металлообработке режущие инструменты с пластинами из корундовой керамики (корунд — искусственно синтезированный очень твёрдый минерал) легко обрабатывают высокопрочные стали.
В электротехнике и электронике керамические материалы используют для изготовления изоляторов, конденсаторов, для монтажа микропроцессоров, а также во многих полупроводниковых приборах.
В атомной энергетике керамику применяют вместо металлов в ядерных реакторах, где рабочие температуры слишком высоки для металлов.
Высокотехнологичная керамика, которая использовалась в космической индустрии, стала применяться в стоматологии при зубном протезировании. Эта керамика прочней обычного пломбировочного материала, имеет высокую биологическую совместимость с организмом человека, обладает идеально гладкой поверхностью.
В настоящее время в домашнем обиходе всё чаще появляются керамические ножи, овощечистки и др., имеющие лезвия, изготовленные на основе диоксида циркония (рис. 5). Лезвия таких кухонных инструментов не ржавеют и долго не требуют заточки, но очень чувствительны к ударам и падениям. Ножом нельзя резать на твёрдой поверхности во избежание выкрашивания режущей кромки.
Рис. 5. Керамические ножи: а — для нарезания продуктов; б — для чистки овощей
Биоматериалы — это синтетические или естественные материалы, используемые в медицине. Биоматериалы применяют для улучшения качества и продолжительности жизни человека путём замены повреждённых участков его организма: отдельных органов и тканей, которые по разным причинам утратили способность выполнять возложенные на них функции. В настоящее время биоматериалы используют для лечения, восстановления и замены более 40 различных частей человеческого тела, включая кожные покровы, мышечную ткань, кровеносные сосуды, нервные волокна, костную ткань. На смену металлическим биоматериалам пришли биокерамические материалы (биокерамика) и синтетические полимеры, которые обладают необходимой биологической совместимостью с человеческими органами.
Знакомимся с профессиями
Литейщик пластмасс — специалист, занимающийся изготовлением деталей из пластмасс. Он готовит материал для литья по рецептуре, устанавливает пресс-формы, настраивает механизмы на заданный режим литья, контролирует режим и процесс литья по измерительным приборам, определяет качество литья, устраняет неполадки в работе литьевой машины.
Практическая работа № 1
Подготовка к образовательному путешествию
1. Сделайте информационное сообщение о подготовке к образовательному путешествию на предприятие, где применяются современные материалы (по результатам самостоятельной домашней работы). Сравните результаты вашего поиска информации с результатами одноклассников.
2. Выберите маршрут и составьте в рабочей тетради перечень того, на что следует обратить внимание при исследовании работы выбранного предприятия: вид производственного помещения, выпускаемая продукция, применяемые технологии, используемые современные материалы, оборудование и инструменты, транспортные средства, специальности работников и др.
Запоминаем опорные понятия
Пластики (пластмассы), технология синтеза, термопластичные и термореактивные полимеры, углеродистое волокно, керамика, биоматериалы (биокерамика).
Домашнее задание.
§ 1,2
Ответьте письменно на вопросы
1. Что, кроме полимеров, содержится в составе пластмасс?
2. Чем термопластичные пластмассы отличаются от термореактивных?
3. Назовите области применения промышленной керамики.
Комментариев нет:
Отправить комментарий