Выбор материала и термообработки

Выбор материалов и термообработки деталей машин определяется:

а) необходимостью обеспечения требуемой надежности деталей в течении заданного срока службы при заданных требованиях к габаритам;

б) экономическими факторами и условиями изготовления.

Стоимость материалов составляет 60-75% стоимости машины.

Основными конструкционными материалами для изготовления деталей машин являются стали , чугуны, цветные металлы и их сплавы, пластмассы. В последнее время все большее применение находят современные композиционные и порошковые материалы.

Конструкционные стали, по сравнению с другими машиностроительными материалами, характеризуется высокой прочностью, пластичностью, способностью хорошо воспринимать термическую и химико-термическую обработку.

Сталью называют сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Естественно, для изготовления деталей машин применяется конструкционная сталь, она делится на углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь в зависимости от химического состава и свойств делится на сталь общего назначения (ГОСТ 380-89) и качественную сталь (ГОСТ1050-89).

Сталь углеродистая обыкновенного качества марок Ст0...Ст6 применяют для термически необработанных деталей - это крепежные детали (например, заклепки и др.) и неответственные детали, работающие при малых нагрузках. В обозначении марок буквы Ст - сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств.

Сталь углеродистая качественная конструкционная 10, 20, 30, 40, 45 и др. получила широкое распространение в машиностроении. Ее применяют для деталей машин, подвергаемых термообработке. В обозначении марок двузначное число показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. По содержанию углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.

Для производства стальных отливок применяют литейные стали: Сталь 15Л…35Л ГОСТ 977-75.

Легированную конструкционную сталь применяют для особо ответственных деталей машин, где наряду с высокой прочностью требуется компактность или небольшая масса, а так же предъявляются специальные требования жаропрочности, корозионностойкости и т.д. Легированную сталь маркируют цифрами и буквами, обозначающими тот или иной легирующий элемент. Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, цифра после буквы, обозначающей легирующий элемент, говорит о содержании его в целых процентах. Если такой цифры нет, то значит содержание легирующего элемента - около одного процента.

Легированные конструкционные стали разделяют на качественные, высококачественные и особо высококачественные (ГОСТ 4543-71). Легированные стали дополнительно обозначают буквами, указывающими легирующие элементы: В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, М – молибден, Н – никель, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Х – хром, Ф – ванадий, Ю – алюминий. Высококачественные легированные стали дополнительно отмечают буквой А в конце обозначения.

Например: 12ХН3А – высококачественная сталь, содержание: углерода ~0,12%; хрома ~1,0%; никеля ~1,0%.

Конструкционные стали углеродистые и легированные по содержанию углерода и по способности воспринимать термическую обработку разделяют на:

низкоуглеродистые – содержание углерода менее 0,25%;

среднеуглеродистые – содержание углерода от 0,25 до 0,60%;

высокоуглеродистые – содержание углерода более 0,60%.

Отдельную группу составляют стали специального назначения:

– шарикоподшипниковые ШХ15 ГОСТ 801-78,

– рессорнопружинные сталь 65Г ГОСТ 9389-75.

Для повышения механических и других свойств стали широко применяют термическую (отжиг, нормализация, улучшение, закалка и отпуск), химико-термическую обработку (цементацию, азотирование, цианирование и т.п.), механическое упрочнение и др.

Чугуны, как и стали, также являются сплавами железа и углерода: но углерода в них более 2,14 %.

Серый чугун (СЧ) - основной литейный машиностроительный материал. Из этого чугуна отливают детали сложной конфигурации, например, станины станков, корпуса редукторов, блоки цилиндров и т.п. Стандартные марки чугунов: СЧ10, СЧ15,...,СЧ35 (ГОСТ 1412-85), где 15 кгс/мм² (Мпа) – временное сопротивление при растяжении.

Высокопрочный чугун (ВЧ) применяют как заменитель стали и серого чугуна. Применяют в станкостроении (станины, шпиндели и др.), для прокатного и кузнечнопрессового оборудования. Стандартные марки чугунов: ВЧ35, ВЧ40, ..., ВЧ100 ГОСТ 7293-83.

Ковкий чугун (КЧ) применяют для деталей, требующих по своей форме литой заготовки, но допускающих при работе случайные ударные нагрузки. Название "ковкий чугун" условное. Заготовки из ковкого чугуна, так же как и из серого, получают только отливкой. Стандартные марки чугунов: КЧ35, КЧ50 и др.

В условном обозначении марок чугунов СЧ, ВЧ и КЧ цифры показывают минимальное значение предела прочности при растяжении.

Антифрикционный чугун применяют в подшипниковых узлах трения, например вкладыши подшипников скольжения для работы в паре с закаленными или нормализованными. Обозначение марок: антифрикционного чугуна: серого - например, АЧС-3; высокопрочного - АЧВ - 1; ковкого - АЧК - 2 (цифра - порядковый номер марки чугуна).

Бронзы - сплавы меди с оловом, свинцом, алюминием, железом и другими металлами (кроме цинка). Обладает высокими антифрикционными и антикоррозионными свойствами (вкладыши подшипников скольжения, червячные колеса, гайки грузовых и ходовых винтов и т.п.). Бронзы разделяют по содержанию в них основного легирующего элемента на оловянные БрО10Ф1 и др., алюминиевые БрА9ЖЗЛ и др., свинцовые БрС30 и др. Обозначение марки бронзы: буквы Бр - бронза, после следует буква, указывающая легирующий элемент и число, выражающее содержание этого элемента в процентах. Основными компонентами кроме меди: А – алюминий, Б – бериллий, Ж – железо, К – кремний, Мц – марганец, Н – никель, О – олово, С – свинец, Ц – цинк, Ф – фосфор.

Оловянистые бронзы: содержание олова 4¸12%. Применяют для деталей, работающих в сочетании с незакаленными поверхностями.

Свинцовые бронзы: содержание свинца 27¸33%, остальное медь. Применяют для изготовления деталей подшипников скольжения.

Алюминиевые бронзы с добавлением железа, а также иногда марганца и никеля. Применяют преимущественно как антифрикционный материал.

Стоимость бронзы превышает стоимость стали в среднем в десятки раз.

Латуни - сплавы меди с цинком. Обладают хорошим сопротивлением коррозии, антифрикционными свойствами, электропроводностью и хорошими технологическими свойствами. Применяют для изготовления проволоки, гильз, труб и т.п. Латунь свинцовую марки ЛЦ40С применяют для сепараторов подшипников качения, а алюминиево-железо-марганцевую латунь марки ЛЦ23А6Ж3Мц2 - для зубчатых и червячных колес.

Баббиты - сплавы на основе олова и свинца. Они обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошо прирабатываются. Применяют их для заливки вкладышей подшипников скольжения. Лучшими свойствами обладают высокооловянные баббиты марок Б89 и Б83, но они дороги (в десятки раз дороже качественной стали), поэтому для отливок вкладышей, втулок и т.п. применяют заменители баббитов, которыми могут быть цинковые антифрикционные сплавы, а также баббит с невысоким содержанием олова - Б 16. Обозначения: буква Б - баббит, а число после буквы означает содержание основного элемента в процентах.

Легкие сплавы - сплавы на основе алюминия, магния, титана и других элементов. Имеют плотность почти в три раза меньшую, чем стали, а удельная прочность примерно равна удельной прочности стали. Применяют во всех отраслях машиностроения, где особенно необходимо снижение массы (например, для корпусных и других деталей транспортных машин, авиационно-космической техники и т.п.).

Легкие сплавы делятся на литейные и деформируемые. Из алюминиевых литейных сплавов наиболее распространены силумины (АЛ2, АЛ4 и др.), т.е. сплавы, в которых кремния содержится до 20 %. Эти сплавы обладают высокими литейными свойствами и хорошо обрабатываются резанием. Из алюминиевых деформируемых сплавов основное применение имеют дуралюмины (Д1, Д16 и др.) - сплавы, содержащие алюминий, медь, магний и марганец. Заготовки деталей машин из этих сплавов получают обработкой давлением.

Пластмассы - это дешевый и легкий конструкционный материал, способный заменить черные и цветные металлы. Пластмассы обладают ценными свойствами: легкостью, высокой прочностью, тепло- и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью, антикоррозийностью и др. Кроме того, пластмассы обладают хорошими литейными свойствами. Это позволяет получить из них изделия почти любой сложной формы высокопроизводительными методами: литьем под давлением, штамповкой, прессованием, экструзией и т.п., с минимальными потерями материала.

К числу наиболее распространенных пластмасс относятся: текстолит, стеклопластики и древопластики, фенопласт, органическое стекло - плексиглас, фторопласт, капрон, нейлон и др. Их широко применяют во всех отраслях машиностроения для изготовления корпусных деталей, шкивов, вкладышей подшипников, фрикционных накладок, рукояток, маховичков, панелей, изоляторов, труб и т.д.

Композиционные материалы представляют сочетание металлической основы (матрицы) и упрочняющего наполнителя - например, высокопрочных волокон (бора, вольфрама, молибдена и др.), пропитанных расплавленными металлами (кобальтом, алюминием и т.д.). Варьируя компоненты и их объемное сочетание, получают материалы с высокими механическими характеристиками, жаропрочностью и другими свойствами. Композиционные армированные материалы но прочности и износостойкости значительно превосходят стали и высококачественные сплавы.

Композиционные материалы применяются на металлической, полимерной и керамической основе.

В металлических композиционных материалах применяют тонкие волокна углерода, бора, сапфира Аl₂О₃, карбида кремния Sil, а так же тонкую стальную проволоку, а матрицу составляют лёгкие сплавы, в часности –алюминий.

Композиционные материалы изготавливают:

-с непрерывными однонаправленными волокнами;

- с дискретными короткими однонаправленными волокнами;

- армированные тонкой проволокой;

- армированные сеткой.

Недостаток металлических композиционных материалов: понижение эффективности при сложном напряжённом состоянии.

Биметаллыпредставляют собой металлические материалы, состоящие из двух и более сплавов, например из стали и цветного сплава.

Биметаллические соединения изготавливаю отливкой, плакированием (совместной прокаткой), сваркой, пайкой и др. способами нанесения покрытий.

Порошковые материалы получают методом порошковой металлургии, сущность которой состоит в получении порошков металлов (а также их смесей с неметаллическими порошками), прессованием и последующим спеканием в пресс-формах деталей из них.

Резина – это материал на основе натурального или синтетического каучука.

Резина допускает армирование текстильными или стальными алиментами (тканями, шнурами, тросами), что позволяет обеспечить высокую несущую способность в одном направлении при сохранении гибкости в другом. Твёрдая резина с содержанием серы от 40 до 60% называется эбонитом.

Область применения: ремни, шины, рукава, элементы муфт, электротехнические изделия и т.д.