§ 1. Машиностроительные материалы

Выбор материала и термообработки деталей ма­шин определяется конструктивными соображениями (обеспе­чение надежности), технологическими (единичное, серийное, массовое производство) и экономическими.

Для изготовления деталей машин широко применяют ста­ли и чугуны, а также алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы.

Стали. Сталями называют железоуглеродистые сплавы с со­держанием углерода до 2 %. По сравнению с другими ма­териалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются термически, химико-тёрмически и ме­ханически.

Общая характеристика. В зависимости от содержания уг­лерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (С< 0,25 %), среднеуглеродистые (С = 0,25 .. 0,6%) и-высокоуглеродистые (С>0,6%). С увеличением содержания углерода возрастает прочность и снижается пластичность. В обозначении марки стали среднее содержание углерода в сотых долях процен­та показывают первые две цифры (например, сталь 45 со­держит 0,45 % углерода).

Для улучшения свойств (механических, коррозионных, теп­ловых и др.) сталей применяют легирующие присадки (в скобках указаны буквенные обозначения присадок в марке стали): вольфрам (В), марганец (Г), медь (Д), молибден (М), никель (Н), бор (Р), кремний (С), титан (Т), хром (X), ва­надий (Ф), алюминий (Ю). Процентное содержание в ста­ли легирующих присадок указывают цифрами после буквы (например, сталь 12Х2Н4А содержит в среднем 0,12 % уг­лерода, 2 % хрома и 4 % никеля). По способу производ­ства углеродистые стали подразделяют на стали обыкно­венного качества и стали качественные конструкционные, а легированные стали — на качественные, высококачественные (в конце обозначения марки стали содержится буква А, на­пример, 30ХГСА) и особо высококачественные.

Из углеродистых сталей обыкновенного качества для из­готовления неответственных деталей (корпусов, крепежа и др.) наиболее часто используют мартеновские стали, обозначаемые буквами Ст и номерами в порядке возрастания прочности (от СтО до Ст7, начиная со стали Ст4 номер соответ­ствует 0.1σ_{в min} ; σ_{в min} — минимальное значение предела проч­ности стали).

Легированные стали дороже углеродистых. Они, а также качественные углеродистые стали имеют высокую прочность (σ_в = 800 .. 1400 МПа) при массовой плотности ρ= 7,8 г/см³ и являются основными материалами для изготовления раз­личных ответственных деталей машин (зубчатых колес, ва­лов и т. п.).

Термическая обработка. Для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности и т. д.) выпол­няют термическую обработку заготовок или готовых деталей, которая состоит из трех последовательных стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, вы­держки при этой температуре в течение требуемого времени и охлаждения с заданной скоростью.

Наиболее распространены четыре процесса термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг, характеризуемый медленным охлаждением (вместе с печью или на воздухе) после нагрева и выдержки при некоторой температуре деталей и заготовок, проводят для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых легированных сталей, а также для снятия остаточных напряжений в кон­струкциях после сварки или предварительной (черновой) об­работки резанием. Для углеродистых и углеродистых леги­рованных сталей проводят полный отжиг — нагрев до тем­пературы, превышающей на 30 — 50 °С температуру превращения объемноцентрированной решетки железа в гранецентрированную кубическую решетку (обычно 800-900 °С), выдержку при этой температуре, медленное охлаждение до 400- 600 °С вместе с печью и далее на воздухе. Для низкоуглероди­стых высоколегированных сталей 12Х2Н4А, 20Х2Н4А и др., используемых для изготовления зубчатых колес, применяют низкотемпературный (высокий) отжиг при температуре 650-670 °С и медленное охлаждение (чаще всего на воздухе). Используют и другие виды отжига, которые отличаются от высокого отжига температурой нагрева и скоростью охлаж­дения.

Нормализация отличается от полного отжига ха­рактером охлаждения, которое после выдержки производят на воздухе. Ее применяют для получения однородной струк­туры с более высокой твердостью и прочностью, чем после отжига, для исправления структуры сварных швов, выравни­вания структурной неоднородности поковок и отливок, а также для улучшения обрабатываемости резанием сталей.

Закалка отличается от полного отжига и нормализа­ции высокой скоростью охлаждения заготовок или деталей после нагрева до температуры превращения и выдержки при этой температуре. Высокая скорость охлаждения достигается за счет использования в качестве охлаждающей среды воды, масла, водных растворов солей NaOH, NaCl и др. В ре­зультате металл приобретает мелкозернистую однородную структуру с высокой твердостью, прочностью, износостой­костью, коррозионной стойкостью, но пониженной пластич­ностью и более трудной обрабатываемостью резанием.

Закалку широко используют для обработки отливок, по­ковок, штамповок и обработанных деталей из средне- и вы­сокоуглеродистых и легированных сталей для получения высо­ких эксплуатационных характеристик.

Существует ряд разновидностей объемной закалки, отли­чающихся условиями и характером быстрого охлаждения.

Широко применяют поверхностную закалку - нагрев с боль­шой скоростью поверхностного слоя стальной детали (то­ками высокой частоты, электронным лучом и др.) выше тем­пературы превращений и последующее быстрое охлаждение с получением мелкозернистой структуры в поверхностном слое определенной толщины. При поверхностной закалке ко­робление (деформация) деталей меньше, чем при объемной.

Поверхностной закалке подвергают детали машин (зубья колес, кулачки, валы и др.), изготовленные из углеродистых и низколегированных сталей марок 40, 45, 50, 40Х, 40ХН, 45Х и др.

Высокая твердость и прочность поверхностных слоев дета­лей после поверхностной закалки обеспечивают им высокую износостойкость и контактную прочность.

Отпуск — нагрев до температуры ниже интервала превра­щений, выдержка и последующее охлаждение для повышения вязких свойств, уменьшения термических остаточных напря­жений и улучшения обрабатываемости резанием. Обычно при­меняют после закалки (нормализации) стальных отливок, по­ковок, проката и механически обработанных деталей.

В зависимости от температуры нагрева различают вы­сокий отпуск (температура нагрева 500 —670 °С), средний от­пуск (250-450 °С) и низкий отпуск (140-230 °С). С увеличением температуры нагрева повышается пластичность стали после отпуска.

Химико-термическая обработка. При химико-термической обработке изменяется химический состав поверхностных слоев деталей, что позволяет получить мелкозернистую структуру, высокую твердость, прочность и износостойкость деталей. Существует ряд способов такой обработки: цементация — насыщение поверхностных слоев стали углеродом; азоти­рование- насыщение азотом; цианирование- одновре­менное насыщение углеродом и азотом; борирование — насыщение бором и др. Глубина насыщения невелика, обыч­но 0,2 — 1 мм.

Цементации подвергают детали из низкоуглеродистых ле­гированных сталей 15, 20Х, 12Х2Н4А, 12ХНЗА, 18Х2Н4МА и др. Для изготовления азотируемых деталей обычно ис­пользуют стали 38Х2МЮА, 38Х2Ю и др., а для плани­руемых деталей — стали марок 15, 20, 45, 35Х, 40Х и др.

Чугуны. Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2 %. Чугуны имеют высокие литейные и невысокие пластические свойства в сравнении со сталями.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые, ковкие и серые.

Белый чугун, обладающий высокой твердостью и хруп­костью, обрабатывают резанием твердосплавным инструмен­том. Используют для изготовления тормозных колодок и дру­гих деталей, взаимодействующих с абразивом.

Ковкий чугун применяют для деталей, получаемых литьем, и не обрабатывают давлением из-за низкой пластичности. Он имеет высокую прочность (σ_в = 300 .. 630 МПа).

Серый чугун является основным литейным материалом в машиностроении. Его используют для изготовления де­талей сложной конфигурации при отсутствии жестких тре­бований к габаритам и массе (зубчатые колеса, валы, детали корпусов, шкивы ременных передач и т. д.). Имеет высо­кие литейные свойства, среднюю прочность (σ_в < 400 МПа), удовлетворительную износостойкость, высокую демпфирую­щую способность, хорошо обрабатывается резанием.

Серый чугун обозначается буквами СЧ и двухзначной цифрой, показывающей деленные приблизительно на 10 зна­чения предела прочности при растяжении в МПа (например, СЧ 15 означает серый чугун с пределом прочности при растяжении 150 МПа).

Наибольшее применение имеют чугуны СЧ15 и СЧ20, используемые для получения отливок средней прочности, их массовая плотность ρ= 7 г/см³.

Медные сплавы разделяют на латуни и бронзы.

Латуни подразделяют, в свою очередь, на двойные (спла­вы меди и цинка) и многокомпонентные (содержат допол­нительно свинец, кремний, марганец и др.).

Латуни имеют хорошие технологические свойства (обраба­тываются давлением, резанием, литьем), достаточную проч­ность (σ_в = 250 .. 350 МПа), хорошее сопротивление коррозии. Стоимость латуни в 5 раз и более превышает стоимость качественной стали.

Латунь в своем обозначении содержит букву Л, например, Л 59, Л62, Л90 и др.

В машиностроении основное применение имеют сложные латуни ЛКС80-3-3, ЛМцС58-2-2 и др., используемые в узлах трения, а также для изготовления арматуры и т. д.

Бронзы, кроме основы — меди, содержат компоненты, оп­ределяющие их наименование. Различают бронзы оловянистые, свинцовистые, алюминиевые, бериллиевые и др.

Бронзы имеют высокие антифрикционные свойства, корро­зионную стойкость и технологические свойства (имеются в ви­ду литейные бронзы и бронзы, обрабатываемые давлением — алюминиевые, бериллиевые, кремнистые и др.).

Являясь важнейшим и дорогостоящим (примерно в 10 раз дороже стали) антифрикционным материалом, бронзы широко применяют в подшипниках скольжения, в червячных и вин­товых колесах и др. Бронзы обозначают буквами Бр, буквами, показывающими наличие основных компонентов кроме меди (А — алюминий, Б — бериллий, Ж — железо, К — кремний, О — олово, Ц - цинк, Ф - фосфор и др.), и цифрами, показы­вающими среднее содержание в % соответствующих компо­нентов. Например, БрАЖ9 — А - это обозначение марки бронзы со средним содержанием алюминия 9 % и железа 4 %.

Баббиты — сплавы на основе олова, свинца и кальция явля­ются высококачественными хорошо прирабатывающимися ан­тифрикционными подшипниковыми материалами. Их обознача­ют буквой Б и цифрой, выражающей содержание в процентах олова, или буквой, показывающей дополнительный компонент.

Очень высокая стоимость баббитов (в 20 раз и более превышающая стоимость качественной стали) ограничивает области их использования.

Алюминиевые сплавы (литейные АЛ и деформируемые) име­ют плотность ρ = 2,6 .. 2,9 г/см³ (почти в 3 раза меньшую, чем стали) и удельную прочность, приблизительно равную удельной прочности стали.

Основными литейными сплавами являются сплавы с крем­нием - силумины (АЛ2, АЛ4, АЛ5, АЛ9 и др.), имеющие после закалки σ_в = 170 .. 250 МПа. Обладая высокими литей­ными свойствами и хорошей обрабатываемостью резанием, они широко применяются для изготовления сложных де­талей корпусов машин.

Деформируемые сплавы марок АМц, АМг и др. (терми­чески неупрочняемые), а также термически упрочняемые спла­вы алюминия с медью и магнием (дуралюмины Д1, Д16 и др.) имеют σ_в = 350 .. 430 МПа и используются для изготовле­ния обработкой давлением и резанием корпусов, трубопрово­дов, заклепок, сепараторов подшипников и других деталей машин (в особенности транспортных).

Магниевые сплавы. Основное применение благодаря малой плотности (ρ = 1,8 г/см³) и высоким литейным свойствам имеют литейные сплавы МЛ (МЛЗ, МЛ4, МЛ5 и др.), ко­торые после термообработки дают σ_в = 200 .. 230 МПа, σ_т = 150 ..180 МПа.

Их применяют для изготовления деталей корпусов агре­гатов.

Титановые сплавы. Сплавы титана с алюминием и медью и другими присадками (ВТЗ-1, ВТ5, ВТ9, ВТД6, ВТ22 и др.) имеют после термообработки высокую прочность (σ_в = 900 ..1300 МПа) и малую плотность (ρ = 4,5 г/см³), высокую коррозионную стойкость. Их используют для изготовления корпусов, трубопроводов, крепежных деталей, заклепок и дру­гих деталей изделий авиационно-космической техники, судо­строения, химической и пищевой промышленности.

Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекуляр­ных органических соединений (смол), являющихся связующи­ми. Они имеют 40-70% «несущих» компонентов (напол­нителя) в виде волокон (текстильных, стеклянных, асбесто­вых), ткани, бумаги, муки (древесной, минеральной) и др. Благодаря малой плотности (ρ = 1,1 .. 2,3 г/см³), высокой кор­розионной стойкости и сравнительно высокой прочности (σ_в = 60 .. 300 МПа) пластмассы применяют (часто взамен ме­таллов) для изготовления корпусов, червячных колес и т. д.

К числу наиболее распространенных материалов относятся:

а) термореактивные слоистые пластмассы: текстолит (на­полнитель — хлопчатобумажная ткань), гетинакс (наполни­тель — листы бумаги), асботекстолит, стеклопластики и древопластики;

б) термореактивные пластмассы (волокнит, фенопласт и др.),используемые для изготовления прессованием рукояток, шкивов, ступиц колес и других деталей изделий бытовой тех­ ники;

в) термопластичные пластмассы (органическое стекло — плексиглас, винипласт, фторопласт и др.) используются для изготовления стекол, труб, защитных пленок и др.;

г) полиамиды (капрон, найлон и др.) применяют для формовки деталей сложной конфигурации (ремни, зубчатые колеса и др.).

Резина. Материал на основе натурального или искусствен­ного каучука имеет высокую упругую податливость (малую жесткость), хорошо гасит колебания, сопротивляется истира­нию и т. д.

В зависимости от назначения резина изготовляется мяг­кой (для шин), пористой (для амортизаторов) и жесткой (эбонит — для изготовления электротехнических изделий).

Для повышения несущей способности резинотехнических изделий их «армируют» текстильными или стальными элементами (тканью, шнурами, лентой). Такую резину используютдля изготовления автопокрышек, ремней, рукавов и др.