Глава 2. Машинобудівні матеріали та

АРГУМЕНТАЦІЯ ЇХНЬОГО ВИБОРУ

2.1. Короткі відомості про матеріали

Матеріали і термообробки деталей машин визначаються конструктивними міркуваннями, технологічними, тобто такими, що забезпечують можливість найефективнішого виготовлення деталей, враховуючи серійність та економічними.

Нині для виготовлення елементів машин застосовують широкий спектр матеріалів: сталі, чавуни, кольорові метали і стопи (сплави), неметалеві матеріали (пластмаса, ґума) та інші.

Сталі. Це залізовуглецеві сплави із вмістом вуглецю до 2%. В порівнянні з іншими матеріалами сталі мають високу міцність, пластичність, добре обробляються термічним, хемікотермічним та механічним способами.

За вмістом вуглецю сталі поділяються на маловуглецеві (С<0,25%), середньовуглецеві (С=0,250,6%) та багатовуглецеві (С>0,6%). Зі збільшенням вмісту вуглецю міцність зростає, а пластичність зменшується. В позначенні марки сталі середній вміст вуглецю у сотих долях відсотка показують перші дві цифри (наприклад, сталь 35 містить 0,35% С). Сталі містять природні домішки, а для поліпшення властивостей їх (механічних, корозійних, теплових та ін.) спеціально додають для леґування присадки: вольфрам /В/, марґанець /Г/, мідь /Д/, селен /Е/, молібден /М/, нікель /Н/, бор /Р/, кремній /С/, титан /Т/, ванадій /Ф/, алюміній /Ю/, кобальт /К/, хром /Х/, цирконій /Ц/. Леґівні присадки сталей у відсотках подаються цифрами після літери (наприклад, сталь 38Х2МЮА містить в середньому 0,38% вуглецю, 2% хрому, біля 1% молібдену, біля 1% алюмінію). За способом виробництва вуглецеві сталі поділяють на сталі звичайної якості і сталі якісні конструкційні, а леґовані сталі – на якісні, високоякісні (тоді в кінці марки сталі ставиться літера А, як у прикладі вище) та особливо високоякісні.

Термічна обро6ка сталей. Щоб надати сталі певних властивостей (високої міцності, пластичності і т. ін.), потрібно провести термічну обробку заготовок або готових деталей. Термообробка триступенева: нагрівання до потрібної температури з певною швидкістю, витримування при цій температурі на протязі потрібного часу і охолодження із заданою швидкістю.

Найпоширенішими є чотири процеси термообробки: відпал, нормалізація, гартόвання та відпуск.

Відпал – повільне охолодження (разом з піччю або на повітрі) після нагрівання і витримування при деякій температурі деталей чи заготовок.

Нормалізація відрізняється від повного відпалювання характером охолодження, яке після витримування здійснюють на повітрі. Її застосовують для одержання однорідної структури з більшою твердістю та міцністю, ніж при відпалюванні, для виправлення структури зварних швів, вирівнювання структурної неоднорідності поковок і виливків, а також для поліпшення оброблюваності різанням сталевих деталей.

Гартόвання – результат процесу гартування як термічної обробки, яку застосовують для підвищення міцності, твердості та стійкості проти спрацювання деталей машин. Відрізняється цей процес від повного відпалу і нормалізації високою швидкістю охолодження заготовок або деталей після нагрівання до температури перетворення та витримування при цій температурі.

Гартування буває загальне (об'ємне) і поверхневе. Об'ємне гартування проводиться по всьому об'єму деталі або на значну глибину, поверхневе – лише на незначну глибину поверхневого шару; нагрівання деталі, як правило, здійснюється струмами високої частоти (СВЧ).

Гартування надає сталі високої твердості, але збільшує її крихкість. Щоб позбутися крихкості, зняти внутрішні напруги, а також підвищити в'язкість серцевини деталей – застосовують відпуск.

Відпуск здійснюється нагріванням деталей до температури нижче інтервалу перетворень, витримуванням і наступним охолодженням для підвищення в'язких властивостей, зменшення термічних залишкових напруг і покращення оброблюваності різанням.

Поліпшення складається з двох операцій – гартування і високотемпературного відпуску. Застосовується для підвищення міцності деталей, зберігаючи або підвищуючи в'язкість.

Хеміко–термічна обробка полягає в насиченні поверхневих шарів деталей машин вуглецем (цементація), азотом (азотування або нітрування), одночасно вуглецем та азотом (ціанування або нітроцементація), бором (борування) та ін. Глибина насичення, як правило, 0,2÷1 мм.

Чавуни – залізовуглецеві стопи з більшим, в порівнянні зі сталлю, вмістом вуглецю, з покращеними ливарними властивостями та незначною пластичністю.

Сірий чавун є основним матеріалом, що використовується для литва. В ньому більша частина, або навіть весь вуглець знаходиться у вільному стані у вигляді пластинчастого графіту. Сірі чавуни використовуються переважно для деталей відносно складної конфіґурації, які потребують литої заготовки при відсутності жорстких вимог до ґабаритів і маси деталей, а також при невеликих швидкостях ковзання на поверхнях тертя.

Білі та відбілені чавуни. Білий чавун, що загартовується при литті і має весь вуглець у зв'язаному стані, характеризується високою твердістю, високою стійкістю проти спрацювання, жаростійкістю, високим опором корозії.

Ковкий чавун, який одержують відпалюванням білого чавуну, застосовують для деталей, що потребують за своєю формою литої заготовки, але допускають хоч би випадкову ударну навантагу. Назва "ковкий чавун" умовна. Заготовки з ковкого чавуну, як і з сірого, отримують тільки литтям; тиском ковкий чавун не обробляють. Ковкий чавун володіє добрими ливарними властивостями, високою міцністю, високим модулем пружності.

Стопи кольорових металів. Найбільше застосовуються у машинобудуванні мідні стопи. Це брондзи, у яких переважає вміст міді, та мосяжі, у яких переважає вміст цинку (до 50%).

Брондзи за основним, окрім міді, компонентом поділяють на цинові, олив'яні, алюмінєві, берилієві, кремнієві та ін. Брондзи, як правило, мають високі антифрикційні та технологічні властивості, стійкі проти корозії. Позначають їх сполученням літер Бр з доповненням позначень основних компонентів, крім міді (згідно міждержавних стандартів, ГОСТ) /А – алюміній, Б – берилій, Ж – залізо, К – кремній, Мц – марганець, Н – нікель, О – цина, С – оливо, Ц – цинк, Ф – фосфор/, і цифрами, що показують середній вміст відповідних компонентів у відсотках. Наприклад, Бр 010Ф1 позначає брондзу із вмістом в середньому 10% цини та 1% фосфору.

Мосяжі (латуні) – поділяють на подвійні /стопи Cu – Zn/ і складні, які додатково містять такі компоненти: оливо, кремній, марґанець, алюміній, залізо, нікель, цину. Мосяжі характеризуються доброю стійкістю проти корозій, електропровідністю, достатньою міцністю і особливо високими технологічними властивостями. Мосяжі позначаються літерою Л і мають позначення інших основних компонентів з числовими значеннями середнього вмісту у відсотках міді та інших компонентів. В марках подвійних мосяжів вказують лише одну цифру, яка відповідає вмісту міді, наприклад Л59.

Баббіти – стопи на основі м’яких металів (цини, олива, кальцію), що застосовують як високоякісні антифрикційні вальницеві матеріали малої твердості, які допускають роботу зі значними швидкостями і тисками. Баббіти поділяють на такі групи: 1) високоцинові – стоп цини із сурмою і міддю (вміст цини більше 70%); 2) циново-олив’яні /містять 5÷20% цини, біля 15% сурми і 65÷75% олива; 3/ олив’яні, які містять більше 80% олива. Баббіти позначаються літерою Б і цифрою, що показує вміст цини у відсотках, або замість цифри містять літеру, яка характеризує додатковий компонент /Н – нікель, Т – телур, К – кальцій, С – сурма/.

Алюмінієві стопи, як деформівні, в порівнянні з ливарними вміщують меншу кількість леґівних компонентів і володіють кращими пластичними властивостями. Основне застосування має дюралюміній: стоп Al-Cu-Mg-Mn.

Біметали – металеві матеріали, що складаються з двох або більше шарів, наприклад зі сталі і кольорового стопу. Біметали задовільняють різні вимоги до серцевини виробів і до поверхневих шарів (наприклад, корозійної стійкості і антифрикційних властивостей).

Композиційні металічні матеріали, які становлять композиції з високоякісних волокон і основи (матриці) – з м'яких металів, зокрема алюмінію. Композиційні матеріали застосовують на металічній, полімерній і керамічній основах. В металічних композиційних матеріалах застосовують тонкі волокна вуглецю, бору, сапфіру Al₂O₃, карбіду кремнію, а також тонкий сталевий дріт. Основним недоліком композиційних матеріалів є зниження ефективності при складному напруженому стані.

Пластичні маси – це матеріали на основі високомолекулярних органічних сполук, які у певній фазі свого виробництва мають пластичність, що дозволяє формувати вироби.

Термореактивні шаруваті пластмаси. Текстоліт – шаруватий матеріал з наповнювачем із бавовнопаперової тканини, випускається у вигляді листів, плит, труб та ін. Текстоліт має високу міцність і стійкість проти спрацювання, а також електроізолювальні властивості.

Гетинакс – шаруватий матеріал з наповнювачем листів паперу, випускається у вигляді листів, плит, труб і т.ін. За своїми механічними властивостями поступається текстоліту.

Термореактивні композитні пластмаси: фенопласти (основа – фенолформальдегідна смола, наповнювач – деревинна чи кварцева мука/; текстолітовий дрібняк /наповнювач – обрізки тканини/; волокніт /наповнювач – рослинні волокна/.

Термопластичні матеріали. Орґанічне скло /яке не б’ється/ – прозора пластмаса, яка випускається у вигляді листів.

Поліетилен, що одержується в результаті полімеризації ґазу ацетилену – твердий рогоподібний матеріал, має вигляд парафіну. Виробляють з нього труби, ізоляції кабелів, листові та плівкові покриття, тонкі плівки.

Ґума – матеріал на основі натурального чи синтетичного каучуку, володіє особливими властивостями. Тверду ґуму, що вміщує 40÷60% сірки, називають ебонітом.

Графіт володіє доброю електро- і теплопровідністю, високою теплостійкістю, внаслідок чого він широко застосовується у промисловості.

Кераміка – полікристалічні матеріали на основі сполук неметалів один з одним чи з металами (металокераміка), отримувані спіканням з порошків. Дуже перспективний процес. Має велике майбутнє. Це показує досвід автомобілебудування Японії.