Глава 2. Выбор материала детали
Шатуны изготовляют коваными или штампованными из качественной или легированной стали круглого, овального или двутаврового сечения, которое обеспечивает достаточную жесткость при меньшей массе.В двигателе шатун подвергается воздействию значительных переменных нагрузок, изменяющихся от растяжения к сжатию. Поэтому он должен быть прочным, жестким и легким. Шатуны изготавливаются из стали литьем или горячей штамповкой. На спортивных автомобилях могут устанавливаться шатуны из титанового сплава.С целью уменьшения себестоимости производства шатуны массовых двигателей изготавливаются методом литья из специального чугуна, что в полнее обеспечивает требования двигателей работающих на бензине. Шатуны высоконагруженных двигателей, особенно дизельных двигателей с наддувом, изготавливаются методом горячей штамповки (ковки) из специальных легированных сталей. Кованые шатуны прочнее литых, но дороже в изготовлении. Кованый шатун легко отличить от литого по боковому шву. Боковой шов кованого шва широкий, а литого узкий.Шатуны некоторых современных двигателей изготавливаются методом спекания из порошковых металлов, такие шатуны обладают более высокой прочностью. Линия соединения нижней головки такого шатуна с крышкой шатуна имеет неровный колотый разъём, поскольку отделение крышки от шатуна происходи методом разлома. В этом случае обеспечивается наиболее точная установка крышки относительно шатуна.Для уменьшения веса, что необходимо для обеспечения повышения оборотов двигателя, шатуны двигателей дорогих спортивных автомобилей, где цена материала не имеет большого значения, изготавливаются из алюминиевых или титановых сплавов. Шатун, изготовленный из титановых или алюминиевых сплавов весит меньше чем стальной шатун на 50%.
Особенно высокие требования предъявляются к материалам, из которых изготавливаются болты крепления крышки головки шатуна. Обычно они изготавливаются из высоколегированных сталей обладающих очень высоким пределом текучести превышающий этот показатель 2 ÷ 3 раза по сравнению с углеродистыми сталями. При ремонте некоторых высокофорсированных спортивных двигателей требуется обязательная замена болтов и гаек крепления крышки головки шатуна.
Для изготовления шатунов ДсИЗ применяют стали 45, 45Г2, 40Г, 40Х, 40ХН, а для дизелей 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, 40ХН3А, 40Х2МА. Заготовки получают ковкой в штампах, детали – механической и термической обработкой. Используется также литье из ковкого перлитного чугуна КЧ или высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ45, который по прочности приближается к сталям, имеет низкую чувствительность к концентраторам напряжений и обладает повышенным внутренним трением, что способствует демпфированию вибраций. Перспективны также титановые сплавы типа ВТ, у которых sВ = 1000 МПА, Е=1,16×105 МПа.
Свойства стали марки 45:
Химический состав в % стали 45
C |
Si |
Mn |
Ni |
S |
P |
Cr |
Cu |
As |
0.42 - 0.5 |
0.17 - 0.37 |
0.5 - 0.8 |
до 0.25 |
до 0.04 |
до 0.035 |
до 0.25 |
до 0.25 |
до 0.08 |
Температура критических точек стали 45.
Ac1 = 730 , Ac3(Acm) = 755 , Ar3(Arcm) = 690 , Ar1 = 780 , Mn = 350 |
Механические свойства при Т=20oС стали 45 .
Сортамент |
Размер |
Напр. |
sв |
sT |
d5 |
y |
KCU |
Термообр. |
- |
мм |
- |
МПа |
МПа |
% |
% |
кДж / м2 |
- |
Лист горячекатан. |
80 |
|
590 |
|
18 |
|
|
Состояние поставки |
Полоса горячекатан. |
6 - 25 |
|
600 |
|
16 |
40 |
|
Состояние поставки |
Поковки |
100 - 300 |
|
470 |
245 |
19 |
42 |
390 |
Нормализация |
Поковки |
300 - 500 |
|
470 |
245 |
17 |
35 |
340 |
Нормализация |
Поковки |
500 - 800 |
|
470 |
245 |
15 |
30 |
340 |
Нормализация |
Твердость стали 45 горячекатанного отожженного , |
HB 10 -1 = 170 МПа |
Твердость стали 45 калиброванного нагартованного , |
HB 10 -1 = 207 МПа |
Физические свойства стали 45 .
T |
E 10- 5 |
a 10 6 |
l |
r |
C |
R 10 9 |
Град |
МПа |
1/Град |
Вт/(м·град) |
кг/м3 |
Дж/(кг·град) |
Ом·м |
20 |
2 |
|
|
7826 |
|
|
100 |
2.01 |
11.9 |
48 |
7799 |
473 |
|
200 |
1.93 |
12.7 |
47 |
7769 |
494 |
|
300 |
1.9 |
13.4 |
44 |
7735 |
515 |
|
400 |
1.72 |
14.1 |
41 |
7698 |
536 |
|
500 |
|
14.6 |
39 |
7662 |
583 |
|
600 |
|
14.9 |
36 |
7625 |
578 |
|
700 |
|
15.2 |
31 |
7587 |
611 |
|
800 |
|
|
27 |
7595 |
720 |
|
900 |
|
|
26 |
|
708 |
|
T |
E 10- 5 |
a 10 6 |
l |
r |
C |
R 10 9 |
Технологические свойства стали 45 .
Свариваемость: |
трудносвариваемая. |
Флокеночувствительность: |
малочувствительна. |
Склонность к отпускной хрупкости: |
не склонна. |
Обозначения:
Механические свойства : |
|
sв |
- Предел кратковременной прочности , [МПа] |
sT |
- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа] |
d5 |
- Относительное удлинение при разрыве , [ % ] |
y |
- Относительное сужение , [ % ] |
KCU |
- Ударная вязкость , [ кДж / м2] |
HB |
- Твердость по Бринеллю , [МПа] |
Физические свойства : |
|
T |
- Температура, при которой получены данные свойства , [Град] |
E |
- Модуль упругости первого рода , [МПа] |
a |
- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ) , [1/Град] |
l |
- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) ,[Вт/(м·град)] |
r |
- Плотность материала , [кг/м3] |
C |
- Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)] |
R |
- Удельное электросопротивление, [Ом·м] |
Свариваемость : |
|
без ограничений |
- сварка производится без подогрева и без последующей термообработки |
ограниченно свариваемая |
- сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке |
трудносвариваемая |
- для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки - отжиг |