- •Классификация типовых деталей по условиям работы и требуемым свойствам
- •Общие рекомендации выбора материала для заданной детали
- •Свойства цементуемых сталей после цементации, закалки и низкого отпуска
- •Режимы термической обработки цементуемых сталей после цементации
- •Термическая обработка и механические свойства улучшаемых сталей
- •Свойства термически упрочненных пружинно-рессорных сталей
- •Свойства автоматных сталей
- •Свойства коррозионностойких сталей
- •Свойства твердых сплавов
- •Основные свойства и области применения в горном машиностроении низколегированных сталей
- •Свойства медных сплавов
Рациональный выбор материала и оптимальных методов и режимов упрочнения для детали конкретного назначения - важная и сложная задача создания работоспособного изделия. Для решения этой задачи необходимо знание курса «Материаловедение». При выборе материала и упрочняющей обработки для изготовления детали необходимо обеспечить эксплуатационные, технологические и экономические требования.
Эксплуатационные требования. Для того, чтобы обеспечить работоспособность машины, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность. Конструкционная прочность комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.
Критерии прочности выбирают исходя из условий работы детали:
при статических нагрузках: временное сопротивление σв или предел текучести σ0,2. Для приближенной оценки можно использовать для сталей при твердости НВ4500 соотношение σв=НВ/3.
при циклических нагрузках предел выносливости σ-1. Между σ-1 и σв существует определенная связь: для сталей σ-1/σв0,5; для медных сплавов 0,3-0,5; для алюминиевых 0,25-0,4.
Работоспособность узлов трения качения ( зубчатые передачи, шарико- и роликоподшипники) зависит от скорости развития поверхностного усталостного выкрашивания. Сопротивление материала поверхностному выкрашиванию характеризуется пределом контактной выносливости.
Критерии жесткости – модули упругости Е и сдвига G ограничивают упругие деформации.
Надежность характеризует способность материала сопротивляться хрупкому разрушению, которое вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации.
Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (δ, ψ) и ударной вязкостью (КСU, KCV, KCT), вязкостью разрушения К1с, температурным порогом хладноломкости, обозначаемым t50 либо интервалом температур tв - tн.
Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (отказа), обеспечивая работоспособность в течение заданного времени (ресурса). Основные причины потери работоспособности: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии и пр.
Технологические требования (технологичность) материала направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей. Технологичность материала характеризуют возможные методы его обработки. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, величиной деформации и остаточных напряжений при термической обработке. Обрабатываемость резанием (ОР) оценивается коэффициентом Kv, значение Kv=1 принято для стали 45. Ниже приведены значения Kv при обработке твердосплавным инструментом.
Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость. В нижеприведенных таблицах приведены значения индекса стоимости, стоимость стали марки Ст.3 принята за единицу.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МАТЕРИАЛОВ
Учитывая условия эксплуатации деталей и встречающиеся на практике виды разрушений и износа, можно наметить несколько групп деталей. Каждая из групп (табл.1) характеризуется определенными условиями работы и требованиями к свойствам материала. По табл.1 могут быть назначены виды и марки материала, виды и режимы упрочняющей обработки. Приведенные ниже таблицы не охватывают всех вариантов применяемых материалов и видов обработки, а служат только для ориентировки. Тем не менее, использование предлагаемой схемы позволяет избежать грубых ошибок.
Таблица 1
Классификация типовых деталей по условиям работы и требуемым свойствам
Группа |
Типовые детали |
Условия работы |
Требуемые свойства |
1 |
Зубчатые колеса, вал-шестерни, шлицевые валы, звездочки цепных передач. |
Определяются рабочей средой и климатической зоной. Высокие циклические изгибающие и контактные нагрузки. Ударные нагрузки при изменении направления и скорости вращения. Трение скольжения. |
Высокая контактная выносливость и износостойкость поверхности, устойчивость к схватыванию. Высокая усталостная прочность и вязкость сердцевины. |
2 |
Валы, оси, шпиндели, коленчатые валы, шпиндели, штоки, шатуны, ответственные шатунные болты, пальцы, храповики, фиксаторы, плунжеры. |
Детали, передающие крутящий момент (валы, шпиндели) испытывают циклические нагрузки кручения, изгиба и трение скольжения между цапфой и опорой. Остальные детали испытывают растяжение, изгиб, динамические и ударные нагрузки при циклических воздействиях.
|
Высокая циклическая прочность, ударная вязкость и износостойкость, прокаливаемость на глубину 0,25 сечения.
Для деталей, работающих на растяжение, изгиб, сквозная прокаливаемость. |
3 |
Рессоры, пружины и другие упругие элементы. |
При статических, циклических и ударных нагрузках в деталях не допускается остаточная деформация, изменение формы и размеров. |
Высокий предел упругости и релаксационная стойкость, высокий предел выносливости и низкая чувствительность к концентраторам напряжений. Достаточная прокаливаемость. |
4 |
Массовые крепежные детали общего назначения (болты, штифты, пробки, винты, шпильки и т.д.), рессорные пальцы. |
Статические нагрузки от предварительной затяжки и переменные напряжения от изменяющихся нагрузок. |
Сочетание высокой прочности, пластичности и технологичности (обрабатываемости резанием).
|
5 |
Червяки и червячные колеса червячных передач. |
Значительная мощность передаваемая червячной передачей. Трение витков червяка о зубья колеса, изгиб зубьев. Склонность к задирам червячной пары. |
Низкий коэффициент трения материала червячной пары, высокая контактная и усталостная прочность, высокая износостойкость. |
6 |
Корпуса редукторов, насосов, отбойных молотков, перфораторов, пневмобуров. Блоки, маховики. |
Определяются назначением. Общие требования: прочность, жесткость конструкции, малые вибрации и шумы. В ряде случаев малая масса.
|
Высокий модуль упругости, достаточная статическая прочность, способность гасит вибрации и шумы, технологичность изготовления. |
7 |
Подшипники скольжения. |
Определяются назначением. Общие требования: малые потери мощности, устойчивость к вибрациям, бесшумность работы, небольшие габариты. |
Сопротивление усталости и антифрикционность. Низкий коэффициент трения скольжения, высокая теплопроводность, смачиваемость смазкой, прирабатываемость, высокие нагрузочно-скоростные характеристики. |
8 |
Детали гидравлики шахт. |
Интенсивный износ в агрессивных средах. |
Коррозионная стойкость, износостойкость. |
9 |
Зубъя ковшей экскаваторов, пики отбойных молотков, траки гусениц. |
Работа по рудной породе при наличии ударов. |
Высокая износостойкость при абразивном износе. |
10 |
Инструменты для горячей обработки давлением. |
Интенсивное ударное нагружение, периодический нагрев и охлаждение поверхности. |
Достаточная прочность, вязкость сердцевины, изностойкость, прокаливаемость, теплостойкость, окалино- и разгаростойкость. |
11 |
Инструменты для холодной обработки давлением. |
Вытяжные штампы подвергаются интенсивному износу без ударных нагрузок. Высадочные, вырубные штампы работают с ударными нагрузками. Разогрев рабочей кромки штампа достигает 450оС. |
Высокая твердость, износостойкость, прочность при удовлетворительной вязкости, достаточная теплостойкость, минимальные объемные изменения при закалке, прокаливаемость. |
12 |
Тормозные колодки, диски сцепления. |
Тормозные колодки останавливают вращающееся колесо за счет сил трения, удерживают поднимаемый груз. Диски сцепления фрикционной муфты передают крутящий момент за счет сил трения между торцами дисков. |
Высокий коэффициент трения, способность воспринимать значительные давления, достаточная термостойкость. |
13 |
Корпуса рудничных ламп, аккумуляторов. Каски. Кожухи редукторов шахтных электровозов, шахтные вагонетки. Огнестойкие транспортерные ленты. |
Условия работы в шахтах. Влажная атмосфера. Температура соответствующая климатической зоне. Возможность ударных нагрузок. |
Химическая стойкость, морозоустойчивость, диэлектрические свойства, огнестойкость, достаточная прочность. |
14 |
Конвейерные ленты, уплотнения и манжеты гидроцилиндров. Покрытия роликов, барабанов транспортных машин. |
Определяются назначением. Влажная атмосфера и масло. Температура в соответствии с климатическими условиями. Ударные нагрузки. |
Амортизирующие свойства, износостойкость, морозоустойчивость, маслостойкость, огнестойкость. |
15 |
Цистерна для азотной кислоты. |
Агрессивная среда. Температура в соответствии с климатическими условиями. |
Коррозионная стойкость в азотной кислоте, статическая прочность, хладостойкость, обрабатываемость давлением, свариваемость. |
16 |
Резцы врубовых машин и угольных комбайнов. Буровые коронки. Шарошечные долота. |
Разработка горных пород в условиях работы шахт. |
Высокая твердость, износостойкость, теплостойкость. |
17 |
Сварные конструкции, работающие в карьерах Севера и Сибири. |
Силовые нагрузки. Температуры до – 50оС. |
Высокая хладостойкость и свариваемость. |
18 |
Плунжеры, блоки и поршни гидроцилиндров горных машин. |
Агрессивная, абразивная среда. |
Низкий коэффициент трения, коррозионная стойкость, износостойкость, усталостная прочность и теплопроводность. |
19 |
Клапаны, седла клапанов двигателей внутреннего сгорания. Детали металлургических печей. |
Трение в абразивной среде и потоке газов. Высокие температуры. Циклические нагрузки. |
Износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, термостойкость. |
20 |
Кузова автомашин, корпуса судов. |
Климатические условия. Речная, морская вода. |
Достаточная прочность, жесткость, штампуемость, свариваемость. Коррозионная стойкость. |