Классификация материалов. Принципы выбора и использования материалов в горных машинах.

Все технические материалы можно классифицировать следующим образом:

1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

К ним относят все металлы и их сплавы.

Металлами называют вещества обладающие: хорошей отражательной способностью (металлическим блеском); пластичностью (или ковкостью); высокими электро- и теплопроводностью.

Металлическим сплавом называют вещество, состоящее из двух или более компонентов, обладающие металлическими свойствами.

2. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Среди них выделяют несколько характерных групп:

2.1. ПЛАСТМАССЫ – это материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, чаще всего с добавками.

2.2. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ – неорганические материалы, получаемые из сформованных минеральных масс (глин и их смесей с минеральными добавками) в процессе высокотемпературного спекания (при 1200 – 2500 °С).

Основой керамики может быть корунд Al₂O₃ (корундовая керамика); карбид кремния SiC (карборундовая керамика); каолин с кварцем и полевым шпатом (фаянс, фарфор).

2.3. МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Металлокерамика – твёрдые сплавы, пол методом порошковой металлургии.

Изделия из металлокерамики получают путём прессования порошкового карбидов тугоплавких металлов с порошком металла–связки и последующего спекания при 1400–1550С. И так как схема технологического процесса изготовления изделий аналогична схеме производства керамики, сплавы называют металлокерамическими, хотя в состав метало – керамических твёрдых сплавов керамические материалы не входят, например, Металлокерамический твердый сплавов ВК8 получают путем спекания 8% пор кобальта (Ме-связка) и 92% порошка карбида вольфрама. Данный сплав используют в качестве инструментального мате риала, для оснащения резцов, т.к. он сохраняет режущие свойства до 9000 Сплавом ВК8 армируют шарошечное долота.

2.4. СТЕКЛО. Стекло представляет собой систему, состоящую из окислов различных элементов. Основу большинства неорганических стёкол составляет SiО₂. Такие стёкла называют силикатными. Их используют для остекления окон и дверей; для изготовления химической посуды.

2.5. РЕЗИНЫ. Это материалы на основе каучука – углеводородного полимера с добавками, чаще всего серы (вулканизатор). Если серы более 32% – получается эбонит (твёрдая резина).

2.2. ДЕРЕВО. Используют во всех отраслях промышленности, в частность в литейном производстве для изготовления моделей и модельной оснастки. Используют дерево и при изготовлении упаковочной тары; В строительстве широко применяют деревянные конструкции.

3. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ – представляют собой композицию из двух или более разнородных компонентов, полученную искусственно. В полученном материале формируется новый комплекс свойств.

Примером композиционных материалов могут служить САПы – спечённые алюминиевые порошки или пудры. Матрицей в САПе является порошок алюминия, армированный частицами Al₂O₃. Такой материал обладает высокой жаропрочностью. Он хорошо работает при температурах 500 – 600 °С тогда как другие сплавы алюминия всего лишь до 100, максимум до 300 °С.

Для того чтобы судить о том, будет ли данный материал пригоден для изготовления конкретной детали или конструкции, необходимо знать какими свойствами он обладает.

Все свойства материалов условно подразделяют на физические, химические, механические и технологические.

От правильности выбора материала зависит качество изделия, его работоспособность и долговечности

Для правильного выбора материала необходимо знать назначение детали, величину и направление нагрузок (сил), в каких условиях его будет работать, в частности, при каких температурах и в какой среде. В соответствии с этими условиями определяются требования к материалу детали и его выбор.

При выборе материалов необходимо принимать во внимание и их стоимость. Если есть возможность применить разные материалы, следует выбирать тот, который менее дефицитен и более дешевле.

В технике и в горных машинах в частности в качестве конструкционных и инструментальных материалов используют в основном металлические материалы, так как они обладают необходимым комплексом свойств (одновременно и прочные и достаточно пластичные, имеют высокую твёрдость), поэтому 95% материалов, используемых в технике металлические.

При выборе материала следует учитывать возможность его упрочнения или наоборот, увеличения пластичности, как по всему сечению детали, так и на поверхности путём термической или химико–термической обработки, при помощи заготовки, гальванопокрытий и т.п. Необходимо также принимать во внимание и технологически; свойства материала – жидкотекучесть и усадку для литейных материалов; твердость и обрабатываемость резанием – для механически обрабатываемых материалов.

После того как выбрана марка материала, важно знать сортамент материалов, поставляемых заводами–поставщиками по ГОСТ. Особенно это важно при выборе сортового и листового проката, труб, болтов, заклёпок и других металлоизделий.

Пример выбора материала для горной машины.

Необходимо изготовить вал диаметром 100 мм для работы в условиях высокой нагрузок. Сталь должна иметь σ_в не менее 1000 МПа, КС υ не менее 0,6 МДж/м².

Имеются материалы: Ст3, 12ХН3А, 37ХН3А, сталь 45. какую сталь выбрать?

Для ответственных тяжелонагруженных деталей применение стали обыкновенного качества (Ст3) недопустимо, т.к. повышенное содержание серы и фосфора снижают прочностные характеристики и особенно сопротивление ударным нагрузкам.

Сталь 45 в состоянии поставки имеет твёрдость до HB=207 и σ_в ≤ 620 МПа. Для повышения прочности необходимо применить улучшение (З. + ВО), но сталь 45 имеет небольшую прокаливаемость – не более 10 мм, а для тяжелонагруженных валов прокаливаемость должна быть не менее 1/4 диаметра, т.е. данная сталь не подходит.

Сталь 12ХН3А – цементуемая (σ_в = 950 МПа для сечения 15 мм).

Сталь 37ХН3А после улучшения имеет σ_в = 1150 МПа, КСυ = 0,8 МДж/м² для сечения 25 мм, т.е. обеспечивает требуемую прокаливаемость для данного вала.

Следовательно, сталь 37ХН3А обеспечивает требования, сформулированные в задачи.

81.