Глава II

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Детали машин изготовляют из металла, древесины, пластмас­сы, керамики, стекла и других материалов.

Чтобы правильно выбрать материал для изготовления дета­лей машин, нужно знать условия работы этих деталей, основные треборания к их конструкции, знать свойства материалов и спо­собы их обработки.

Детали должны быть прочными, хорошо сопротивляться из­носу, — без этого машина не будет надежной и долговечной. Вместе с тем детали должны быть достаточно легкими, иметь сравнительно несложную форму, чтобы машины имели неболь­шой вес и были удобны в сборке, эксплуатации и ремонте.

Выполнение этих условий в огромной мере зависит от правильного выбора материала для изготовления деталей.

§ 1. Металлы и сплавы, применяемые в машиностроении.

Неметаллические материалы

Наиболее распространенными материалами для изготовления деталей машин являются сталь и чугун, представляющие собой сплавы железа с углеродом. Сталь и чугун называют черными металлами.

Сплав железа с углеродом, который содержит от 2 до 4,3% углерода, называется чугуном. В состав чугуна входят также такие примеси, как кремний, марганец, сера, фосфор.

Различают серый, белый и ковкий чугун.

Если в чугуне углерод не составляет с железом химическое соединение, а содержится в виде графита, как бы во взвешен­ном состоянии, то такой чугун называют серым. У серо­го чугуна излом серый, он содержит большой процент кремния (до 4,2%). В технической документации серый чугун обозначает­ся буквами СЧ, за которыми следуют цифры, обозначающие его механические свойства. Серый чугун обладает высокой жидко- текучестыо и поэтому хорошо заполняет литейные формы, до­вольно легко обрабатывается резанием, износоустойчив, а по­тому широко применяется в машиностроении.

В белом чугуне весь углерод связан с железом, образуя химическое соединение Ре₃С — цементит. "Такой чугун в изломе имеет белый цвет; в нем содержится сравнительно много мар­ганца (до 3,5%).;

Белый чугун получается тогда, когда при разливке металл быстро остывает. Белый чугун дбладает высокой твердостью, но очень хрупок, поэтому он не применяется для изготовления деталей, а идет на переделку в сталь и в ковкий чугун.-

Ковкий чугун получают из белого путем длительной вы­держки (до 100 часов) при температуре 900—1000°С (отжиг). Ковкий чугун (КЧ) обладает сравнительно большой прочностью и износостойкостью, а также пластичностью, однако не в такой степени, чтобы из него можно было ковать детали; название «ковкий» применяют лишь для того, чтобы подчеркнуть его ббльшую вязкость и пластичность по сравнению с серым и бе­лым чугуном.

Ковкий чугун применяют для изготовления таких изделий, как вагонные колеса, тормозные колодки, жернова мельниц и т. п.

Для изготовления таких ответственных деталей, как зубчатые колеса, коленчатые валы, блоки цилиндров, все большее при­менение получает легированный чугун, обладающий высокими механическими и физико-химическими свойствами благодаря добавлению никеля, хрома, молибдена, титана.

Сталью называется сплав железа с углеродом и другими элементами, в котором углерода содержится от 0,01 до 2%. В стали меньше, чем в чугуне, вредных примесей серы и фосфо­ра. По химическому составу сталь делится на углеродистую и легированную.

В углеродистой стали, кроме железа и углерода, содержатся также кремний, марганец, сера, фосфор. Различают низкоуглеро- дистую сталь (до 0,25% углерода), среднеуглеродистую (от 0,25 до 0,60% углерода) и высокоуглеррдистую (от 0,6 до 2% углерода).

Углеродистая сталь по своему назначению подразделяется на конструкционную, в которой содержится до 0,7% углерода, и инструментальную (от 0,7 до 2% углерода).

Конструкционную.сталь широко применяют для из­готовления деталей машин и строительных металлоконструкций. Эта сталь обладает достаточной прочностью и высокой пластич­ностью, хорошо обрабатывается на металлорежущих станках и легко сваривается.

Различают конструкционную сталь обыкновенного качества и качественную. Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст., после которых стоит цифра (от 0 до 7), обозначающая порядковый номер марки ста­ли, например: Ст. 3, Ст. 5, Ст. 7. Чем больше номер, тем сталь прочнее и тверже. Наиболее пластичная и наименее твердая—' Ст. О, Ст. 1, Ст. 2 г- идет на изготовление кровельных и котель­ных листов, заклепок; наиболее твердая и прочная сталь этой группы — Ст. 6, Ст. 7—применяется, например, в производстве рельсов, шпинделей станков, рессор, пружин.

Качественная конструкционная углеродистая сталь изготав­ливается более тщательно, чем обыкновенная конструкционная; благодаря этому в ней меньше вредных примесей (таких, как сера и- фосфор), а также содержится немного хрома и никеля. Она обладает большей прочностью и пластичностью и применяется для изготовления деталей, которые работают при ударной на­грузке, повышенной температуре и давлении, таких, как зубча­тые колеса, винты, валы, трубы.

Качественная сталь маркируется двузначным числом, обо­значающим среднее содержание углерода в сотых долях про­цента. Сталь марок 10, 15, 20 (малоуглеродистая) идет на мел­кие детали, от которых не требуется высокой прочности; сталь марок 60, 65, 70 (высокоуглеродистая) имеет большую твердость и прочность и идет на ответственные детали машин (например, валки прокатных станов). Некоторые марки качественной ста­ли обладают очень высокой пластичностью и используются для холодной штамповки.

Инструментальная углеродистая сталь благо­даря сравнительно высокому содержанию углерода — выше 0,7%, а также наличию улучшающих ее свойства элементов обладает повышенной прочностью и твердостью и используется для изготовления режущих и измерительных инструментов, а также штампов. Инструментальная сталь бывает качественная и высококачественная.

Качественная инструментальная сталь обозначается буквой У (углеродистая) с цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8 до У 13. Марка вы­сококачественной инструментальной стали имеет дополнитель­ную букву А, также от У7А до У13А.

В высококачественной стали содержится меньше, чем в ка­чественной, вредных примесей, она лучше выдерживает ударные нагрузки, имеет большую прочность.

Инструментальная сталь марок У7, У7А, У8, У8А применя­ется для изготовления инструментов средней твердости и до-, статочной вязкости, таких, как зубила, кернеры, ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент. Из стали ма­рок У12, У12А, У13, У13А изготовляют инструменты высокой твердости, например напильники, резцы, фрезы, сверла, ша­беры.

Углеродистая сталь обладает такими недостатками, как вы­сокий коэффициент теплового расширения, потеря прочности при высокой температуре, низкая стойкость против коррозии и т. д,. Этих недостатков нет у легированной стали, в которой, кроме железа и углерода, содержатся в разных сочетаниях и количествах такие элементы, как никель, хром, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, титан, улучшающие свойства стали (жаропрочность, коррозионную стойкость, износостойкость, прочность и др.). Из этой стали делают наи­более ответственные детали машин, т. е. детали, кото­рые либо работают в тяжелых условиях (например, при очень высокой температуре и ударной, часто меняющейся нагрузке), либо должны отвечать особым техническим тре­бованиям, например обладать высокой электропровод­ностью.

Легированная сталь по своему назначению делится на кон­струкционную, инструментальную и сталь с особыми свойства­ми, а по химическому составу—на низколегированную (не более 2,5% примесей), среднелегированную (до 10% примесей) и высоколегированную (свыше 10% примесей).

На первом месте в марке легированной стали стоят две циф­ры, обозначающие содержание в стали углерода в сотых долях процента. После цифр следуют буквы —условные обозначения легирующих элементов, например: Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, В — вольфрам, Ф — ванадий, М щ мо­либден, Ю — алюминий, Т — титан, Д — медь, К — кобальт и т. д.

После каждой буквы в марке легированной стали может стоять цифра, обозначающая содержание легирующего элемен­та в процентах. Если содержание легирующего элемента не превышает 1,5%, цифра не ставится.

Рассмотрим одну из марок легированной стали: марка 15Х5ВЗН4ГА обозначает, что это высококачественная (А) леги­рованная сталь с содержанием 0,15% углерода, 5% хрома, 3%' вольфрама, 4% никеля и до 1,5% марганца.

Если содержание углерода в легированной стали составляет 1%, то единица в марке обычно не ставится. Например, ХВГ — сталь, содержащая 1 % углерода и до 1,5% хрома, вольфрама и марганца.

Конструкционная легированная сталь приме­няется очень широко: для изготовления ответственных, т. е. ра­ботающих в тяжелых условиях, болтов, валиков, зубчатых колес, коленчатых валов, кулачков, шарикоподшипников (хромистая сталь, например: 15Х, 45Х, ШХ9); для изготовления рессор, пружин (кремнистая, марганцевая сталь, например: 60С2, 70СЗ, 40Г, 50Г2); поршней, штоков, кривошипов, муфт (хромони келевая сталь, например: 20ХНА, 40ХНА).

Инструментальная легированная сталь идет на изготовление режущего и измерительного инструмента, а так­же штампов. Например, для штампов применяют сталь Х12М, 4Х8В2, 5ХНМ, 5ХГМ, для режущего инструмента — ХВГ, ХВ5, 9ХС, для измерительного инструмента (калибров, шаблонов, колец и т. д.) — 9ХС, В1, Х12.

Легированная сталь с особыми свойствами подразделяется на несколько видов. Магнитная сталь приме­няется для изготовления постоянных магнитов (ЕХ2, ЕК5, ЕК15М и др.), сердечников трансформаторов, электромагнитов (Э2, Э1АА и др.). Сталь с высоким электрическим сопротивле­нием идет на изготовление спиралей электропечей и нагрева­тельных приборов (Х15Н60, Х20Н80 и др.).

Из нержавеющей стали, имеющей высокую коррозионную стойкость в воздухе, воде, в кислоте и других средах, изготов­ляют лопатки турбин, клапаны двигателей, хирургический ин­струмент, детали самолетов (2X13, 4X13, Х28, 2Х18Н9 и др.).

Жаропрочная сталь, сохраняющая прочность и не окисляю­щаяся при высоких температурах, например марок Х9С2, Х5М, идет на изготовление турбинных лопаток и других деталей, ра­ботающих при высокой температуре.

Для изготовления режущего инструмента (резцов, фрез, сверл) широко применяется быстрорежущая сталь, обладающая высокой твердостью и красностойкостью,, т. е. сохраняющая прочность при температуре до 600°С (Р9, Р18, РК5, РКЮ, ЭИ347, Р9К5, Р9Ф5).

Кроме черных металлов, большое распространение в маши­ностроении получили цветные металлы и их сплавы.

К цветным металлам относятся медь, алюминий, олово, свинец, цинк, магний, никель, а также такие редкие металлы, как тантал, германий и др.

В чистом виде цветные металлы в машиностроении обычно не используются из-за несовершенства их свойств, сплавы же этих металлов во многих случаях незаменимы и являются ос­новными материалами в самолетостроении, электро-, радиотех­нике.

Оловянистая бронза является сплавом меди с оловом (от 3 до 14%) и применяется для изготовления деталей, подвергаю­щихся интенсивному истиранию, например вкладышей подшип­ников. Сплав меди со свинцом (до 35%) называется свин­цовистой бронзой. Она также хорошо противостоит исти­ранию и применяется для изготовления подшипников сколь­жения.

Латунь — сплав меди с цинком (до 39%). Это хорошо обра­батываемый материал, из которого изготовляют различные де­тали водопроводной и паропроводной арматуры, а также неко­торые детали приборов (винты, трубки и т. п.).

Значительное распространение для изготовления всевозмож­ных деталей машин получили сплавы алюминия с медью, кремнием, цинком, никелем, марганцем, магнием, сурьмой. Одни из них хорошо обрабатываются штамповкой (дюралюминий и др.), другие являются литейными сплавами (силумин)»

Дюралюминий — сплав алюминия с медью (2,2—5,2%), маг­нием (0,2—1,6%) и другими элементами. Широко применяется н машиностроении для производства деталей, несущих пере­менные нагрузки, подвергающихся воздействию воды, измене­нию температур и т. д. (например, в самолетостроении).

Силумин — сплав алюминия с кремнием (6—13%)—ис­пользуется для изготовления самых разнообразных деталей по­средством литья в земляные и металлические формы И литья иод давлением.

Из сплавов свинца наибольшее применение в машинах на­ходит сплав свинца с оловом и сурьмой — баббит. Баббит при­меняют для изготовления деталей, подверженных истиранию при небольших давлениях, особенно вкладышей подшипников сколь­жения.

Наряду с металлами и их сплавами в машиностроении все больше используются различные неметаллические материалы: пластмассы, резина, древесина, стекло и др.

Из неметаллических материалов изготовляют детали машин, испытывающие невысокие нагрузки, и детали, для изготовления которых невозможно применять металл (прокладки, детали, работающие в коррозионной среде, и пр.).

Так, например, органическое стекло (плексиглас, триплекс и т. п.) идет на изготовление разнообразных деталей машин, которые должны обладать прозрачностью, например смотровых стекол самолетов, автомобилей, крышек, труб и т. д.

Из фенопласта, полистирола и других пластмасс изготов­ляют детали, обладающие электроизоляционными и антикорро­зионными свойствами.

Из слоистых пластмасс (текстолита, гетинакса) делают та­кие детали машин, которые должны обладать достаточной проч­ностью и бесшумностью в работе, например зубчатые колеса, втулки.

Широкое применение в машиностроении получает капрон. Он имеет хорошие антикоррозионные свойства, обладает доста­точной механической прочностью и небольшим удельным весом, значительной химической стойкостью.

Капрон легко обрабатывается посредством таких произво­дительных методов обработки, как литье и прессование. Капрон заменяет при изготовлении некоторых деталей металлы. Из него изготовляют такие детали машин, как втулки, вкладыши, под­шипники, зубчатые колеса, ролики, винты.