3.7. Машиностроительные материалы

При расчете и проектировании деталей машин устанавливают или марки материала, или требования к его прочности, износостойкости и другим критериям работоспособности деталей.

Наиболее распространены в машиностроении сталь, чу­гун, цветные сплавы, пластические массы, металлокерамические и порошковые материалы.

Важность правильного выбора материалов иллюстрируют следующие факты:

1) в тяжелом машиностроении отходы и потери составляют поч­ти 40% общего потребления;

2) в изделиях общего машиностроения используется лишь 25% потенциальной прочности стали;

При выборе материалов приходится учитывать целый комплекс требований:

• соответствие материала главному критерию работоспособнос­ти детали;

• весовые и габаритные показатели детали;

• специфические требования эксплуатации: электроизоляционные свойства, фрикционные качества, противокоррозионные свойства (для многих изделий машиностроения потери от коррозии составляют ежегодно 1,0 – 1,5% металлического фонда каждой стра­ны, каждая 6-я домна работает на восполнение коррозионных потерь);

• технологические требования: штампуемость, хорошие литейные свойства, свариваемость, обрабатываемость на металлорежущих станках и т.д.;

• стоимость и дефицитность; так, в стоимости объектов общего машиностроения затраты на материалы достигают 40%, а в редукторостроении – до 85%; для ориентации здесь удобны сводные таблицы относительной стоимости наиболее применяемых марок сталей (см. табл. 3.6).

Таблица 3.6

Сравнительная стоимость сталей

Сталь	Углеродистая обыкновенного качества		Углеродистая качественная		Легированная		шарикоподшипниковая
					качественная	высококачественная
Марка	Ст. 3	Ст.5	45, 55	55Г; 65Г	20Х; 40Х	30ХФЮА	ШХ15
Относительная стоимость	0,76	0,85	1,00	1,09	1,25	1,80	2,70

3.7.1. Термическая и химико-термическая обработка черных металлов

Термическая обработка чугуна – отжиг выполняют с целью снижения твердости и снятия внутренних напряжений, возникающих в детали в процессе литья. Отжиг проводят после литья, но перед механи­ческой обработкой отливки.

Известно, что чугун обладает в сравнении со сталью меньшей прочностью, повышенной хрупкостью и лучшими литейными свойствами. Именно поэтому его широко применяют в машиностроении для изготовления литых деталей: корпусов редукторов, фундаментных плит, зубчатых колёс, коленчатых валов и др.

Термическую и химико-термическую обработку сталей выполняют с целью повышения прочности, поверхностной или объёмной твердости, придания стали новых технологических специфических свойств и снятия внутренних напряжений, возникающих в процессе изготовления детали.

По химическому составу все стали можно разделить на углеро­дистые и легированные. Все стали делят на литые, кованые и катаные. Литая сталь, по сравнению с кованой и катаной, имеет по­ниженные пластические свойства и ударную вязкость. Катаная сталь имеет более высокие механические свойства вдоль волокон (т.е. в направлении прокатки), чем в поперечном направлении.

С целью улучшения механических свойств конструкционных и легированных сталей применяются различные виды термической (ТО) и химико-термической (ХТО) обработки:

• отжиг – нагрев литой детали до t° = 1100...1200°С и медленное охлаждение вместе с печью;

• нормализация – нагрев детали до t° = 1100...1200°С и охлаждение на воздухе; при этом обеспечивается твердость стали до 320...350 НВ;

• улучшение – закалка детали с высоким отпуском (t° = 550°С ... 650°С); при этом обеспечивается твердость стали до 230...260 НВ;

• закалка – нагрев детали докрасна, затем быстрое охлажде­ние в масле или в воде; при этом обеспечивается твердость 45…55НRС;

• закалка токами высокой частоты (ТВЧ) – поверхностная закалка на глубину 3,5...4,0 мм. Закалке ТВЧ подвергают только стали с содержанием углерода до 0,3…0,5%; при этом обеспечивается твердость до 45...55НRC [2, с. 192]. Закалке ТВЧ подвергают зубчатые колёса, имеющие модуль не менее 2,5 мм;

• цементация – насыщение поверхностных слоев стали углеродом на глубину 0,6...2,5 мм. Цементации подвергают только стали с содержанием углерода до 0,25%. Цементацию нельзя применять для деталей, работающих в условиях ударных нагрузок, и при опасности поверхностного выкрашивания деталей (перегрузки по контактным напряжениям). Цементация способствует увеличению предела выносливо­сти стали на 50% и обеспечивает твердость поверхности детали до 50...62 HRС;

• азотирование – насыщение поверхностных слоев стали азотом на глубину 0,1…0,4 мм (в парах аммиака). Азотирование способ­ствует увеличению предела выносливости на 25% и обеспечивает твердость поверхности детали до 550...750НВ, а сердцевины – до 23...42HRC

[2, c.193]. Однако, малая толщина упрочненного слоя не позволяет использовать этот вид ХТО для деталей, работающих в условиях ударных нагрузок или повышенного износа. В результате действия этих нагрузок упрочнённый слой отслаивается от детали;

• цианирование – насыщение поверхностных слоев детали углеродом и азотом на глубину до 0,25 мм в расплавах цианистых солей, способствует увеличению предела выносливости на 80%;

• лазерная закалка обеспечивает высокую твердость стали: до 64HRC. Она не требует легирования стали, не вызывает коробления де­талей. Однако, пока этот процесс ТО длительный и дорогой[4, с.162];

• Объёмная закалка существенно повышает твёрдость всего объёма детали, но приводит к короблению деталей. Поэтому следует избегать применение объёмной закалки без необходимости или для деталей сложной конструкции.

Следует отметить, что такие виды ТО, как нормализация и улучшение, обеспечивающие твердость до 350 НВ, выполняют до механической обработки детали.

Все остальные виды ТО и ХТО выполняют после механической обработки деталей с последующим шлифованием ответственных поверхностей деталей или без него.