9. Конструкционные материалы

5.1. Классификация конструкционных материалов.Конструкционные материалы – это материалы, применяемые для изготовления деталей и сборочных единиц блоков и устройств РЭА и ЭВА. Они классифицируются по природе материала, технологическому использованию и условиям работы.

По природе материалы разделяют на металлические, неметаллические и композиционные. К металлическим материалам относятся чугун, сталь, цветные металлы, драгоценные и редкоземельные металлы, их сплавы и металлокерамика. Неметаллические материалы – это пластмассы, резина, древесина, стекло, диэлектрики.

Композиционные материалы представляют собой объемное сочетание химически разнородных компонентов. Они имеют основу, в которой распределены упрочнители (волокна, проволоки). Монолитное объединение основы и упрочнителей производится связующим и позволяет эффективно использовать их индивидуальные свойства. Примеры – стеклопластики и карбоволокниты.

По технологическому использованию конструкционные материалы делят на литые, деформированные (прокат, поковки, прессованные профили и др.), спекаемые, свариваемые и т. п.

По условиям работы различают электротехнические, коррозионностойкие, износостойкие и другие материалы специального назначения.

Металлические конструкционные материалы поставляют в виде слитков, прутков (круглого, квадратного и шестигранного сечения), профилей (уголок, швеллер, фасонный и др.), листов, лент, полос, проволоки, труб различного сортамента. Сортамент – это данные о материале по маркам, состоянию, профилям и размерам. Каждый материал имеет определенное наименование и марку, например алюминиевый сплав марки Д16.

Материалы выбираются конструктором на основании назначения и условий эксплуатации конструкции с учетом требований технологии производства и ее массы. Выбор производят, исходя из выпускаемой номенклатуры их основных, марок, сортамента, технологических свойств и рекомендаций по применению тех или иных материалов для различного типа деталей несущих конструкций и мехатронных устройств ЭВА и РЭА.

При конструировании изделий ЭВА и РЭА используют черные металлы, сплавы титана, цветные металлы (медь, алюминий, магний) и их сплавы, неметаллические материалы, которые выбираются из справочников конструктора с ограничениями, действующими на данном предприятии.

Черные металлы. К черным металлам относят следующие виды стали: Углеродистую обыкновенного качества, качественную конструкционную углеродистую, конструкционную легированную, конструкционную легированную коррозионностойкую и др.

Углеродистую сталь обыкновенного качества широко используют при производстве сортового и листового проката. Марки этой стали: Ст 0, Ст1,…Ст7. В зависимости от назначения сталь подразделяют на три группы – А, Б, В и применяют для поделочных неответственных деталей. Обозначение марки стали на чертеже: ВСт4кп ГОСТ 380 – 71 * (кп обозначает “кипящая”). Из этой марки стали, изготавливают профили сортового проката и фасонные гнутые профили. Сортовой и листовой прокат используют в несущих конструкциях некоторых видов наземной РЭА типа каркасов, стоек, рам и оснований.

Качественная углеродистая конструкционная сталь (ГОСТ 1050 – 74) бывает низко- (С 0,25%), средне- (С= 0,30,45%) и высокоуглеродистая (С > 0,45%). При содержании углерода до 0,3% стали отличаются высокой пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются, но не подвержены закалке. Увеличение содержания углерода сопровождается повышением прочностных характеристик, однако пластичность при этом снижается. Твердость и прочность средне- и высокоуглеродистых сталей можно повысить путем термической обработки.

Конструкционные легированные стали. Для улучшения прочностных, физических, химических и технологических свойств сталь легируют, вводя в ее состав различные элементы. Сталь может содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают ей специальные свойства. Практически большинство деталей из легированных сталей подвергают термообработке.

Легирующие элементы (добавки) оказывают различное влияние на свойства легированных сталей. По ГОСТ 4543-71 легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), кобальт (К). Все легирующие элементы, за исключением кобальта, улучшают термическую обрабатываемость стали.

Повышение прочности стали достигается введением хрома, никеля, марганца, кремния. Никель и хром повышают ударную вязкость стали. Износостойкость и твердость стали увеличивают добавкой в нее вольфрама, хрома, молибдена, ванадия. Повышение теплостойкости стали достигают введением хрома, вольфрама, молибдена, кобальта. Хром, никель, титан, кремний придают стали коррозионную стойкость и жаропрочность.

Наилучший результат по улучшению свойств стали достигают при ее легировании несколькими (3-6) элементами (комплексно-легированные стали), т. к. каждый элемент придает стали свои полезные специфические свойства.

При выборе легированных сталей необходимо иметь в виду высокую стоимость и дефицитность сталей, содержащих никель, вольфрам, молибден, кобальт и некоторые другие элементы. Применять легированные стали с дефицитными элементами необходимо лишь при тщательно обоснованной конструкционной необходимости.

Маркировка легированных сталей.Марка легированной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента не более 1,5%. В конструкционных сталях две цифры в начале марки показывают содержание углерода – в сотых долях процента. Высококачественные стали имеют в конце марки букву А. Например: сталь марки 30ХГСН2А обозначает высококачественную легированную сталь с содержанием углерода 0,30%, до 1% хрома, марганца, кремния и 2% никеля.

Для твердости поверхности стали цементируют или азотируют. Цементируемые стали – это низкоуглеродистые (0,1 - 0,30% С), низко- и среднелегированные (до 10% легирующего элемента) стали. Для ответственных деталей применяется азотируемая сталь –38ХМЮА.

Цветные металлы и сплавы. К ним относятся все металлы, кроме железа. Рассмотрим конструкционные металлы и сплавы, используемые в изделиях РЭА и ЭВА. Эта группа включает: алюминий, медь, титан, магний, бериллий и их сплавы.

Алюминий –металл серебристо-белого цвета, имеет малую плотность (2,7 г/см ³), хорошую тепло- и электропроводность, высокую коррозионную стойкость и пластичность, но малую прочность. Алюминий хорошо сваривается, обрабатывается давлением, но плохо поддается резанию. Его используют для изготовления проводов, фольги, для защиты других металлов от коррозии и для получения сплавов с более высокими механическими свойствами, чем алюминий. Алюминиевые сплавы с магнием, медью, кремнием и марганцем подразделяются на деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы. К этим сплавам повышенной пластичности относятся сплавы алюминия с марганцем (Амц) и магнием (Амг). Они применяются в основном в отожженом (мягком) состоянии. Для повышения прочностных свойств алюминиевые сплавы Амц и Амг нагартовывают, при этом резко снижается пластичность. Сплавы Амц и Амг применяют для изготовления кожухов, обечаек, крышек, заклепок и пр.

Большое распространение получили сплавы алюминия с медью, марганцем и магнием – дюралюмины. Прочность сплава увеличивают медь и магний, а марганец – его твердость и стойкость против коррозии. Дюралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дюралюминов состоит в закалке, естественном и искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500 С в соляной ванне и охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной температуре в течение 5-7 суток. Искусственное старение проводят при 150 -180 С в течение 2-4 ч. Дюралюмины имеют низкую коррозионную стойкость, поэтому их подвергают плакированию, которое заключается в горячей прокатке заготовки дюралюмина, обернутой чистым алюминием. Алюминий приваривается и защищает поверхность дюралюмина от коррозии. Дюралюмины выпускают в виде листов, прессованых и катаных профилей, прутков, труб. Из них изготавливают детали с высокой прочностью и малой массой. Они широко применяются в авиастроении.

Литейные алюминиевые сплавы. Их получают добавлением в алюминий кремния до 23%. Эти сплавы получили названиесилумины.Они обозначаются буквами АЛ и цифрой, указывающей на условный номер сплава. В сплав добавляются и легирующие присадки (медь, магний, цинк, титан), улучшающие, после проведения термической обработки, показатели механической прочности.

Медь и медные сплавы. Медь – металл розовато-красного цвета, имеет высокую плотность (8,94 г/см³), высокие тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость и пластичность. Медь технологична, т. е. хорошо прокатывается, паяется и сваривается, но плохо поддается резанию. Благодаря высоким тепло- и электропроводным свойствам медь широко применяется для изготовления различных проводников тока, токопроводящих деталей, теплообменников и др.

Латунь– это сплав меди и цинка. Латунь прочнее, устойчивее против коррозии и дешевле, чем медь и хорошо обрабатываются давлением и резанием, обладают высокими литейными свойствами. Основные марки латуни: Л80, Л63, ЛС59 – 1 и др.

Бронза –это сплав меди с оловом и другими элементами: алюминием, бериллием, кремнием, марганцем, свинцом. Бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии, хорошими литейными и высокими антифрикционными свойствами и обрабатываемостью резанием.

Бронзу маркируют по тому же принципу, что и латуни. После букв Бр (бронза) идут обозначения составных элементов сплава и их процентное содержание. Например, марка БрОЦС5-5-5 указывает на то, что бронза содержит олова, цинка, и свинца по 5%, остальное – 85% меди.

По химическому составу бронзы делят на оловянные и безоловянные, а по их технологическому назначению – на литейные и деформируемые. Оловянные бронзы обладают хорошими антифрикционными, антикоррозионными и литейными, а ряд марок (бериллиевые) и упругими свойствами. Ее применяют для изготовления опор с трением скольжения, венцов червячных колес, электрических контактов и пружин. Стоимость этих бронз высокая.

Безоловянные бронзы по литейным, антифрикционным и другим качествам хуже оловянных, однако ряд других показателей (механическая прочность, коррозионная стойкость) у них выше. Бериллиевая бронза БрБ2 обладает высокими механическими, антифрикционными и упругими свойствами и идет на изготовление таких деталей, как пружины, контакты, мембраны.

Магний, титан и сплавы на их основе. Магний – самый легкий из технических цветных металлов (плотность 1,74 г/см³). Технически чистый магний непрочный, малопластичный металл с низкой тепло- и электропроводностью. Для улучшения прочностных свойств в магний добавляют алюминий, кремний, марганец, цинк, торий, цезий, цирконий и подвергают термообработке.

Магниевые сплавы делят на литейные и деформируемые. Первые применяют для изготовления деталей методом литья. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МЛ5. Сплавы МЛ применяют в авиастроении и в радиопромышленности для изготовления корпусов, шасси и т. п. Вторые – предназначенны для изготовления деталей из листов, прутков, профилей. Маркировка сплавов МА. Они применяются для изделий, где требуется малая масса. Ввиду низкой коррозионной стойкости магниевых сплавов детали из них подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

Титан – серебристо- серый металл с малой плотностью – 4,5 г/см³, высокой механической прочностью и хорошей коррозионной и химической стойкостью. Титан имеет низкие антифрикционные свойства и плохо обрабатывается резанием. Обозначение ВТ и порядковый номер сплава. Выпускают литейные и деформируемые сплавы. Их применяют в авиа-, ракетостроении и авиационном приборостроении. Для литья , например, применяют сплавы ВТ5Л, из которого получают отливки высокого качества в среде инертных газов или вакууме. Еще одно ценное свойство – титановые сплавы имеют близкий к стали температурный коэффициент линейного расширения.

Неметаллические материалы. К ним относятся пластмассы и резина. Пластмассы обладают хорошими диэлектрическими свойствами; их механические характеристики зависят от марки пластмассы. Пластмассы подразделяются на термореактивные и термопластичные.

Термореактивные пластмассы при повторном нагревании не переходят в пластичное состояние, так как в процессе изготовления входящие в ее состав смолы полимеризуются и превращаются в вещество с новыми свойствами. Термореактивные пластмассы, в свою очередь, можно разделить на монолитные (фторопласт-4), слоистые (текстолит, гетинакс, листовой стеклотекстолит) и композициннные, в состав которых кроме смолы, входит наполнитель в виде стекловолокна, хлопчатобумажных волокон и других материалов.

Термопластичные пластмассы (полиэтилен, винипласт, фторопласт-3, полиметилакрилат и др.) при нагревании размягчаются и сплавляются. Получаемый в результате этого материал можно использовать для вторичной переработки.

Основные слоистые пластмассы:

1.Текстолит получают методом горячего прессования хлопчатобумажной ткани, пропитанной фенолформальдегидной смолой; текстолит производят марок ПТ и ПТК (конструкционный) и А, Б, В, ВЧ, Г (электротехнический). Он обладает хорошими диэлектрическими и антифрикционными свойствами. Текстолит используется для крепежных планок, панелей, щитков, стоек и шестерен.

2. Стеклотекстолит имеет основу – стекловолокно и выпускается двух видов – электротехнический марок СТ, СТУ, СТК, СТЭФ СФ –1, СФ-2, широко используемый при изготовлении печатных плат, панелей, шасси, и конструкционный марки КАСТ.

3. Гетинакс отличается от текстолита только основой, в качестве которой используется бумага; его применяют для изготовления неответственных плат.

Фторопласт – 4 (тефлон) является хорошим диэлектриком, обладает малым коэффициентом трения, легко обрабатывается резанием; идет на изготовление изоляционных и установочных деталей (втулок, прокладок, стоек) а так же для деталей антенно-фидерных устройств СВЧ. Композиционные термореактивные пластмассы используют для электротехнических и конструкционных деталей там, где требуется повышенная прочность и термостойкость, особенно свойственные композиционному стеклотекстолиту.

Полиамиды относятся к термопластичным пластмассам и используются как материал для каркасов, рамок, поддонов и электроизоляционных деталей, изготавливаемых литьем. Материал хорошо работает на трение и износ, но плохо теплопроводен.

Полиэтилен, как высокочастотный диэлектрик, используют в качестве каркасов, защитных экранов, стоек. Полиметилакрилат (плексиглас) служит для изготовления защитных стекол, шкал.

Резину используют для электроизоляционных, герметизирующих и уплотнительных деталей (прокладок, колец, втулок, амортизаторов). Резины бывают общего и специального назначения. К последним относятся кремнийорганические резины.

Фольгированные пластмассы имеют специальное назначение: их применяют при изготовлении плат с печатным монтажом, печатных якорей электродвигателей и др. печатных электрических конструкций. Они представляют собой слоистый пластик, облицованный с одной или двух сторон медной фольгой толщиной 35 или 50 мкм. Фольгированные пластики должны удовлетворять требованиям, связанным с технологией производства печатных плат и условиям их эксплуатации: выдерживать воздействие повышенных температур в процессе производства (взаимодействие припоя при пайке схем) и обеспечивать достаточную прочность сцепления фольги при длительной эксплуатации изделий.

Выбор материала печатной платы. Материал платы выбирают по ГОСТ 10316 – 78, ГОСТ 23751 – 79 или техническим условиям (табл.5.1).

Основание печатных плат изготавливают из изоляционного материала, который должен хорошо сцеплятся с металлом проводников; иметь диэлектрическую проницаемость не более 7 (во избежание возникновения значительных паразитных емкостей между печатными проводниками) и малый тангенс угла диэлектрических потерь; обладать высокой механической и электрической прочностью; допускать возможность обработки резанием и штамповкой; сохранять свои свойства при воздействии климатических факторов, а также в процессе создания рисунка схемы и пайки. Таким требованиям удовлетворяют стеклотекстолит и некоторые другие фольгированные и нефольгированые материалы.

Фольгированные материалы представляют собой слоистые прессованные пластики, пропитанные искусственной смолой и нанесенной с одной или двух сторон медной электролитической фольгой толщиной 18, 35 или 50 мкм.

Фольгированные диэлектрики марок СФ рекомендуются для изготовления печатных плат, эксплуатируемых при t до 120 С.

5.2. Выбор материала конструкций

Работоспособность конструкции изделия во многом зависит от правильного выбора материалов отдельных деталей и их сочетаний в узле, а также от способов технологической, химико-технологической и термической обработки этих материалов.

Выбор материалов следует начинать, определив состав поделочных конструкционных материалов для основы несущей конструкции, а затем выяснить необходимость в специальных материалах с особыми свойствами для высших параметров и качества деталей и узлов, исходя из функциональности изделия. При выборе материала детали должна учитываться вся совокупность физических свойств материала собственно детали и при ее контакте с сопрягаемыми деталями. В табл. 5.2. дан перечень основных физических свойств материалов, получивших широкое распространение и некоторые примеры использования этих свойств при конструировании.

Общие предпосылки, которые следует учитывать на начальной стадии конструирования при выборе материала.

1. Материалы, применяемые в конструировании (в том числе материалы покрытий и вспомогательные материалы), должны быть отечественного производства, недефицитные и соответствовать государственным стандартам, техническим условиям или межведомственным нормалям.

2. Применение остродефицитных и редких материалов допускается как исключение для получения высоких технических характеристик.

3. В особых условиях конструкция должна выполняться из материалов, имеющихся в наличии, и должна быть рассмотрена замена материалов недефицитными без ухудшения или с заведомо определенным ухудшением свойств изделий.

4. Функционально выбор материала определяется:

• физическим явлением, лежащим в основе принципа действия изделия;

• несущей силовой способностью материала;

• взаимовлиянием материалов, работающих в парах;

• внешними и внутренними воздействиями.