§ 1.4. Конструкционные и смазочные материалы.

Выбор материалов и их механических характеристик определяется необходимостью обеспечения прочности и износостойкости деталей машин, при известных условиях нагружения, в течение заданного срока службы, а также условиями изготовления и экономическими факторами. Правильно выбранный материал определяет надежность детали и всей машины.

Наибольшее распространение в машиностроении получили следующие материалы: стали, чугуны, цветные металлы, пластмассы, порошковые материалы, резина, графит и др.

Конструкционные стали – сплавы на основе железа, с содержанием углерода до 2,14 %. Углеродистые стали бывают общего назначения и качественные конструкционные. В зависимости от процентного содержа­ния углерода, стали общего назначения бывают; низкоуглеродистые (содер­жание углерода до 0,25 %), среднеуглеродистые - (0,25.,.0,6%) и высо-коуглеродистые -(0,6...2,14%). Низкоуглеродистые стали обозначаются буквами Ст. и цифрами в поряд­ке возрастания прочности, при этом цифра соответствует минимальному значению временного сопротивления (МПа.), деленному на 100,(например, Ст.5). Среднеуглеродистые стели обозначают цифрами- сталь35, 45 и т.д. до 60, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях %. Качественные конструкционные стали содержат легирующие присадки, для улучшения механических, коррозионных и других свойств. Легированные стали обозначают двузначными цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, и буквами, обозначающими содержание основных легирующих элементов.

Например, сталь 20XH2M содержит 0,2 % углерода, 1 % - хрома, 2 % - никеля, и 1 % - молибдена. Легированные стали, как правило, подвергают термической обработ­ке, для улучшения их механических характеристик.

Основными видами термической обработки сталей являются; отжиг, нормализация, закалка и отпуск. При отжиге умень­шаются остаточные напряжения в деталях, изготовленных отливкой или под давлением. Нормализация улучшает механические свойства материала и обрабатываемость при резании. Закалка повышает прочность, твердость и износостойкость деталей и может быть пoвepxнocтнoй (на заданную глубину, измеряемую в микронах) или объемной. При отпуске снижаются остаточные напряжения, твердость и повышается вязкость закаленных деталей.

Химико-термическая обработка предназначена для повышения твер­дости поверхностных слоев детали и заключается в насыщении их углеро­дом (цементация), азотом (азотирование), углеродом и азотом (цианирование и нитроцементация).

Механическое упрочнение (наклеп) заключается в пластическом деформировании поверхност­ных слоев деталей машин, за счет обкатки специальными роликами, дробеструйной обработки, чеканки и т.п. Упрочнение поверхностных слоев деталей может быть достигнуто наплавкой или напылением более прочных и износостой­ких материалов, а также за счет облучения лазерным, электронным или ионным источником энергии.

Чугуны – сплавы, на основе железа, с повышенным по сравнению со сталью содержанием углерода, с улучшенными литейными свойствами и по­ниженной пластичностью. В машиностроении различают следующие виды чугунов: серый чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита; белый чугун в котором углерод находится в связанном состоянии; ковкий чугун, получаемый отжигом белого чугуна.

Серый чугун применяют для деталей сложной конфигурации, получаемых путем литья. Серый чугун обозначают - СЧ и последующей цифрой, которая указывает временное сопротивление при растяжении в кг/мм²( например,

СЧ 20).

Ковкий чугун применяют для литых деталей, на которые во время работы могут воздействовать ударные нагрузки. Ковкий чугун обладает хорошими литейными свойствами, высокой прочностью и модулем упругос­ти. Он обозначается, например, КЧ 30 - 6, что означает ковкий чугун с временным сопротивлением 300 МПа и относительным удлинением 6 %.

К сплавам цветных металлов относят - бронзы, латуни, баббиты, легкие сплавы, биметаллы.

Бронзы - сплавы на основе меди с легирующими присадками, из олова, свинца, алюминия, бериллия и др., обладают высокими антифрикционными свойствами, хорошим сопротивлением коррозии. Находят применение в узлах трения (вкладыши подшипников скольжения, трущиеся пары в червячных и винтовых передачах). В обозначениях бронз указывается процентное содержание основных компонентов. Например; Бр010Ф1 обозначает бронзу, с содержанием в среднем 10% олова и 1% фосфора.

Латуни - сплавы меди с цинком, обладают хорошим сопротивлением коррозии, достаточной прочностью, антифрикционными свойствами и технологичностью. Находят применение при изготовлении гильз, труб, проволоки для электрической aппаратуры и т.п. Обозначение латуни, нап­ример, Л 59, указывает на процентное содержание меди (59 %). В ма­шиностроении помимо простых латуней используют сложные, содержащие также свинец, марганец, алюминий, никель, олово и др.

Баббиты - сплавы на основе мягких металлов (олова, свинца, кальция), обладают высокими антифрикционными свойствами, используют для вкладышей подшипников скольжения и допускают работу со значительными скоростями и давлением смазки.

Легкие сплавы - получают на основе алюминия или магния и при­меняют для поршней, ползунов быстроходных машин; шкивов, сепараторов подшипников и для корпусных деталей транспортных двигателей.

Из литейных алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили силумины, с содержанием кремния до 20%. Для деталей, получаемых давлением, используют дуралюмины – сплавы, содержащие алюминий, медь, магний и марганец.

Биметаллы - материалы, состоящие из двух или более слоев (например, из стали и цветного сплава) и предназначенные для повышения антифрикционных свойств и коррозионной стойкости. Биметаллические детали получают отливкой, плакированием (совместной прокаткой), сваркой, пайкой, взрывом и т.п.

Пластические массы - материалы, на основе высокомолекулярных органических соединений (смол), обладающие пластичностью и способ­ностью к формованию. Для улучшения механических свойств пластмасс, в них добавляют наполнители, пластификаторы, красители и т.п. В качестве наполнителей используют бумагу, асбест, графит, стеклоткань и др., что позволяет сильно изменять свойства пластмасс, которые могут иметь прочностные характеристики, сравнимые со сталью. Такие материалы называют композиционными, т.е. представляющими композицию из высоко­прочных ориентированных волокон и основы (матрицы) из связующего материала (смолы).

Пластмассы обладают высокой тепло- и электроизоляционной способ­ностью и демпфирующей способностью. К недостаткам пластмасс можно отнести: низкую теплостойкость, ста­рение и холодную ползучесть.

Порошковые материалы получают путем прессования и последующего спекания в пресс- формах специально подготовленных порошков. На практике применяют как однородные порошки, так и смесь различных металлов, a также смесь металлов с неметаллическими материалами, например, кремнием и получают металлокерамику. При этом получаются композиционные материалы с новыми свойствами – жаропрочные, износостойкие, антифрикционные, химически стойкие и др. Детали, изготовленные методом порошковой металлургии, не нужда­ются в последующей механической обработке.

Резина - изготовляется на основе каучука, допускает большие деформации, хорошо сопротивляется износу и действию агрессивных сред. Из нее изготавливают шины, амортизаторы, упругие элементы муфт, приводные ремни, уплотнения и т.п.

Графит - обладает хорошей электро- и теплопроводностью, высокой температурной стойкостью, малым коэффициентом трения и ис­пользуется для смазки трущихся поверхностей деталей машин.

Смазочные материалы - используют для уменьшения трения, износа, охлаждения деталей машин, повышения долговечности и КПД. Смазочные материалы бывают жидкими, консистентными (густые мази), твердыми и газообразными. Жидкие масла хорошо работают в широком диапазоне температур и скоростей, обладают малым внутренним трением. Наибольшее распространение получили минеральные масла - продукты переработки нефти (веретенные, моторные и т.п.), Растительные масла (льняные, касторовые и др.) имеют высокие смазывающие свойства, но они дороги в производстве и используются ограниченно в специальных конструкциях. Для повышения эксплуатационных показателей, в минераль­ные масла вводят специальные присадки.

Консистентные смазочные материалы (солидолы, тавоты, консталины) получают путем загущения жидких минеральных масел. Они гермети­зируют трущиеся поверхности и допускают большие удельные нагрузки по сравнению с жидкими смазочными материалами.

Твердые самосмазывающиеся антифрикционные материалы применяют для смазки трущихся поверхностей в условиях повышенных или криогенных температур, при опасности загрязнения изделия или окружающей среды. К таким материалам можно отнести самосмазывающиеся пластмас­сы, графиты с антифрикционными добавками, спеченные самосмазывающиеся материалы (железо- и бронзографиты), керамические материалы на основе окиси алюминия, окиси циркония, нитрида кремния и др.

Применение наполнителей (фторопласта, графита) понижает коэф­фициент трения сталь по стали до f 0,008 и значительно повышает долговечность трущихся деталей.

Газообразная смазка находит применение в основном в быстроход­ных подшипниках скольжения. При этом используют нейтральные газы (аргон, гелий) или обезвоженный воздух.