В машиностроении применяется огромное количество материалов. Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое использование в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала, а также и от основных свойств: физических, химических, механических, технологических и специальных. В качестве материалов для машиностроения используются металлические и неметаллические материалы.

Несмотря на успехи, достигнутые в создании неметаллических материалов, все же основными материалами, используемые в машиностроении, являются и еще долго будут оставаться металлы и их сплавы.

В настоящее время для литья различных деталей на машиностроительных заводах наиболее употребительным материалом является чугун. Например, из него отливают станины станков, суппорты, зубчатые колеса, цилиндры, корпуса электродвигателей, плиты; детали швейных, печатных, счетных, сельскохозяйственных, текстильных и других машин.

Чугуном называется сплав железа, углерода, кремния, марганца и других веществ, содержащих 2,14-4,5% углерода. Чугун классифицируется в зависимости от химического состава, назначения, структуры и технологии получения.

Углерод , входящий в состав чугуна, может находиться в свободном состоянии в виде отдельных частиц графита, вкрапленных между зернами железа, и в химическом связном состоянии- в виде карбита железа Fe₃С (цементита). В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в чугуне, различают серый, белый, высокопрочный и ковкий чугун.

Если чугун заливают в песчаные формы, то его структура приобретает вид серого чугуна, а при быстром охлаждении (литье в металлические формы), при уменьшении содержании кремния или повышенном содержании марганца получается структура белого чугуна.

По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида.

1. серый перлитный со структурой перлит + графит.(количество связанного углерода составляет 0,8%)

2. серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит + графит (количество связанного углерода составляет < 0,8%)

3. серый ферритный со структурой феррит + графит (весь углерод в виде графита)

Механические св-ва серого чугуна зависят от свойств металлической основы и её кол-ва, формы и размеров графитных включений (пустот).

Марка серого чугуна состоит из букв Сч (серый чугун) и цифры, показывающие значение временного сопротивления при растяжении. Показателями механических свойств серых чугунов в соответствии с ГОСТ1412-85 является прочность при статическом растяжении.

Белый чугун специальной обработкой можно превратить в ковкий. Разновидностью белого чугуна является отбеленный чугун, который образуется при быстром охлаждении отливки. Отливки из такого чугуна (валки прокатных станов, вагонные колеса) имеют весьма твердый поверхностный слой с мягкой основной массой, т.е. структура белого чугуна постепенно переходит в серый.

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью, что связано с меньшим влиянием хлопьевидной формы графита на мех-ие свойства металлической основы. По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными. Ферритные чугуны получают из белых чугунов двойной плавки. При этом состав белого чугуна должен иметь два 2,4 – 2,9% С, 0,8 – 1,5% Si, 0,2 – 0,9%Mn, до 0,2%S и до 0,18Р. Маркировка ковких чугунов Кч и цифрами (как высокопрочных чугунов). Перлитные чугуны более прочные, а ферритные более пластичные.

Высокопрочными называют чугуны в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают путём модифицирования магния. После модифицирования чугун имеет следующий химический состав: 3 – 3,6% С; 1,8 – 2,9% Si; 0,4 – 0,7 % Mn; 0,02 – 0,08% Mg; ≤ 0,15% Р; ≤ 0,03% S. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным, феррито-перлитным, перлитным. Маркируют высокопрочные чугуны по пределу прочности и относительному удлинению. Например Вч45-5, где 45 кгс/мм – предел прочности, 5% относительное удлинение.

Чугуны, содержащие легирующие примеси (никель, молибден, хром, ванадий, алюминий, титан и др.) или обычные примеси (кремний, марганец), но с повышенным их процентным содержанием, называются легированными.

Легирующие составляющие вводят в состав чугуна для получения отливок со специальными свойствами, например повышенной прочностью, ударной вязкостью, электросопротивлением, кислостойкостью и т.д.

Сталь, также как и чугун, - сложный сплав с углеродом, но с меньшим содержанием углерода (до 2,14%) и примесей: кремния (до 0,4%), марганца (до 1,1%), фосфора (до 0,06%) и серы (до 0,07%). Сталь, как и чугун, относится к черным металлам.

Сталь можно ковать, прокатывать и отливать. Она имеет высокие механические характеристики, ее можно обрабатывать резанием, закаливать и т.д. В сравнении с чугуном сталь менее жидкотекучий и легкоплавкий металл, но вследствие высоких конструкционных качеств, благоприятного сочетания механических и технологических свойств широко применяется как основной конструкционный металл в машино- и приборостроении.

Сталь выплавляют из жидкого чугуна в конверторах (бессемеровский, томасовский и кислородно-конверторный способы) или переплавляют в пламенных (мартеновский способ) и электрических печах. Бессемеровский способ основа на продувке жидкого чугуна, находящегося в конверторе с динасовой (кислой) кладкой, холодным воздухом. Из чугуна при продувке через днище конвертора выгорает углерод, кремний, марганец, сера и фосфор, вследствие чего чугун превращается в сталь. Если конвертор имеет кладку из доломита (основную) и для плавки добавляют известь, способ называют томасовским. Кислородно-конверторный способ заключается в продувке чугуна технически чистым кислородом. Мартеновский способ – это процесс получения стали из чугуна и железного лома переплавкой их на поду мартеновской печи. Переплавка металла в печах, нагреваемых электрическим током, называется электрической плавкой.

Основными классификационными признаками стали являются способ производства, химический состав, назначение, качество, форма и размеры заготовок.

Классифицируются стали по содержанию углерода: низкоуглеродистые стали (до3%С), среднеуглеродистые (0,3-0,7%С), высокоуглеродистые ( свыше 0,7%С).

Классифицируются стали по качеству: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06%S и 0,07%Р, качественные- не более 0,04%S и 0,035%Р, высококачественные – не более 0,025%S и 0,025%Р. стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5%С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными.

Классифицируются стали по назначению: конструкционные и инструментальные.

Конструкционная сталь бывает углеродистой и легированной. Она служит для изготовления различных сооружений и инженерных конструкций, деталей машин, станков, крепежных и других изделий, их делят на стали обыкновенного качества и стали качественные машиностроительные. Углеродистые качественные стали идут на изготовление балок, осей, рельсов, деталей машин, механизмов и т. д.

Инструментальная сталь подразделяется на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200⁰ С) деформирования.

Автоматная сталь отличается хорошей обрабатываемостью резанием за счет повышенного содержания серы и фосфора. Оба эти элемента повышают стойкость инструмента. Эти стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС». Чтобы не проявлялась красноломкость, в сталях увеличено количество марганца. Добавление в автоматные стали свинца, селена и теллура позволяют 2-3 раза сократить расход режущего инструмента.

Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. В основном их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента и для штампово-инструментальной оснастки регламентированного размера. Углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) производят качественные – (У7, У8, У9, …, У13) и высококачественные – (У7А, У8А, У9А, …, У13А). Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Высококачественные стали имеют то же назначение, сто и качественные, но из-за несколько лучшей вязкости их чаще используют для инструментов с более тонкой режущей кромкой.

Легированные стали обладают особыми свойствами. Так, например, если к стали добавляют легирующие примеси, то ее называют легированной и она приобретает новые ценные качества: повышается прочность, твердость, вязкость и др. к легированным сталям со специальными свойствами относятся магнитная, коррозийно-стойкая, кислостойкая, жаропрочная, окалиностойкая, износостойкая, с особям тепловым расширением и электорсопротивлением и т. д.

Химический состав легированных сталей является основой для их маркировки буквенно-цифровой системой. Буквами обозначают легирующие элементы. Если их более1%, то после буквы ставят число, которое обозначает процентное содержание его в стали. Х-хром, Н-никель, Г-марганец, С-кремний, Т-титан, В-вольфрам, М-молибден, Ф-ванадий, Ю-алюминий, Д-медь, К-кобальт, Р-бор. Если в конце названия мрки стали стоит буква А, то это означает, что сталь высококачественная, содержащая наименьшее количество вредных примесей. Кроме того, высоколегированные стали обозначают буквами, которые ставят впереди, например: Ш-шарикоподшипниковая сталь, Е-магнитная, Э-электротехническая, Р-быстрорежущая. Число, стоящее впереди марки конструкционных сталей, обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента .за цифрами стоят буквы условных наименований легирующих элементов и числа, обозначающие процентное содержание их в стали.

В основу классификации легированных сталей заложены четыре признака: равновесная структура (после отжига), структура после охлаждения на воздухе (после нормализации), состав и назначение сталей.

Цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали. К этой группе сталей относятся низко- и среднелегированные стали (20Х, 15Х, 25ХГТ, 12ХНЗА и др.) с содержанием углерода 0,1-0,3%, обеспечивающие после химико-термической обработки, закалки и низкого отпуска высокую поверхностную твердость (HRC 58-62) при вязкой, но достаточно прочной сердцевине. Эти детали используют для изготовления деталей машин и приборов (кулачков, зубчатых колес и др.), испытывающих переменные и ударные нагрузки и одновременно подверженных износу.

Карбидо- нитридообразующие элементы (такие, как Cr, Mn, Мо и др.) способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твердости, износостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость сердцевины и диффузионного слоя и снижает порог хладоломкости.

Хромистые (15Х, 20Х) и хромованадиевые(15ХФ. Содержит 0,15V) стали цементуются на глубину 1,5 мм.

Хромомарганцевые стали (18ХГТ, 25ХГТ), широко применяемые в автомобилестроении, содержат по 1% хрома и марганца, а также 0,06% титана.их недостатком является склонность к внутреннему окислению при газовой цементации, что приводит к снижению твердости слоя и предела выносливости. Этот недостаток устраняется легированием стали молибденом (25ХГМ). Для работы в условиях изнашивания используют сталь 20ХГР, легированную бором. Дополнительное введение в сталь1% никеля (20ХГНР) приводит к увеличению ее пластичности, вязкости и прокаливаемости.

Улучшаемые легированные стали. Это стали (40Х, 40ХФА. ХГСА, 38ХН3МФА и др.) содержат 0,2-0,5% углерода и 1-6% легирующих элементов. Данные стали применяют для изготовления валов, шатунов, штоков и других деталей, подверженных воздействию циклических или ударных нагрузок. В связи с этим улучшаемые стали должны обладать высоким пределом текучести, пластичностью. Вязкостью, малой чувствительностью к надрезу.

Хромистые улучшаемые стали (30Х, 40Х, 50Х) содержат 1% Cr, 0,65Mn, и 0,3-0,5С%. повышенное содержание углерода вызывает увеличение прочности.

Хромокремний марганцевые стали 30ХГСА, 35ХГСА, называемые хромансилами, содержат по 1% хрома, марганца и кремния и характеризуются хорошими механическими и технологическими свойствами.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН,30ХНЗА и др.) содержат 0,5-0,8%Cr и 1-3%Ni. Они отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью, вязкостью. Эти стали легированные молибденом и ванадием, 36Х2Н2МФА, 38ХН3МА, 38ХН3МФА и др., обладают улучшенными свойствами. Повышение в них содержания никеля до 3-4% еще более улучшает прокаливаемость и снижает порог хладоломкости с –40⁰С до-60⁰С. Стали относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300-400⁰С.

Из них изготавливают валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.

Высокопрочные стали. Это стали имеют предел прочности 1500-2000 МПа и более. Этим сталям необходимо иметь достаточный запас пластичности и вязкости. К высокопрочным сталям относятся:

а) средне углеродистые комплексно-легированные стали, используемые после закалки с низким отпуском или после термомеханической обработки (30ХГСН2А, 40ХН2МА, 38ХН3МА);

б) мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, Н12К15М10, Н10Х11М2Т);

в) метастабильные аустенитные стали (трип-стали).

Из среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей большое применение, особенно в самолетостроении, находит сталь 30ХГСН2А, представляющая собой хромансил, улучшенную за счет добавки 1,6% Ni. Эта сталь используется для изготовления деталей фюзеляжа, шасси, силовых сварных конструкций и др. Мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ, 03Н19К6М5ТР и др.) превосходят по конструктивной прочности и технологичности среднеуглеродистые стали. Они рекомендуются для изготовления корпусов ракетных двигателей, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, катапульт самолетов, шасси, гидрокрыльев. Корпусов подводных лодокЮ батискафов. Деталей криогенных сосудов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, шпинделей, червяков и т. д. Метастабидьные аустенитные стали (трип-стали) или ПНП-стали (ПНП - пластичность, наведенная превращением). Стали этого класса 30Х9Н8М4Г2С2, 25Н25М4Г1 и др. содержат 0,2-0,3%С, 8-10%Cr, 8-25% Ni, 2-6%Мо, 1-2,5%Mn, до 2%Si. В результате закалки, наклепа и деформационного старения эти стали приобретают оптимальные механические свойства: высокую прочность, хорошую пластичность и трещиностойкость. Из этих сталей изготовляют проволоку, тросы, высоконагруженные детали.

Пружинные стали общего назначения. Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материла. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А.

Лучшими технологическими свойствами, чем кремнистые стали, обладает сталь 50ХФА, широко используемая для изготовления автомобильных рессор. Клапанные пружины делают из стали 50ХФА, не склонной к обезуглероживанию и перегреву, но имеющие малую прокаливаемость. Повышение прокаливаемости достигают легированием этой стали марганцем.

Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустинита-мартенситных (0915Н8Ю) и др.сталей и сплавов.

Шарикоподшипниковые стали. Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается повышением качества металла: его отчисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава. При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15 и ШХ15СГ. Детали подшипников качения испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95% С и 18%Cr.

Жаростойкие и жаропрочные стали. Под жаростойкостью (окаленостойкостью) понимают сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах (выше 550 ⁰С). для повышения окалиностойкости стали легируют элементами (хромом, алюминием и кремнием), имеющими большее сродство к кислороду чем железо, и образующими на поверхности стали оксидные пленки.

Жаропрочные стали перлитного класса – это низколегированные стали (12Х1МФ, 25Х1М1Ф, 20Х1М1Ф1БР и др.): это трубы пароперегревателей, арматура паровых котлов, детали крепежа.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов (15Х11МФ, 11Х11Н2Б2МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.) используются при температурах до 580-600⁰С. Из них изготовляются детали газовых турбин и паросиловых установок.

Аустенитные стали обладают большей жаропрочностью, чем мартенситные, - их рабочие температуры достигают 700-750⁰С (08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н19В2БР). Эти стали используют для изготовления трубопроводов силовых установок высокого давления. Сталь 45Х14Н14В2М – для изготовления клапанов авиационных двигателей.

Стали с интерметаллидным упрочнением (10Х11Н20Т3П, 10Х11Н23Т3МР) содержат небольшое количество углерода и дополнительно легированы титаном, алюминием и бором. Используются для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструкций, работающих при температурах до 700⁰С.

Твердые сплавы.

К спеченым твердым сплавам относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, сцементированных металлической связкой методом порошковой металлургии. В последнее время они приобрели широкое применение для изготовления режущих инструментов и деталей специальных машин, так как выдерживают высокие температуры нагрева, что объединяет их в общую группу красностойких материалов.

Спеченные твердые сплавы.

Различают три группы твердых сплавов; вольфрамовые (ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК4-8, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ и др.); титано-вольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12) и титано-тантало-вольфрамовые (ТТ7К12, ТТ10К8-Б, ТТ8К6, ТТ20К9). Твердые сплавы содержат вольфрам, титан, тантал и кобальт примерно в таком процентном количестве, как как значится в числе, стоящем рядом с буквенным обозначением. Так, например, слав ВК8 содержит 92% карбида вольфрама и 8% кобальта; сплав Т15К6 содержит 15% карбида титана и 6% кобальта, а остальные 79% составляет карбид вольфрама. Твердосплавные пластинки, напаянные на режущую часть инструментов, по твердости приближаются к алмазу и применяются для обработки деталей из закаленных стальных, отбеленных чугунных и других материалов.

Наплавочные твердые сплавы.

Наплавочные твердые славы наплавляются на упрочняемую поверхность или на режущую кромку резца электродуговым или ацетилено-кислородным пламенем. Наплавочные сплавы делятся на литые, электродные и зернообразные. Литые твердые сплавы чрезвычайно стойки к действию коррозии и высоких температур. Они применяются в виде прутков и круглых стержней. Материал деталей машин и инструментов, на которые наплавляют литые твердые сплавы, - это обычная углеродистая сталь. Стойкость инструментов, прошедших наплавку, повышается в 8-12 раз и более. Инструмент или детали после наплавки отжигают, обрабатывают резанием для предания необходимой формы и размеров, закаливают и отпускают.

Минералокерамические сплавы.

Минералокерамические твердые сплавы – дешевые инструментальные материалы, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и хорошими режущими свойствами. Минералокерамические сплавы имеют повышенную хрупкость и не выдерживают изгибающих нагрузок. Так, например, спеченные твердые сплавы характеризуются пределом прочности на сжатие до 4000 МН/м² (400 кгс/мм²) и на изгиб до 1300 МН/м² (130 кгс/мм²), а минералокерамические имеют предел прочности на сжатие 2500 МН/м² (250 кгс/мм²) и на изгиб 300-400 МН/м² (30-40 кгс/мм²). Такие материалы, как термокорунд ТВ и микролит ЦМ хрупкие, поэтому дальнейшее развитие керамики не ограничилось их применением, и в результате появился кермент и оксидно-карбидная керамика. В настоящее время для изготовления режущих инструментов на некоторых заводах применяют режущую керамику В3, которая характеризуется высокими режущими свойствами.

Цветные металлы и сплавы.

Цветные металлы разделяются на благородные, тяжелые, легкие и редкие. К благородным относятся металлы с высокой коррозийной стойкостью, как, например, золото, платина, палладий, серебро, иридий, родий, рутений и осмий. Это металлы с красивым блестящим цветом, качество которых улучшается в сплаве, поэтому их используют в виде сплавов в электротехнике, электровакуумной технике, химическом аппаратостроении, приборостроении, медицине, кинофотопромышленности, ювелирном деле, а также применяют для антикоррозийной защиты изделий. К тяжелым относятся металлы с большой плотностью, как, например, свинец, медь, цинк, никель, кобальт, марганец и т.д. тяжелые металлы применяют главным образом в виде сплавов как легирующие компоненты. А также металлы, как свинец, медь, цинк, никель, отчасти кобальт, используют в чистом виде. К легким относятся металлы с плотностью менее 5, как, например, алюминий, титан, литий, калий, натрий, рубидий, церий, кальций, магний, бериллий. Их применяют в качестве раскислителей металлов и сплавов, для легирования, в пиротехнике, медицине и т. д., используя особые химические свойства большинства этих металлов. Практическое применение эти металлы имеют в виде сплавов. К редким относятся цветные металлы с особыми свойствами, как, например, вольфрам, молибден, тантал, ванадий, селен, теллур, индий, германий, церий. Цирконий, таллий и др. используются они в виде сплавов как легирующие тугоплавкие и твердые металлы.