2. Вибір матеріалів при конструюванні вузлів тертя.

Вибір матеріалів представляє собою важку задачу, не дивлячись на те, що практика машинобудування має великий досвід. Вибір залежить від конструкції і призначення вузла, технології виробництва, умов експлуатації, від вимог по загальній міцності деталей, строку їх служби і надійності при врахуванні вартості матеріалу і його дефіцитності, витрат на виготовлення деталей із вибраного матеріалу і експлуатаційних витрат.

Зв'язок деяких перечисленних факторів з вибором матеріалів розглянемо спочатку на прикладі поршневих кілець і циліндрів двигунів внутрішнього згорання. Газоущільнювальні поршневі кільця робочих циліндрів суднових дизелів з низьким тепловим навантаженням виготовляють із перлітного сірого чавуну масової або індивідуальної відливки, коли циліндр виготовлений із перлітного чавуну, який відливають в землю. При даному хімічному складі ці матеріали забезпечують високу зносостійкість пари циліндр-поршневе кільце. При високих теплових навантаженнях кільця, наприклад, в автомобільних двигунах, де значну роль відіграє корозійне зношування циліндро-поршневої групи, циліндри і поршневі кільця виготовляють із легованого чавуну. На деяких двигунах у верхній частині циліндрів вставляють короткі гільзи з нерезито-аустенітного чавуну з високим вмістом нікелю. Нерезит має високу опірність до корозійного зношування, добре обробляється різцем. Недоліком такої конструкції циліндра є утворення при експлуатації сходинки між основним циліндром і нерезитовою вставкою внаслідок різної зносостійкості їх матеріалів, що викликає підвищене зношування поршневих кілець.

В авіаційних поршневих двигунах повітряного охолодження, із властивим їм важким режимом роботи, відносно тонкостінні циліндри для забезпечення їх високої зносостійкості виготовляють із азотованої сталі. Поршневі кільця, які при середній температурі 300...400(С повинні зберігати значну пружність і високу твердість, роблять із теплостійкого чавуну ХТВ, легованого хромом, титаном і вольфрамом.

Литі колінчаті вали мають перевагу перед валами із кованої сталі у економії матеріалу, зниження трудомісткості і скорочення технологічного циклу. Великі можливості існують для удосконалення конструкції литого валу.

Сплави, які застосовуються для колінчатих валів, можна поділити на стримуючі у своїй структурі графіт (чавуни, графітизована сталь) і які не утримують графіт (вуглецева і легована сталі). Сплави першої групи більш зносостійкі. Потоковість виробничого процесу легше здійснити при виготовленні чавунних валів. Якщо за одиницю прийняти вартість валу, виготовленого із високоякісного чавуну з пластинчатим графітом без термообробки, то вартість валу з перлітного ковкого чавуну буде 2,5...3; із чавуну з кулькоподібним графітом без термообробки - 1,25; з термообробкою з вуглецевої сталі - 2,5; із легованої сталі - 2,5; із графітизованої сталі - 3...3,3.

Вуглецева сталь поступається чавунам з кулькоподібним графітом: при майже однакових механічних властивостях сталі і чавуну плавка і розливання останнього простіша; в чавунах утвориться менше тріщин, зносостійкість колінчатих валів, виготовлених із них без термообробки, не нижче, ніж валів з вуглецевої сталі, шийки яких загартовані з нагрівом СВЧ. У валах з литої легованої сталі ймовірність утворення флокенів менша, ніж у валах із кованої сталі того ж складу. Дендрити, розміщені перпендикулярно поверхні шийки вала, роблять литі вали більш зносостійкими, ніж ковані. Графітизована сталь, у структурі якої є включення графіту, за властивостями близька до чавуну з кульковидним графітом, маючи більш високі механічні властивості. Із модифікованих чавунів з пластинчатим графітом, які мають менший модуль пружності, можна виготовляти колінчаті вали, менш чутливі до порушення правильності осьової лінії, ніж стальні вали. Цим чавунам властиві високі динамічні характеристики матеріалу.

Чавун з кульковидним графітом і металічною основою із пластинчатого або зернистого перліту - найбільш розповсюджений матеріал для виготовлення колінчатих валів двигунів автомобілів, тракторів, комбайнів, тепловозів та інших машин. В простішому випадку термообробка валу обмежується старінням, що дозволяє механічно оброблювати вали з мінімальною правкою для ліквідації короблення. Для збільшення міцності вдаються до термообробки або до легування нікелем, хромом, молібденом, міддю. Для підвищення циклічної в'язкості матеріалу створюють чавун зі змішаною формою графіту - у литві до 25% його знаходиться в пластинчатій формі. З метою підвищення зносостійкості чавуну інколи використовують азотування.

Для більшої надійності деталей підбирається матеріал, нехтуючи його зносостійкістю. В плунжерних парах паливної апаратури двигунів широко використовують загартовану сталь по загартованій сталі. Між тим, таке поєднання матеріалів для ротора лопатевого насоса і лопатки виявилось непридатним по причині виникнення заїдання. При використанні бронзових лопаток погіршується зносостійкість пари, але підвищується її надійність роботи.

На вибір матеріалів можуть впливати фізико-хімічні явища на поверхнях тертя, які залежать від умов роботи. Наприклад, високо марганцевиста сталь Гатфільда аустенітного класу, з якої виготовляють хрестовини рейок, щоки каменедробарок, зуби ковшів екскаваторів, дозувальні столи і інші деталі, у вихідному вилитому стані має аустенітну структуру з деякою кількістю мартенситу і домішками карбідів.

В деяких рухомих сполученнях, наприклад, в зубчатих муфтах, через невеликі взаємні зміщення деталі виготовляють з незагартованих сталей, які погано працюють в парах тертя. Малі переміщення незакономірного характеру часто не викликають в конструктора побоювання відносно зносостійкості. Але при достатній твердості матеріалів довговічність виробу по зношенню може виявитись незадовільною.