3.1.2 Выбор и обоснование материала детали

В разделе посвященному выбору и обоснованию материалу детали при производстве данной детали необходимо учитывать количество выпуска данной детали, экономичность производства, экологию и другие факторы.

В данном разделе на основании анализа технического задания необходимо определить материалы, которые могли бы удовлетворить условиям эксплуатации, обозначенным в данном задании, т.е. провести сравнение технических характеристик, физико-механических, химических свойств рассматриваемых материалов (не мене трех), и сделать аргументированный выбор материала.

Рациональный выбор материалов для деталей должен производиться с полным знанием физико-механических, химических и технологических свойств материалов и основываться на соответствии этих свойств эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям.

Эксплуатационные требования, предъявляемые к материалу, определяются функциональным назначением и условиями работы детали в механизме. Для их удовлетворения учитываются следующие свойства материалов: прочность, характеризующая величиной предельных напряжений –σ _в, σ_т; ударная вязкость, которая характеризует способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам; износостойкость, которая зависит от твердости материала по Бринелю (НВ) или по Роквеллу (HRC), стойкость против коррозии, плотность - ρ, специальные требования: температурный коэффициент линейного расширения, электропроводность, магнитные свойства и др.

В случае, когда малая масса детали имеет важное значение, производится сравнительная оценка весовых критериев качества материала, которые определяются на основе сравнения масс геометрически подобных образцов равной прочности, изготовленных из различных материалов. Например, весовым критерием качества материала при растяжении является удельная прочность – σ_в /ρ. Для получения детали малой массы рекомендуется применять материал, имеющий большую удельную прочность.

Технологические требования, предъявляемые к материалу, определяются минимальной трудоемкостью и стоимостью изготовления детали в конкретных условиях производства. Для удовлетворения этих требований учитываются следующие свойства материалов:

а) литейные свойства материалов, обеспечивающие высокое качество деталей, получаемые различными способами литья;

б) пластичность материала, позволяющая применять при изготовлении деталей обработку давлением: ковку, горячую и холодную штамповку, прессование, вытяжку и другие процессы;

в) обрабатываемость резанием;

г) способность материала изменять свои свойства под влиянием термической и термохимической обработки: закалки, отпуска, цементации, азотирования и т.п.;

д) способность материала образовывать прочный поверхностный слой, предохраняющий материал от коррозии, в результате применения химических и гальванических покрытий.

Экономические требования, предъявляемые к материалу, определяются наименьшей полной себестоимостью детали, в которую включаются стоимость материала и все производственные затраты на изготовление детали.

Технологические и экономические требования нередко оказывают решающее влияние на выбор материала, формы и размеров детали. Например, при массовом и крупносерийном производстве экономически выгодно применять детали, изготовленные штамповкой, прессованием или литьем под давлением, а при мелкосерийном – это нерентабельно.

В зависимости от выбранного материала будут различаться и способы изготовления.

Для изготовления деталей в приборостроении применяют различные по маркам материалы. Выбор материала разрабатываемой детали зависит от ее назначения, от климатических условий эксплуатации, от годовой программы выпуска и других индивидуальных особенностей детали.

Рассмотрим некоторые материалы.

Цветные металлы и сплавы широко применяются в конструкциях приборов. Однако их применение должно быть обосновано в соответствии с заданными техническими требованиями, так как стоимость деталей из цветных металлов и сплавов значительно выше, чем из стали и пластмасс.

Алюминий относится к легким материалам, применение которых дает возможность снизить массу конструкций при одновременном повышении их прочности и жесткости. Алюминиевые сплавы характеризуют высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и технологическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Временное сопротивление алюминиевых сплавов достигает 500-700 МПа при плотности не более 2850 кг/м³. Большинство алюминиевых сплавов имеют хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью).

Применяют деформируемые и литейные алюминиевые сплавы В зависимости от возможности термического упрочнения деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Наибольшее распространение в качестве термически упрочняемых алюминиевых сплавов получили дуралюмины и высокопрочные сплавы типа В-95( алюминиево-магниево- цинковой сплав), этот сплав применяется для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса). В маркировке дуралюминов буква Д обозначает дуралюмин, а цифра – условный номер сплава, например, марки Д1, Д6, Д16, Д18 и др. В маркировке высокопрочных сплавов типа В95 буква В обозначает высокопрочный, а цифра – условный номер сплава (марки В95, В93, В96 и др.). Термическая обработка деталей из дуралюмина состоит из закалки, необходимой для получения пересыщенного твердого раствора и естественного (в течение 4-7 суток) или искусственного (нагрев до 100-170°С в течение нескольких часов) старения. Наиболее высокую твердость и прочность после закалки и старения имеют дуралюмины марок Д16 и Д6, дуралюмины марок ДЗ и Д18 являются сплавами с повышенной пластичностью. Термическая обработка высокопрочных алюминиевых сплавов типа В95 состоит из закалки в воде и искусственного ступенчатого старения. После термической обработки прочность и твердость повышаются при сохранении высокой пластичности.

Из литейных алюминиевых сплавов наиболее распространенными являются силумины – сплавы алюминия с кремнием (5-14% Si). Сплав, содержащий 10-13% Si (марки АЛ2), обладает наилучшими литейными свойствами. Силумины маркируют буквами АЛ и цифрами (например, АЛЗ, АЛ5 и др.). Буквы АЛ обозначают алюминиевый литейный сплав, а цифры – порядковый номер сплава. Литейные алюминиево-кремниевые сплавы АЛ2, АЛ9 и др. обладают хорошими литейными свойствами (жидкотекучесть, малая усадка) и удовлетворительными механическими свойствами; применяются для средне нагруженных отливок (корпуса, крышки, кронштейны). Некоторые алюминиевые сплавы могут применяться как жаропрочные для работы при температурах 200-350°С. К ним относятся деформируемые сплавы марок АК2, АК4 и др. Эти сплавы подвергают термической обработке, состоящей из закалки и искусственного старения. Выбор алюминиевых сплавов для литых деталей определяется механическими и технологическими свойствами литейных алюминиевых сплавов. Назначение алюминиевых литейных сплавов очень широко, например:

АЛ1 - детали средней нагруженности, работающие при повышенных температурах (поршни, головки цилиндро-двигателей и др.);

АЛ2 - тонкостенные детали сложной конфигурации, работающие при ударных нагрузках (корпусные детали, рычаги, кронштейны, крышки и др.);

АЛ3 - детали, не несущие больших нагрузок и работающие при повышенных температурах (крышки, кронштейны и др.);

АЛ4 - крупные детали сложной формы, несущие статическиеи ударные нагрузки (картеры и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. п.);

АЛ7 - небольшие детали простой конфигурации, несущие большие статические нагрузки (кронштейны, упоры, подвески и т. п.);

АЛ8 - детали простой формы, работающие в агрессивных средах и несущие большие нагрузки (арматура, корпусы приборов на морских судах);

АЛ9 - сложнопрофильные нагруженные детали, работающие в агрессивных средах и требующие сварки (корпусы насосов редукторов, картеры двигателей и др.);

АЛ33 - детали, работающие при температуре до 350°С.

Медь и ее сплавы находят широкое применение в электротехнике, электронике, приборостроении, литейном производстве, двигателестроении. Так, 50% полученной меди потребляется электротехнической и электронной отраслями промышленности. Она стоит на втором месте (вслед за алюминием) по объему производств среди цветных металлов.

Медь обладает ценами техническими и технологическими свойствами: высокими электро- и теплопроводностью, достаточной коррозийной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением, сваривается всеми видами сварки, легко поддается пайки, прекрасно полируется. У чистой меди небольшая прочность и высокая пластичность

Недостатками меди являются ее высокая стоимость, значительная плотность, большая усадка при литье, горячеломкость, сложность обработки резанием. Наиболее широкое применение получили медные сплавы- латунь и бронза.

Детали приборных механизмов чаще всего изготавливают из углеродистых качественных или легированных конструкционных сталей. По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную. Наиболее широкое применение получили углеродистые качественные стали 10,20,35, 50,65Г, (ГОСТ1050 –74),высокоуглеродистые высококачественные стали У8А, У10А (ГОСТ 1435 –74).

Стали 10 и 20 – низкоуглеродистые, пластичные и вязкие, цементируются, штампуются и применяются для деталей с малыми нагрузками или работающими на износ (после цементации).

Стали 35, 45, 50 подвергаются термообработке. Сталь 35 применяют для деталей с небольшими нагрузками (зубчатые колеса, втулки и т.п.), а сталь 50 – для деталей с высокими нагрузками, без ударов и истирания (зубчатые колеса, валы, рычаги и т.п.)

Сталь 65Г – пружинная, обладает высокими прочностью и упругостью, применяется для плоских пружин, пружинных шайб и других деталей.

Стали У8А и У10А (инструментальные) – хорошо закаливаются и обладают высокими прочностью и износостойкостью. Они применяются для ходовых винтов, червяков, ответственных валов и других деталей.

Легированные конструкционные стали разных марок (ГОСТ4543 –71) широко применяются для изготовления деталей, например:

18ХГТ- для деталей, работающих на больших скоростях при высоких давлениях и ударных нагрузках (зубчатые колеса, шпиндели, кулачковые муфты, втулки и др.);

40ХФЛ,ЗОХГС - Для ответственных высокопрочных деталей, подвергаемых закалке и высокому отпуску; для средних и мелких деталей сложной конфигурации, работающих в условиях износа (рычаги, толкатели); для ответственных сварных конструкций, работающих при знакопеременных нагрузках;

40Х - для деталей, работающих на средних скоростях при средних давлениях (зубчатые колеса, шпиндели и валы в подшипниках качения, червячные валы).

Использование пластмасс в производстве деталей РЭА как конструктивного материала составляет примерно 10% от общего используемого объёма пластмасс.

Пластмассы состоят из нескольких компонентов, основным из которых является полимер – высокомолекулярное органическое вещество (искусственная или естественная смола), выполняющая роль связующего материала для всех остальных компонентов. Помимо полимера в состав пластмасс входят наполнители, стабилизаторы, пластификаторы, смазки, красители, вспениватели и другие компоненты. Наполнители в виде кварцевой или древесной муки, молотой слюды, хлопчатобумажных или стеклянных волокон улучшают её прочность и уменьшают стоимость детали. Стабилизаторы предназначаются для замедления процесса старения пластмассы, т.е. изменения её свойств под действием тепла, кислорода воздуха и световой энергии. Пластификаторы вводят для улучшения пластических свойств. Смазывающие вещества необходимы для увеличения подвижности исходного материала при формировании деталей.

Использование пластмассы для изготовления деталей РЭА является экономически выгодным: стоимость пластмасс значительно ниже стоимости стали, чугуна и конечно цветных металлов, а также пластмассы достаточно прочные и легкие материалы, имеют плотность 0,9 – 2,2 г/см³. Некоторые из пластмасс обладают уникальными свойствами, например, по химической стойкости политетрафторэтилен, превосходит золото и платину, а ряд прозрачных пластмасс пропускаю ультрафиолетовые лучи, детали из пластмасс не требуют антикоррозионного покрытия.

По применению пластмассы можно подразделить на следующие группы:

- конструкционные – для силовых и не силовых деталей и конструкций;

- прокладочные;

- уплотнительные;

- фрикционные и антифрикционные;

- электроизоляционные, радиопрозрачные;

- теплоизоляционные;

- стойкие к воздействию огня, масел, кислот;

- облицовочно-декоративные.

Один и тот же пластик часто обладает свойствами характерными для нескольких групп. Например, текстолит может быть одновременно конструкционным, электроизоляционным и прокладочным материалом.

При выборе пластмасс для изготовления детали также необходимо подробно рассматривать их физико-механические и химические свойства. В зависимости от назначения применяются термореактивные и термопластические пластмассы. Термопласты отличаются низкой усадкой от 1 – 3%, для них характерны малая хрупкость, большая упругость и способность к ориентации. Они способны работать при температурах не выше 60 – 70^оС, поскольку выше этих температур их физико-механические свойства резко снижаются. Некоторые теплостойкие пластмассы способны работать при 150 - 200^оС, а термостойкие полимеры с жесткими цепями и циклической структурой устойчивы до 400 - 600^оС Предел прочности термопластов изменяется в пределах 10 -100МПа, а модуль упругости – (1,8 – 3,5)*10³МПа. Длительное статическое нагружение термопластов вызывает появление вынужденно-эластической деформации и снижает их прочность. Наличие в структуре полимеров кристаллической составляющей делает их более прочными и жесткими.

Термореактивные пластмассы отличаются хрупкостью, имеют большую усадку 10 – 15% и содержат в своем составе наполнители.

Керамические материалы - это материалы, полученные спеканием порошкообразных материалов, окислов металлов и других неорганических соединений при высоких температурах (1473 – 1873 К) в твердой фазе. Керамические материалы, твердые и хрупкие, обладают химической инертностью, негигроскопичностью, большим рабочим температурным диапазоном и практически не меняют свои свойства при хранении (не стареют). Из радиокерамических материалов изготавливают твердые изоляционные основания плат в микромодулях и в микросхемах, элементы корпусной защиты микросхем, а также каркасы катушек и другие радиодетали.

При выборе материала основания печатных плат (ПП) необходимо обратить внимание на следующее: предлагаемые механические воздействия (вибрация. удары, линейное ускорение и т.п.); класс точности (расстояние между проводниками); реализуемые электрические функции; быстродействие; условия эксплуатации; стоимость, а также на параметры материалов для изготовления ПП (удельное поверхностное ρ_s и объемное сопротивления ρ_v, диэлектрическая проницаемость ε, тангенс диэлектрических потерь tgδ) и заданных климатических условий необходимо выбрать наиболее подходящий материал для изготовления ПП.

Материалы оснований ПП, наиболее часто используемые в настоящее время для изготовления однослойных, двухслойных, многослойных, гибких печатных плат и их характеристики приведены в [15, 16], это в основном различные марки гетинаксов – фольгированных слоистых материалов (ФСМ) на основе склеенных листов бумаги и стеклотекстолитов – ФСМ на основе склеенных листов стеклоткани.

По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков: невысокую нагревостойкость по сравнению с полиимидами, что способствует загрязнению торцов внутренних слоев при сверлении отверстий; худшая механическая обрабатываемость. Более высокая стоимость.

Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами (уменьшенным значением диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь). Поэтому к перспективным решениям относится применение оснований с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5.

Для изготовления ПП, эксплуатируемых в условиях повышенной опасности возгорания, применяют огнестойкие гетинаксы и стеклотекстолиты марок СОНФ, СФВН, СТФ.

Для изготовления ПП, эксплуатируемых в тяжелых климатических условиях, используют фольгированные стеклотекстолиты, которые относительно дешевы и имеют хорошие диэлектрические свойства.

В производстве ПП широко используют отечественные и импортные материалы, прежде, чем остановить свой выбор на том или ином материале, следует иметь в виду, что:

• если нет повышенных требований по климатическим воздействиям и частным характеристикам, при изготовлении двухслойных ПП отечественные материалы целесообразно применять,;

• производство ПП на импортных материалах в 2 –2,4 раза дороже, чем на отечественных материалах.

При выборе материала детали необходимо рассмотреть не мене трех материалов, показать их физические, механические, химические и технологически (обрабатываемость, свариваемость и др.) свойства. Эти свойства для наглядности необходимо свести в таблицу, и на основании их сделать свой выбор материала.

В зависимости от выбранного материала будут различаться и способы изготовления, все они должны быть малоотходными и простыми (с точки зрения технологии).