Детали машин и основы конструктирования

51

годаря окисной пленке), но малую прочность. Чаще применяется в виде сплавов. По технологии получения заготовок сплавы подразделяются на деформируемые (поставляются в виде проката) и литейные.

Литейные алюминиевые сплавы, ГОСТ 2685-75. Обозначаются буквами АЛ и порядковым номером, например, АЛ2. Сплавы допускают термическую обработку. Из этих сплавов наиболее распространены сплавы алюминия с кремнием (содержание кремния – 5...15%) – силумины, которые удовлетворительно льются. Сплав алюминия с магнием имеет повышенные механические и антикоррозионные свойства, но отливается хуже.

Деформируемые алюминиевые сплавы, ГОСТ 8617-75. Поступают в виде проката. Спла-

вы подразделяются на упрочняемые и неупрочняемые термообработкой.

Неупрочняемые сплавы характеризуются высокой пластичностью и коррозионной стойкостью, но их прочность невысока. Это – сплавы алюминия с марганцем (сплавы АМц) и с магнием (сплавы АМг).

Основным представителем упрочняемых сплавов является дюралюминий, сплав алюминия с медью (около 4%) и марганцем (0,5%). Сплав термообрабатывается: подвергается закалке и последующему старению. Дюралюминий обладает повышенной прочностью, но незначительной коррозионной стойкостью. Наиболее распространенный способ его защиты от коррозии – плакирование, т.е. покрытие поверхностей тонким слоем технически чистого алюминия. Дюралюминии маркируют буквой Д и порядковым номером, например, Д16.

6.3.2 Сплавы магния

Сплавы магния имеют наименьшую из конструкционных металлов плотность, равную приблизительно 1,8 г/см3. Модуль упругости сплавов Е=(4,2...4,5) 104 МПа, твердость НВ 30...60. Технически чистый магний очень неустойчив против окисления, его прочность невысока, и поэтому применяется в виде сплавов. По технологии получения заготовок сплавы подразделяются на деформируемые (поставляются в виде проката, обозначаются буквами МА и номером, например, МА1) и литейные (обозначаются буквами МЛ и номером, например, МЛ3). Сплавы хорошо обрабатываются (но стружка может воспламеняться), чувствительны к концентрации напряжений.

6.3.3 Сплавы титана

Сплавы титана, ГОСТ 19807-74, имеют плотность около 4,5 г/см3, модуль упругости Е=(1,1...1,2) 105 МПа, твердость НВ 130...400. В технике применяют как технический титан, так и его сплавы. Они немагнитны, высококоррозиоустойчивы (благодаря защитному действию окисной пленки), допускают упрочнение, термостабильны, имеют высокую прочность, но чувствительны к концентрации напряжений. Материалы хорошо обрабатываются давлением и свариваются, но плохо обрабатываются резанием (стружка может воспламеняться) и отливаются. Титановые сплавы маркируются буквами ВТ и порядковым номером сплава (ВТ6).

6.3.4 Бериллиевые сплавы

Из других легких металлов следует отметить бериллий. Применяется в виде сплавов, например, АБМ30. Плотность сплавов бериллия около 1,8 г/см3, модуль упругости Е=(1,3...2,2) 105 МПа, а прочность сопоставима с прочностью углеродистых сталей, но материалы чувствительны к концентрации напряжений. Их удельная жесткость – очень высокая среди металлов. Материалы термостабильны, имеют хорошую коррозионную стойкость, но достаточно дороги и сложны в обработке, их пыль и стружка токсичны. Механические характеристики бериллия сильно анизотропны.

6.4 Неметаллические материалы

По сравнению с металлами (сталями) неметаллические материалы имеют низкие механические характеристики, которые при этом зависят от температуры, влажности и других свойств окружающей среды. Их преимуществом являются низкая стоимость, малый удельный вес, химическая стойкость, технологичность, а сопоставимыми свойствами – износостойкость,

52

фрикционные и антифрикционные свойства. Неметаллические материалы – в большинстве анизотропные вещества.

6.4.1 Пластмассы

Пластмассы наиболее распространены. Подразделяются на термореактивные (формуются при высокой температуре и при повторном нагреве уже своей формы не изменяют) и термопластичные (при повторных нагревах размягчаются и могут изменять свою форму).

Термореактивные пластмассы поставляются в виде порошка для последующего формования листов, плит либо брусков. Основные виды пластмасс:

• текстолит, ГОСТ 5-78. Представляет собой слоистый прессованный материал, состоящий из нескольких слоев пропитанной смолами ткани. Обладает повышенной (из пластмасс) прочностью и износостойкостью, твердость НВ 25...40, модуль упругости Е=(2500...8000) МПа, плотность 1,3...1,4 г/см3, удельная ударная вязкость (при температуре

200С) до 0,04 Мдж/м2 ;

•гетинакс, материал с наполнителем из бумаги. Его характеристики ниже, чем у текстолита, но он и дешевле;

•асботекстолит, материал на основе асбестовой ткани. Имеет высокую теплостойкость и фрикционные свойства (например, ретинакс), но признан вредным для здоровья;

•древеснослоистые пластики, ДСП, ГОСТ13913-68: лигнофоль, дельта-древисина. Обладают повышенной прочностью, износостойкостью и антифрикционными свойствами;

•стеклотекстолит, ГОСТ 10292-74. Материал на основе стеклотканей. Обладает наибольшей среди пластмасс прочностью, модуль упругости Е=(1,7...2,1) 104 МПа, анизотропен.

Термопластичные пластмассы хорошо формуются. Поставляются в виде листов, труб, формовочной массы и т.п. Основные виды пластмасс:

•органическое стекло, ГОСТ 15809-70. Прозрачный материал с температурой размягчения около 100 оС, плотность около 1,18 г/см3, твердость НВ18;

•винипласты (поливинилхлориды), ГОСТ 9639-71. Обладают высокой химической стойкостью;

•фторопласты (наиболее распространен фторопласт-4), ГОСТ 10007-72. Обладают высокой

химической стойкостью и малым коэффициентом трения. Твердость НВ 3...4, плотность 1,3...1,4 г/см3, удельная ударная вязкость (при температуре 200С) до 0,1 Мдж/м2;

•полиамиды (найлон, капрон, терлон). Обладают высокой прочностью и износостойкостью, антифрикционными свойствами. Твердость НВ 5...20, модуль упругости Е=500...1000 МПа.

6.4.2 Резины

Резины обладают высокими диэлектрическими свойствами и упругой податливостью, хорошими демпфирующими свойствами (имеют большое внутреннее трение) и сопротивлением истиранию, но со временем, в процессе эксплуатации, “стареют”, т.е. охрупчиваются, ухудшаются механические характеристики. Для повышения несущей способности в одном из направлений резину армируют тканями, нитями или стальной проволокой.

6.5 Составные материалы

Составные материалы позволяют сочетать различные, часто противоречивые свойства. Основные виды таких материалов: биметаллы, композитные материалы и покрытия.

6.5.1 Биметаллы Биметаллы – прочное соединение двух или более слоев металлов совместной прокаткой,

электролитическим способом пайкой и т.п. Разные слои обеспечивают равнопрочность и коррозионную стойкость, экономят основной, рабочий материал.

53

6.5.2 Композитные материалы

Композитные материалы представляют собой заливку прочной основы (графитовые или стеклянные нити, волокна бора, металлические усы, тонкая проволока и т.п.) мягкой матрицей (смолы, мягкие металлы). Несущую способность определяет основа (армирующий наполнитель), а весовые характеристики и взаимодействие с внешней средой – матрица. Это придает композитным материалам высокие удельные прочностные и жесткостные характеристики, малую чувствительность к концентраторам напряжений. Композитный материал проектируют под определенные условия эксплуатации. Многие из них имеют уникальные свойства. Например, коэффициент линейной температурной деформации углепластиков в направлении расположения углеродных волокон в диапазоне обычных температур незначительно отрицательный, α =(–0,5 10–6 ...0) 1/оС. Но такие материалы достаточно дороги и требуют специальных технологий.

6.5.3 Покрытия

Не смотря на малую толщину покрытия формально можно рассматривать в качестве слоя составных материалов. Они предназначаются для защиты поверхностей материалов от коррозии и/или придания им приятного внешнего вида. Покрытия сокращают затраты на материал, увеличивают срок службы деталей, улучшают потребительские свойства. С другой стороны, для их нанесения необходимы специальные материалы (с хорошими адгезионными свойствами) и выполнение дополнительных технологических операций.

Покрытия подразделяют на три группы: металлические, неметаллические и получаемые химической и электрохимической обработкой поверхности. Это – заключительная операция при обработке детали.

Неметаллические покрытия по условиям применения разделяют на водостойкие, специальные (применение в условиях радиации, открытого пламени, глубокого холода и т.д.), масло- и бензостойкие, химическистойкие, термостойкие и электроизоляционные. Основные виды таких покрытий следующие:

•лакокрасочные покрытия, ГОСТ 9.032-74, – это краски, эмали и лаки, которые применяют для защитных и декоративных целей, часто в сочетании с другими видами покрытий. В документации нанесение покрытия обозначается как (лкп), пропитка лаком или клеем – (прп), пропитка маслом – (прм);

•покрытия смолами. Обладают хорошим сцеплением и защитными свойствами. Могут как наноситься на поверхность, так и применяться в виде готовых пленок;

•покрытия резиной. Эластичны, обладают хорошей химической стойкостью, водо- и газонепроницаемы;

•покрытия стеклоэмалями. Устойчивы в кислотах и щелочах, имеют высокую твердость, хорошо сопротивляются истиранию, но хрупки;

•керамические покрытия. Выполняют из плиток или наносят напылением. Применяют для защиты от действия высоких температур.

Металлические покрытия наряду с защитными и декоративными целями могут применяться для повышения износостойкости. В качестве материалов покрытия используются следующие металлы (в скобках приводятся их обозначения): алюминий (А), висмут (Ви), вольфрам (В), железо (Ж), кадмий (Кд), кобальт (Ко), марганец (Мц), медь (М), молибден (Мо), никель (Н), олово (О), палладий (Пд), свинец (С), серебро (Ср), сурьма (Су), титан (Ти), хром (Х), цинк (Ц). Применяют следующие способы нанесения покрытий:

•гальванический, катодным восстановлением (не обозначается);

•плакирование. Осуществляют контактным (Конт) или контактно-механическим (Конт-мех) способом;

•металлизация. Осуществляется диффузионным (Диф), металлизационным (Мет) и конденсационным (Кон) способами, катодным распылением (Кат-рас);

•горячие покрытия (Гор) расплавленным металлом;

54

•термический, вжиганием (Вж);

•и другие.

Химическая (Хим) и электрохимическая (анодирование, Ан) обработка связана с образо-

ванием защитной пленки на поверхности детали. Пленки образуют неметаллические элементы и соединения: окислы (окс), хроматы (хром), фториды (фтор), станнаты (стан), фосфаты (фос), фосфор (ф). Пленки пористы и часто применяются в качестве подслоя для лакокрасочных покрытий или пропитки смазкой.

Вид покрытия в документации приводится в условных обозначениях. В общем виде в него входят: способ получения, материал (для сплава – в скобках приводится процентное содержание компонентов), физико-механические свойства, толщина (в микрометрах, но если она меньше 1мкм, то не указывается), декоративные свойства, вид дополнительной обработки.

Пример обозначения покрытия: Кд6, окс. фос. хр. прм – кадмиевое покрытие толщиной 6мкм катодным восстановлением (не указано в обозначении), с последующими оксидированием, фторированием и хроматированием, пропиткой маслом; Хим. окс. лкп – химическое окисное покрытие с последующим нанесением лакокрасочного покрытия.

Характеристика распространенных видов покрытий:

•цинковое покрытие. Имеет серый цвет, хорошо защищает стальные детали от атмосферной коррозии, но снижает их механические свойства. Допустимая температура – до 300 оС;

•никелевое и хромовое покрытия. Используются как защитные и декоративные покрытия.

Защищают механически благодаря высокой твердости защитного слоя. Повышают износостойкость. Допустимая температура – до 650 оС.

•кадмиевое покрытие. По свойствам близко к цинковому. Пластично и поэтому позволяет проводить сборку деталей по плотным посадкам по предварительно покрытым поверхностям.

•оксидирование. Повышает коррозионную стойкость и придает поверхностям деталей приятный цвет. Оксидирование черных металлов называется воронением.

•фосфатирование. Защищает стали от атмосферной коррозии, но имеет невысокие декоративные свойства. Часто используется в качестве грунта для последующего нанесения лакокрасочных покрытий.

55

6.6 Сравнительная характеристика материалов

Разнообразие видов материалов и способов их упрочнения представляет все возможности для хорошего выбора. Этот выбор всегда конкретен и основывается на четком знании требований, предъявляемых к материалу детали, и условий изготовления, эксплуатации и утилизации. Некоторые сведения для основных групп материалов, их типичных и лучших представителей приведены ниже (правда, технология не стоит на месте, и появляются все более совершенные материалы).

Сравнительные характеристики приведены для следующих материалов (рис.6.4, 6.5):

1– серый чугун СЧ15,

2– высокопрочный чугун ВЧ60 (t=20oC) и жаростойкий чугун (ЖЧЮХШ, t=200oC и 500oC),

3– сталь Ст3,

4– сталь 20 нормализованная,

5– сталь А12 нормализованная,

6– сталь 45 нормализованная,

7– сталь 40Х нормализованная,

8– сталь 20 цементированная,

9– сталь А12 цементированная,

10– сталь 45 закаленная,

11– сталь 40Х,

12– высокопрочные марки легированной стали (Н12К12М7В7 закаленная, t=20oC и ХН55ВМКЮ, t=500oC). Твердость приведена при упрочнении – титанирование,

13– высокопрочные марки алюминиевого деформируемого сплава,

14– высокопрочные марки алюминиевого литейного сплава,

15– высокопрочные марки деформируемого сплава магния,

16– высокопрочные марки литейного сплава магния,

17– высокопрочные марки сплава титана,

18– высокопрочные марки сплава бериллия,

19– высокопрочный металлический композитный материал (алюминиевая матрица и волокна из бора),

20– высокопрочный неметаллический композитный материал (углеродные волокна и матрица на основе эпоксидной смолы).

Значения удельной прочности σ0,2 /ρ приведены для нормальных условий (температура 20оС), а для ряда материалов – при температуре 200оС и 500оС (рис. 6.4). В группу “сталь упрочненная” включены марки сталей, подвергнутых термической или химико-термической обработке с целью получения высокой прочности и твердости.

Видно, что по удельной прочности лучшими являются высоколегированные стали, сплавы титана и композитные материалы. При этом высокая прочность композитного материала достигается только в направлении расположения волокон, а механические характеристики в поперечном направлении определяются уже свойствами мягкой матрицы. За счет применения сложной схемы армирования удается достичь высокой прочности по разным направлениям, но контактная прочность и твердость по-прежнему остаются невысокими, что затрудняет создание компактного силового соединения деталей из этих материалов. Наибольшая прочность сталей достигает порядка 3400МПа, как, например, у стали Н12К12М7В7. Наилучшими жаропрочными характеристиками обладают жаростойкий чугун (например, ЖЧЮХШ имеет σ0,2 =343 МПа при температуре 500оС), жаропрочные высоколегированные стали (например, ХН55ВМКЮ имеет σ0,2 =750 МПа при температуре 500оС) и титановые сплавы (σ0,2 до

800 МПа при 500 оС).

58

Наилучшими характеристиками среди металлов обладают специальные инварные сплавы, такие как Н36, его ТКЛД равен 1,5 10–6 1/оС. Но уникальные свойства имеют композиты, у которых ТКЛД вообще может быть отрицательным (но в направлении расположения волокон)

и составлять (-0,5...0,5) 10-6 1/оС.

Сравнительная стоимость наиболее распространенных металлов, сплавов и их заготовок приведена на рис.6.6. Стоит отметить, что стоимость заготовок, получаемых из проката и слитков литейных сплавов, будет еще выше по сравнению с тем, что показано на рисунке: необходимо включить затраты на вырезку заготовки из проката и затраты на получение отливки из слитков.

Приведенные соотношения дают примерное представление и соответствуют средним биржевым котировкам. При этом стоимость материалов будет зависеть от конъюнктуры, удаленности поставщика материалов от потребителей, посредников, производительности труда и многих других факторов.

60

СТП имеют применение только на выпустившем их предприятии. Часто оформляются в виде нормалей, которые устанавливают ограничения на применяемую номенклатуру (перечень) деталей, материалов, норм и т.п., что вызывается особенностями снабжения и производства, и технических условий. Требования стандартов предприятий могут быть обязательными и для других предприятий, если между этими предприятиями существуют договорные отношения, в том числе устанавливающие обязательность исполнений определенного круга стандартов одного из предприятий.

Наряду со стандартами другими правовыми документами, регулирующими отношения в области установления, применения и исполнения требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, являются технические регламенты.

Технический регламент – документ, который принят международным договором РФ, ратифицирован и устанавливает обязательные для применения и использования минимально необходимые требования к объектам технического регулирования, обеспечивающие безопасность (химическую, биологическую, пожарную, механическую и т.д.) и единство измерений. Технические регламенты являются составной частью сертификации, т.е. формы осуществляемого органом по сертификации подтверждения соответствия объектов требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров.

Цели стандартизации – это обеспечение:

-безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды (экосистемы), жизни, здоровья и имущества человека,

-повышение эффективности общественного производства материальных ценностей, экономии всех видов ресурсов

-оптимального качества продукции, работ, услуг,

-технической и информационной совместимости частей сложных систем и их взаимозаменяемости,

-единства измерений,

-обороноспособности и мобилизационной готовности страны,

-международного экономического и технического сотрудничества.

Задачи стандартизации:

-разработка систем и установление средств контроля источников загрязнения экосистемы, установление норм на экологические показатели,

-разработка и нормирование допустимых значений характеристик, влияющих на здоровье как лиц, непосредственно эксплуатирующих изделие, так и лиц, на которых оказывает негативное влияние, как изделие, так и среда, в которой находилось изделие в период от изготовления до его утилизации,

-обеспечение взаимопонимания между разработчиками, изготовителями, продавцами и потребителями,

-установление требований, обеспечивающих совместимость и взаимозаменяемость подсистем в сложной технической системе,

-нормирование характеристик и параметров качества изделия,

-нормирование химического состава и физико-механических свойств веществ и материалов (конструкционных, смазочных, топлива, красок, растворителей и др.),

-нормирование свойств и состава пищевых продуктов и ограничение вредных для здоровья примесей, консервантов, красителей и т.п.,

-разработка оптимальных систем и стандартов обеспечения качества продукции на всех этапах жизненного цикла изделия,

-стандартизация технологических процессов, оборудования для технологического обеспечения производства изделий и его элементов,

-разработка унифицированных рядов параметров изделий, обеспечивающих экономиче-