Конструкционные материалы+Передачи / Лекция 3_Конструкционные материалы+Передачи

Сплавы тяжелых цветных металлов

В конструкциях наиболее распространены медные и цинковые сплавы и баббиты.

Медные сплавы

По сравнению с чистой медью медные сплавы имеют улучшенные конструкционные свойства, а потому и более распространены. Обладают высокими антифрикционными и декоративными свойствами, теплопроводностью, хорошо обрабатываются, но дороги. Сплавы подразделяются на бронзы и латуни.

Бронзы. Маркируются буквами Бр и буквенным обозначением дополнительных компонентов с последующими цифрами через тире, показывающими среднее содержание этих компонентов в процентах. Основные компоненты и их обозначение: олово (О), алюминий (А), бериллий (Б), железо (Ж), кремний (К), марганец (мц), никель (Н), свинец (С), цинк (Ц), фосфор (Ф). В зависимости от их содержания бронзы подразделяют на оловянистые и безоловянистые – свинцовистые, алюминиевые, бериллиевые и другие. Исключение олова в безоловянистых бронзах (за исключением бериллиевой бронзы) преследует цель удешевления этого материала.

Оловянистые бронзы, гост 613-79 и другие стандарты и нормативные документы. Основным и обязательным компонентом является олово. Например, БрОФ10-1, содержащая 10% олова и 1% фосфора. Бронзы хорошо отливаются (заготовки получают литьем), но плохо обрабатываются давлением. Благодаря олову имеют высокие антифрикционные свойства. Устойчивы к коррозии в атмосферных условиях, пресной и морской воде. Твердость бронз порядка НВ70...100, модуль упругости е=(6...10) 104 мпа, теплопроводность (0,06...0,12) вт/(м 0с).

Алюминиевые бронзы , гост 18175-78. Например, БрАЖ9-4. Относительно дешевые, имеют повышенные механические свойства (твердость порядка 80НВ...120нв) и химическую стойкость. Антифрикционные свойства хуже и, при этом, необходима повышенные точность и качество обработки поверхностей подвижно сопряженных деталей.

Свинцовистые бронзы. Высококачественный антифрикционный материал, но очень мягкие (НВ 40...60) и в конструкциях применяется в виде покрытий на твердую основу. Пример обозначения марки – БрС30.

Бериллиевые бронзы. Очень дороги, но обладают наибольшей среди бронз и латуней прочностью (в 1,5...2 раза выше, чем у алюминиевых бронз), термостабильностью, химической стойкостью, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. У этих бронз практически отсутствует гистерезис. Пример обозначения марки – БрБ2.

По своим свойствам к бериллиевым бронзам близки кремнистые бронзы, например, БрКМц3-1.

Латуни. Сплавы меди с цинком. По способам обработки подразделяются на литейные (ГОСТ 17711-93) и деформируемые (ГОСТ 15527-70, обрабатываемые давлением). По составу латуни разделяются на двойные (простые сплавы, содержащие приблизительно 2/3 меди и 1/3 цинка) и сложные (дополнительно содержат добавки свинца, железа, марганца, алюминия и олова). Двойные латуни маркируют буквой Л и цифрой, показывающей среднее процентное содержание меди. Например, Л62, состоящая из 62% меди и 38% цинка. В маркировку сложных латуней входят обозначения компонентов и их среднее процентное содержание. Например, латунь ЛАЖМц66-6-3-2, содержащая около 66% меди, 6% алюминия, 3% железа, 2% марганца, остальное – цинк.

Увеличение содержания цинка уменьшает стоимость латуни (цинк дешевле меди), повышает прочность и обрабатываемость резанием, но снижает пластичность и коррозионную стойкость. С ростом напряженного состояния увеличивается чувствительность латуней к коррозионному разрушению. Введение добавок целенаправленно улучшает отдельные свойства сложных латуней: обрабатываемость и антифрикционные свойства (свинец), прочность и коррозионную стойкость (марганец, олово и алюминий), литейные свойства (алюминий) и т.д. Считается, что латуни с повышенным содержанием меди имеют более красивый и благородный цвет.

Цинковые сплавы

Цинковые сплавы, ГОСТ 21437-75, достаточно дешевые, обладают неплохими антифрикционными свойствами. Сплавы маркируются буквой Ц и обозначением с процентным содержанием компонентов. Например, сплав ЦАМ10-5, содержащий 10% алюминия, 5% меди, остальное – цинк.

Баббиты

Баббиты, ГОСТ 1320-74, – сплавы на основе олова и свинца, очень мягкие (НВ 15...30). Они имеют низкие температуру плавления (300...400 оС) и коэффициент трения, хорошую износостойкость и прирабатываемость. Баббиты используют как антифрикционный материал, но в виде заливки на твердую основу, причем чем тоньше слой заливки, тем выше сопротивление усталости.

Баббиты маркируют буквой Б и числом, указывающим процентное содержание олова. При наличии дополнительных или заменяющих олово компонентов вместо числа приводится буквенное обозначение компонентов: Н – никель, Т – теллур, К – кальций, С – сурьма. Баббиты подразделяются на следующие виды:

высокооловянистые (оловяносурьмяные), например, Б89. Обладают отличными антифрикционными свойствами, но и очень дорогие. Теплопроводность (0,03...0,042) Вт/(м 0С);

низкооловянистые ( свинцовооловянистые), например, Б16, БН. Более дешевы, но и антифрикционные и технологические свойства ниже. Теплопроводность (0,012...0,024) Вт/(м 0С);

безоловянистые (свинцовые), например, БК1. По своим свойствам аналогичны низкооловянистым.

Серебро

Из других цветных металлов отметим серебро. Оно обладает хорошими антифрикционными свойствами и высоким сопротивлением усталости в паре с деталями с высокой твердостью поверхности (HRC>50). Теплопроводность (0,36...0,42) Вт/(м 0С), модуль упругости Е=8,2 104 МПа, твердость НВ25...35 (в отожженом состоянии).

Легкие сплавы цветных металлов - металлические материалы с удельной массой не более 5 г/см3. Это –алюминиевые, магниевые и титановые материалы и сплавы на их основе.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы имеют плотность 2,6...2,9 г/см3, модуль упругости Е=(7...7,5) 104 МПа, твердость НВ 60...130, небольшую прочность, которая заметно падает с ростом температуры (предельная величина рабочей температуры составляет

200...250 оС). Технически чистый алюминий имеет высокую пластичность и коррозионную стойкость (благодаря 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.

Сплавы 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,

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.

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).

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.

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

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 С, 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 200 С) 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.

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.

Составные материалы

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

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.

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/С. Но такие материалы достаточно дороги и требуют специальных технологий.

Покрытия

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 (Контмех) способом;

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

горячие покрытия (Гор) расплавленным металлом;

термический, вжиганием (Вж);

и другие.

Химическая (Хим) и электрохимическая (анодирование, Ан) обработка связана с образованием 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.