6 Вибір матеріалів для пристроїв

При проектуванні пристроїв необхідно вибирати відповідний матеріал для забезпечення міцності і зносостійкості елементів пристрою і назначити відповідну термічну або хіміко-термічну обробку.

Матеріали повинні відповідати таким основним вимогам: бути міцними, легкими, зносостійкими, корозійностійкими, дешевими.

При виборі матеріалу застосовують принцип оптимальності і доцільності. Способи вирішення проблем вибору матеріалу:

• відбір основної вимоги і підхід з цієї позиції;

• вибір недорогого матеріалу з наступним покращанням його властивостей;

• вибір конструктивних заходів зміни напруженого стану, умов роботи.

Найбільш поширеними конструкційними матеріалами у пристроях і технологічному обладнанні є сплави на основі заліза і вуглецю – сталі і чавуни.

Сплави заліза з вуглецем у кількості, що не перевищує 2% – це сталі. Чавунами називають сплави заліза, які вміщують більше 2% вуглецю.

За вмістом вуглецю сталі поділяють на: низьковуглецеві (до 0,2-0,3%), середньовуглецеві (0,2-0,6%), високовуглецеві (0,6-2,0%). Крім цього у вуглецевих сталях міститься марганець (0,1-1,5%), кремній (0,05-0,35%), сірка і фосфор (0,01-0,1%), а також кисень, азот і водень (не більше 0,01% у сумі). Сплави, в яких вуглецю менше 0,1%, називають також технічним залізом.

Залежно від насичення сталі киснем розрізняють киплячі, напівспокійні і спокійні сталі. Їх механічні властивості при однаковому вмісті вуглецю майже співпадають, але киплячі сталі мають менший вміст кремнію і неметалічних домішок.

Вуглецеві сталі у залежності від вмісту сірки і фосфору поділяють на: звичайної якості (до 0,05%) , якісні конструкційні (не більше 0,35) і високоякісні (менше 0,025%). Сталь звичайної якості має сім марок – Ст0–Ст6 (Вміст вуглецю зростає від 0,06 до 0,5%, але цифри не відображають вміст вуглецю, а є лиш порядковим номером сталі). Сталі звичайної якості у залежності від міцності і хімічного складу поділяються ще на три групи – А,Б,В. Сталі групи А мають відповідні механічні властивості без визначеного хімічного складу. Їх використовують без термообробки (Ст1пс). Сталі Б мають визначений хімічний склад без визначення механічних властивостей (Б Ст3сп). Сталь В має визначені хімічний склад і механічні властивості. Високоякісні сталі відрізняються низьким вмістом шкідливих домішок. У позначенні це відображається буквою А у кінці позначення

Окрему групу складають леговані сталі, в яких крім вищезгаданих домішок, містяться інші елементи – Н-нікель, Х-хром, Т-титан, А-азот, Ф-ванадій, К-кобальт, Д-мідь, В-вольфрам, Б-бор, С-кремній, Г-марганець, М-молібден та ін. За буквою йде цифра, що показує вміст цього елемента у процентах, якщо вміст вище 1,0-1,5% (40ХНМА) сталь високоякісна, 0,37-0,44% вуглецю, 0,6-0,9% хрому, 1,25-1,65% нікелю, 0,5-0,8% молібдену і менше 0,03% фосфору та сірки.

Для підвищення механічних і міцнісних характеристик сталей їх піддають різній технологічній обробці. Проводять термохімічну, термомеханічну обробку: наклеп, ковку, штамповку, закалювання, нормалізацію, поверхневе закалювання, цементування, азотування, борування. Використовують електролітичну обробку: хромування, нікелювання, міднення. Створюють захист від корозії шляхом металізації розпиленням, оксидуванням.

Чавуни є виключно сплавами для лиття: вони не піддаються ніякій пластичній деформації і вироби з чавунів одержують тільки литвом. По структурі і властивостям чавуни поділяють на сірі, високоміцні з кулеподібним графітом, ковкі, білі (не застосовуються у машинобудуванні) і з відбіленою поверхнею.

Крім вищезгаданих, для виготовлення пристроїв та обслуговуючого обладнання мають застосовування нові і спеціальні матеріали (не сталі): алюміній, титан, латуні, бронзи, керамічні матеріали, композиційні матеріали. У таблиці 6.1 наведено деталі і матеріали, які застосовують для їх виготовлення, а також характерна їх технологічна обробка. У таблиці 6.2 подані механічні характеристики сталей.

Таблиця 6.1 – Використання матеріалів для виготовлення деталей [3]

Деталі та умови їх роботи	Марка	ХТО	Твер-дість	Зварю-ваність
Прокладки, шайби, заклепки	Ст0, Ст1, Ст 2	–	–	Добра
Зварні деталі, щитки, кришки, осі, штифти та ін. деталі, які працюють при нових навантаженнях.	Ст 3, Ст 4 Ст 5	– нормаліза-ція	– –	– –
Шпонки, зубчаті колеса, вали підвищеної міцності і твердості.	Ст 6	Закалка у воду	49-51	Обмеж.
Пальці, осі, зубчаті колеса, кулачкові муфти, шпиндель, вали та ін. підвищеної зносостійкості, високої зносостійкості.	10,15,20 15Х, 20Х, 20ХН	Цементація, закалка, відтиск	57-63 59-63	Добра Задов.
Кріпильні деталі, натискні гвинти, муфти з’єднувальні.	25, 35 35Х,35ХН 30ХГСА	Закалка у воді, відп. Закалка у маслі	31-51 46-51	Добра Задов.
Вали, осі, штоки, плунжери, ексцентрики, пальці, ролики та ін. деталі, що працюють на зношування	40,45,50, 65 40Х, 45Х, 40ХГ, 40ГН	Закалка у воді, відп. Закалка у маслі, відпуск	25-36 31-56	Обмеж. Обмеж.

Продовження таблиці 6.1

Деталі та умови їх роботи	Марка	ХТО	Твер-дість	Зварю-ваність
Ексцентрики, кільця пружини	65,70, 55СГ	Закалка у маслі, відпуск	38...65	Погана
Цанги	60Г, 50Г	Закалка у маслі	41...61	Погана
Втулки і підшипники ковзання; упорні і опорні підшипники	БрА9ЖЗ ЛМц-58-2л	ЖЗЛ

Таблиця 6.2 – Орієнтовані величини допустимих напружень для деяких машинобудівних матеріалів при статичних навантаженнях [6]

Матеріал	Допустиме напруження Н/мм2		Примітки
	[σ]р	[σ]с
Сталь Ст. 2	140
Сталь Ст. 3, 4	140 – 170
Сталь Ст. 5	175 – 210
Сталь 45	180 – 210
Дюралюміній	70 – 150
Текстоліт	30 – 40	50 – 90
Чавун СЧ 15-32	25 – 40	90 – 150	Відливки з сірого чавуна
Чавун СЧ 21-40	35 – 55	160 – 200
Чавун ВЧ 50-1.5	80 – 120	305 – 410	Високоміцний чавун