Машиностроительные материалы и термическая обработка

Выбор материалов и их термообработки определяется следующими факторами: необходимостью обеспечения: а) требуемой надежности деталей в течение заданного срока службы при заданных требованиях к габаритным размерам; б) экономическими факторами и условиями изготовления.

Стоимость материалов составляет, как правило, значительную долю стоимости машин. Например, в автомобилях 60...70 %, а в грузоподъемных машинах 70...75 %.

Расчет и проектирование деталей машин начинается с выбора материала и назначения термической обработки. Для изготовления деталей в машиностроении широко используют стали и чугуны, а также медные, алюминиевые, магниевые, титановые и другие сплавы, пластмассы, композиционные материалы.

Детали, габаритные размеры которых определяются условиями прочности, выполняют, как правило, из улучшаемой или закаливаемой стали чугуна повышенной прочности (валы, зубчатые колеса и т.п.).

Детали, габаритные размеры которых определяются жесткостью изготовляют из материалов с высоким модулем упругости, допускающих получение деталей совершенных форм, т.е. из термически необработанной стали или чугуна.

Детали, подверженные высоким контактным напряжениям в условиях качения со скольжением (подшипники качения, колеса, рельсы, зубчатые колеса) изготовляются преимущественно из закаливаемых до высокой твердости сталей например ШХ15.

Сопряженные детали, работающие в условиях скольжения, в которых основным критерием работоспособности является износостойкость, выполняют из различных материалов. Одну из стали или твердых сплавов с высокой твердостью рабочей поверхности. Другую сопряженную деталь в антифрикционных узлах (подшипниках скольжения, направляющих, червячных передачах) делают из антифрикционного материала: Антифрикционные материалы (бронзы, латуни, баббиты, антифрикционные пластмассы) характеризуются низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, хорошей прирабатываемостью и малым изнашиванием сопряженной детали.

Во фрикционных узлах (тормозах, фрикционных муфтах, фрикционных передачах) – из фрикционных материалов. (металлокерамика, пластмассы на основе асбеста и др.) обладающих большим и независящим от температуры коэффициентом трения, высокой износостойкостью и теплостойкостью, хорошей прирабатываемостью и малым изнашиванием сопряженной детали.

Литые детали получают из чугуна, бронзы и стали с буквой Л. Например сталь 45 Л.

Стали - сплав железа с углеродом (до 2 %) и другими металлами, поддающийся ковке. По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хо­рошо обрабатываются механически, термически и химико-термически.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали наиболее распространены в промышленности, их доля составляет примерно 80 % от общего объема выплавки. Углеродистые стали подразделяются на три группы:

1) обычного качества;

2)качественная общего назначения (конструкционная);

3)специальная (инструментальная, котельная, трансформаторная и др.).

Свойства углеродистой стали изменяются в зависимости от содержания в ней углерода. Чем его меньше, тем сталь пластичнее.

Наибольшее распространение в машиностроении получили углеродистые стали обычного качества ввиду их невысокой стоимости. Из них изготовляют малонапряженные детали машин (гайки, болты, оси, металлоконструкции). В зависимости от назначения и гарантиро­ванных механических свойств углеродистые стали обычного качества подразделяются на три группы А, Б и В.

А - без уточнения химического состава. Обозначаются от Ст 0 до Ст 6. Чем больше число в обозначении марки стали, тем больше содержание углерода.

Б - поставляется с гарантированным химическим составом. Пример обозначения: БСт 3.

В - поставляют с гарантированным химическим составом, а также механическими свойствами. Обозначаются ВСт 2, ВСт 5 и т.д.

Качественные углеродистые стали выпускают с соблюдением более строгих технических условий по составу, примесям, ведению плавки и т.д. Обозначаются от Сталь 08 до Сталь 85. Цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Конструкционные стали условно подразделяют на низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0, 25 %), среднеуглеродистые (0, 3 %... 0, 55 %) и высокоуглеродистые (0, 6 %... 0, 85 %).

Благодаря высокой пластичности, низкоуглеродистые конструкционные стали применяют для изготовления деталей путем пластического деформирования и сварки.

Среднеуглеродистые стали более прочные и менее пластичные. Хорошо обрабатываются на металлорежущих станках и используются для изготовления широкого спектра деталей.

Высокоуглеродистые стали применяют для изготовления деталей, испытывающих большие напряжения, таких как пружины, рессоры и т.д.

Легированные стали, выплавляют с добавлением легирующих элементов для улучшения их технических свойств (механических, коррозионных, тепловых и т.д.). Ле­гированные стали обозначаются цифрами и буквами, например: 40Х, 18ХН10Т, 12ХНЗА, 18ХТТ и др. Цифры вначале обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Буквы обозначают легирующий элемент: В - вольфрам, Г - марганец, Н - никель, М - молибден, Т - титан, X -хром, Ю - алюминий. Цифры после легирующего элемента обозначают содержание этого элемента в процентах. При содержании легирующей добавки менее 1, 5% цифра не ставится.

Основная часть легированных сталей выплавляется качественной с содержанием примесей фосфора и кремния до 0, 035 %. Высококачественные легированные стали, с содержа­нием вредных примесей до 0, 025 % обозначаются в конце буквой А.

Легированные стали условно подразделяют на низколегированные (с общим содержанием легирующих элементов до 3 %), среднелегированные (от 3 % до 5, 5 %) и высоколегированные (свыше 5, 5 %).

Легированные и качественные углеродистые стали имеют высокую прочность (временное сопротивление от 800 до 1400 МПа) и являются основными материалами для изготовления различных ответственных деталей машин, таких как зубчатые колеса, валы и т.д.

Чугун - сплав железа с углеродом с содержанием углерода свыше 2 %, плохо поддающийся ковке. Чугун обладает высокими литейными свойствами и хорошо обрабатывается резанием.

В зависимости от структуры различают серый, белый и ковкий чугуны. Наиболее широко в промышленности используются серые чугуны. Пример обозначения: СЧ28. Цифра после аббревиатуры серого чугуна обозначает предел прочности при растяжении, поделенный на 10.

Термическая обработка:

Применяется для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности, вязкости и др.). Выполняют термообработку заготовок, либо готовых деталей. Любой вид термической обработки состоит из трех стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течение требуемого времени и охлаждения с заданной скоростью. К основным видам термической обработки относятся отжиг, нормализация, улучшение, закалка и отпуск.

Отжиг характеризуется медленным охлаждением часто вместе с нагревательной печью. Отжиг применяют для снижения твердости и лучшей обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых и легированных сталей, а также для снятия остаточных напряжений после сварки.

Нормализация отличается медленным охлаждением детали. Применяется для получения более высокой твердости, чем после отжига.

НB < 160…210

Улучшение отличается от нормализации большей скоростью охлаждения. Применяется для получения более высокой твердости и прочности, чем после нормализации. НB < 200…310

Закалка характеризуется высокой скоростью охлаждения в воде, масле или солевых растворах. В результате закалки металл получает мелкозернистую однородную структуру с высокой твердостью, прочностью, коррозионной стойкостью., но пониженной пластичностью и более трудно обрабатывается резанием. Закалка подразделяется на объемную и поверхностную. НRC48…53.

Отпуск состоит в нагреве до температуры ниже интервала фазовых превращений, с последующим охлаждением на воздухе Применяется после закалки для улучшения обрабатываемости резанием и уменьшения остаточных термических напряжений.