Выбор материала для деталей на основе требуемых свойств

Выбор материала и термообработки деталей машин определяют следующими соображениями:

- эксплуатационных требований к свойствам материала (условия эксплуатации, конструктивные особенности деталей, величина внешней нагрузки, вид напряжённого состояния, химического состава и структуры деталей);

- технологических характеристик материала, позволяющих получить требуемую форму детали;

- экономических расчётов, определяющих стоимость данного изделия.

Этапы выбора материала отражены на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема выбора материала

Выбор марки стали. При выборе марки стали необходимо учитывать:

- требуемый уровень прочности, надёжности и долговечности детали;

- технологию изготовления детали, экономию металла;

- специфические условия службы детали (скорость нагружения, влияние окружающей среды, воздействие температур и т. п.).

В зависимости от содержания углерода, который находится в пределах 0,1 … 0,85 %, конструкционные и легированные стали по виду термической обработки можно разбить на три группы:

- цементуемые (содержание углерода 0,1 … 0,3 %);

- улучшаемые (содержание углерода 0,3 … 0,5 %);

- среднеотпущенные (содержание углерода 0,5 … 0,85 %).

Цементуемые стали подвергают цементации или нитроцементации с последующей закалкой и низким отпуском, в результате чего деталь приобретает поверхностный слой толщиной 0,5 … 2 мм, насыщенный углеродом, при твёрдости Н_HRC = 58 … 64. При этом сохраняется вязкая сердцевина твёрдостью Н_HRC = 30 … 42, устойчивая к ударным нагрузкам. Цементуемые стали применяют для изготовления деталей машин, подверженных динамическим нагрузкам и износу в результате трения (например, зубчатые колёса коробок передач автомобилей). Основными легирующими элементами являются хром и никель (чем выше требования к детали, тем шире состав легирующих элементов).

Для деталей средних размеров и с повышенными нагрузками используют стали с добавлением никеля - сталь 20ХН, 12ХН3А. При этом несколько уменьшается глубина цементуемого слоя, но увеличивается глубина закалённого слоя. Никель препятствует росту зёрен и образованию грубой цементитной сетки и положительно влияет на свойства стали в сердцевине. Иногда дефицитный никель заменяют марганцем с небольшим количеством титана (0,006 … 0,12%) - сталь 18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемые стали титан вводят только для измельчения зёрен. При бóльшем содержании он уменьшает глубину цементуемого закалённого слоя.

Для крупных деталей используют высоколегированные цементуемые стали (например, 12Х2Н4, 18Х2Н4В), наиболее высокопрочные из цементуемых сталей.

Нитроцементация (процесс совместного диффузного насыщения поверхности металла углеродом и азотом) имеет ряд особенностей по сравнению с цементацией:

- присутствие азота повышает твёрдость, износостойкость, прочность, контактную выносливость;

- процесс выполняется при мéньшей температуре, чем при цементации (840 … 860 °С против 920 … 930 °С), что значительно уменьшает деформацию и коробление деталей (для устранения деформации деталей, подверженных цементации, требуется шлифование, при котором удаляется наиболее твёрдая и несущая часть слоя);

- глубина нитроцементованного слоя значительно меньше, чем при цементации (не более 0,2 … 0,8 мм), так как при бóльшей глубине в поверхностном слое детали появляются дефекты. Поэтому нитроцеметации подвергают детали сложной формы, склонные к короблению, у которых по условиям работы толщина упрочнённого слоя составляет до 1 мм.

Улучшаемые стали применяют для изготовления деталей машин, к которым предъявляют высокие требования по прочности и ударной вязкости, однако такие стали обладают малой износостойкостью. Для повышения износостойкости применяют поверхностную или объёмную закалку и высокий отпуск. После такой термообработки сталь приобретает структуру сорбита, поэтому становится восприимчивой к ударным нагрузкам. Основные легирующие элементы - хром, марганец, кремний, молибден, никель.

Стали с содержанием углерода 0,5 … 0,85 % относят к рессорно - пружинным сталям. По условиям работы они должны обладать высоким пределом σ _lim текучести и выносливости при достаточном уровне пластичности и сопротивлением хрупкому разрушению. Высокий предел выносливости достигается при закалке и среднем отпуске. Такие стали применяют при отсутствии динамических нагрузок. Основными легирующими элементами являются кремний и марганец.

Выбор марки чугуна. Отличительными особенностями чугуна являются:

- низкая температура плавления, что обеспечивает хорошие литейные свойства;

- высокие антифрикционные свойства, обеспечиваемые высоким содержанием углерода (2 … 4,3 %);

- малая чувствительность к концентрациям напряжений;

- способность гасить вибрации (виброустойчивость);

- высокая коррозионная стойкость;

- хорошая обрабатываемость резанием, низкая стоимость.

В зависимости от формы и содержания углерода различают:

- белые чугуны, в которых графит находится в связанном состоянии (в виде карбидов железа - цементита, или специальных карбидов);

- серые, ковкие и высокопрочные чугуны, в которых углерод находится в виде графита (предел прочности серых чугунов достигает σ_в ≈ 440 МПа, ковких - σ_в ≈ 780 МПа, высокопрочных - σ_в ≈ 1170 МПа);

- антифрикционные и легированные чугуны.

Белый чугун характеризуется высокой твёрдостью и трудно поддаётся резанию, поэтому его применение ограничено только некоторыми деталями машин, работающими на абразивный износ (например, тормозные колодки) или подверженных действию высоких температур (колосники печей), химическому воздействию (арматура химической промышленности). Белый чугун является исходным материалом для получения серого, ковкого чугуна и стали.

Серый чугун является основным литейным материалом. Он используется для изготовления литых деталей (например, корпусных) при отсутствии жёстких требований к габаритам и массе деталей при невысоких скоростях скольжения. Например, из серого чугуна марки СЧ 21 изготавливают блок цилиндров, имеющий легко обрабатываемые стенки цилиндров со значительным сопротивлением износу, диски сцепления и тормозные барабаны, шкивы ремённых передач. Толщина стенок деталей, отлитых из серого чугуна, часто определяются не условиями прочности или жёсткости, а технологическими соображениями. Серый чугун обозначают начальными буквами СЧ и значением предела прочности σ_в.

Ковкий чугун, получаемый специальным отжигом отливок из белого чугуна, используют для деталей сложной формы, работающих при статических и динамических нагрузках (крышки коренных подшипников коленчатого вала двигателя, высоконагруженные зубчатые колёса, картер редуктора заднего моста, картер дифференциала). Заготовки из ковкого чугуна получают отливкой, давлением ковкий чугун не обрабатывают. Ковкий чугун обозначают двумя начальными буквами КЧ и значениями предела прочности σ_в и относительного удлинения при разрыве (в %).

Высокопрочный чугун получают модифицированием серого чугуна магнием, при котором вкрапления графита приобретают шаровидную форму. Детали из высокопрочного чугуна обладают высокими механическими характеристиками. Из них изготавливают коленчатые и распределительные валы двигателей, поршни, картеры мостов, детали дисковых тормозов.

Детали, выполнение из антифрикционного серого чугуна, предназначены для работы в подшипниковых узлах трения.

Сплавы цветных металлов. Из цветных металлов в машиностроении наибольшее распространение получили медные, лёгкие (на основе алюминия и магния) и некоторые специальные сплавы.

Медные сплавы (латуни и бронзы) отличаются высокой антикоррозионной стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами.

Латуни (сплавы меди и цинка, содержание которого составляет до 50 %) характеризуются хорошим сопротивлением коррозии, электропроводностью и достаточной прочностью. Латуни обозначают буквой Л и условным обозначением других основных компонентов.

Бронзы (все медные сплавы, за исключением латуни) обладают универсальными антифрикционными свойствами, хорошим сопротивлением коррозии и универсальными технологическими свойствами. Указанные свойства позволяют широко применять детали, выполнение из бронзы, в узлах трения (например, передач винт - гайка, венцов червячных колёс). Бронзы обозначают двумя буквами Бр, за которыми следуют заглавные буквы легирующих элементов и их процентное содержание.

Оловянистые бронзы, содержащие 4 … 12 % олова, являются универсальными, хорошо работающими в различных условиях. Оловяно - свинцовые бронзы лучше других работают с незакалёнными поверхностями сопряжённых деталей. Ввиду высокой стоимости олова применение оловянистых бронз ограничено.

Свинцовые бронзы, содержащие 27 … 33 % свинца, являются хорошими подшипниковыми материалами. Вследствие низкой твёрдости эти бронзы применяют только в виде покрытий на более твёрдую основу.

Алюминиевые бронзы применяют преимущественно как антифрикционный материал при высоких давлениях, но малых скоростях скольжения.

Применение лёгких сплавов определяется их малой плотностью и значительной несущей способностью на единицу массы. Основными литейными лёгкими сплавами являются силумины - сплавы с кремнием (до 20 %) и другими компонентами. Силумины АЛ4 и АЛ5 применяют для изготовления корпусных деталей двигателей, подверженных значительным нагрузкам и температурному воздействию.

К специальным сплавам относят баббиты - сплавы на основе мягких металлов (олова, свинца, кальция). Баббиты представляют собой высококачественные, хорошо прирабатывающиеся антифрикционные подшипниковые материалы невысокой твёрдости, допускающие работу со значительными скоростями и давлениями.