Машинобудівні матеріали

Перед розрахунком і проектуванням деталі вибирають матеріал для її виготовлення з урахуванням забезпечення роботоздатності деталі, технологічності її виготовлення та економічних міркувань.

Основним машинобудівним матеріалом є сталь різних марок. Сталь - це сплав заліза з вуглецем (вміст останнього до 2 %) та іншими елементами. Вона широко застосовується в машинобудуванні через високу міцність, пластичність, здатність добре механічно і технічно оброблятися. Конструкційні сталі поділяються на три групи: вуглецеві звичайної якості, якісні конструкційні та леговані сталі. Вуглецеві сталі звичайної якості (ГОСТ 380-94) знайшли найбільш широке розповсюдження завдяки низькій вартості. З таких сталей виготовляють корпусні деталі, металоконструкції малонапружені деталі. За видом поставок ці сталі поділяються на групи: А - поставляються за механічними властивостями (найчастіше застосовуються); Б - за хімічним складом і В - за механічними властивостями і хімічним складом.

Ці сталі позначаються буквами Ст і номерами в порядку зростання міцності (табл.1.1), причому, починаючи зі Ст.4, номер відповідає мінімальній границі міцності (МПа), поділеній на 100.

Якісні вуглецеві конструкційні сталі (ГОСТ 1050-74) умовно поділяють на низьковуглицеві (до 0,25 % С) середньовуглицеві (0,3...0,555 % С). і високовуглецеві (0,6...0,85 % С). Ці сталі добре обробляються, міцні, достатньо пластичні і використовуються для виготовлення навантажених деталей (зубчастих коліс, валів, елементів підшипників і т.д.) Вони позначаються двозначними числами, які вказують на середній вміст вуглецю в сотих частках процента (наприклад, сталь 45).

Леговані конструкційні сталі (ГОСТ 4543-71) на відміну від вуглецевих містять добавки легуючих елементів, які вводять для покращення властивостей сталей. Леговані сталі додатково позначаються буквами, які вказують на вміст легуючих елементів: В - вольфрам, Г - марганець, Д - мідь, М - молібден, Н -нікель, Р - бор, С - кремній, Т - титан, Х - хром, Ф - ванадій, Ю - алюміній тощо. Цифри після букв означають процентний вміст елемента (якщо цей вміст менший або близький до 1 %, то цифру не проставляють). Високоякісні леговані сталі додатково позначаються буквою А в кінці позначення (наприклад 40ХН, 20ХНЗА). Леговані сталі дорожчі за вуглецеві. Вони мають високу міцність і застосовуються для виготовлення відповідальних навантажених деталей (зубчатих коліс, підшипників).

Механічні властивості сталей залежать не тільки від хімічного складу, а й від виду термічної та термохімічної обробки. Всі види термічної обробки передбачають нагрів деталі до певної температури, витримування при ній заданий час і охолодження з даною швидкістю. Залежно від параметрів обробки, розрізняють: відпал, нормалізацію, гартування і відпуск.

Відпал характеризується повільним охолодженням деталі після нагрівання (охолодження, як правило разом з піччю). Він зменшує твердість, покращує оброблюваність, знімає залишкові напруження.

Нормалізація відрізняється від відпалу більшою швидкістю охолодження, яке проводиться на повітрі. Вона дає однорідну структуру матеріалу з більш високою твердістю і міцністю, ніж після відпалу.

Гартування характеризується інтенсивнішим охолодженням деталі в маслі, воді, водних розчинах солей. В результаті гартування отримують метал високої міцності і твердості, але менш пластичний, який гірше механічно обробляти. Розрізняють об'ємне гартування, коли перетворенню підлягає весь об'єм матеріалу, і поверхневе, коли гартується лише поверхневий шар деталі на повну глибину. Останній зручний тим, що деталь має високі характеристики міцності, зносостійкості і твердості поверхневого шару і, в той же час, достатньо високу в'язкість і пластичність серцевини, що важливо для надійності роботи деталей.

Відпуск полягає в нагріванні деталі до температури нижче температури структурних перетворень, витримуванні та охолодженні. Його застосовують для підвищення в'язкості, зменшення залишкових напружень і покращення механічної обробки.

Термохімічна обробка передбачає насичення поверхневого шару деталі певними хімічними елементами для надання йому високої твердості, міцності і зносостійкості. Розрізняють цементацію (насичення поверхневого шару сталі вуглецем), азотування (насичення азотом) тощо.

Чавун - це сплав заліза з вуглецем з вмістом останнього понад 2 %. Чавуни мають добрі ливарні властивості і оброблюваність різанням, кращі за сталі антифрикційні та демпферні властивості. Залежно від структури розрізняють сірі, білі, ковкі, високоміцні (з кульовидним графітом) чавуни.

Сірий чавун (ГОСТ 1412-85) є основним ливарним матеріалом. Більша частина вуглецю в ньому знаходиться у вигляді пластичного графіту. Ці чавуни мають достатньо низьку міцність і застосовуються для виготовлення деталей відносно нескладної конфігурації за відсутність жорстких вимог до матеріалоємності. Сірі чавуни позначають буквами СЧ з цифрами, які відповідають границі міцності при розтягу в КГс/мм² (наприклад, СЧ20).

При підвищених вимогах до міцності застосовують високоміцні чавуни з кульковидним графітом (ГОСТ 1293-85). Форма графітових включень у них близька до сферичної, що зменшує концентрацію напружень на графітових включеннях і підвищує міцність у декілька разів порівняно із сірим чавунами. Ці чавуни можуть успішно замінити стальні відливки і поковки, ковкий чавун (наприклад для виготовлення валів і зубчатих коліс). Позначаються високоміцні чамсссс вуни буквами ВЧ і цифрами, які відповідають границі міцності в КГс/мм² (наприклад, ВЧ80).

Для виготовлення деталей машинобудування застосовуються сплави на основі міді (латунь і бронза), олова, свинцю, і калію (бабіт), титанові і алюмінієві сплави Латуні, бронзи і бабіти мають високі антифрикційні властивості та оброблюваність і застосовуються для виготовлення деталей вузлів тертя, черв'ячних коліс. Широке застосування цих матеріалів стримується високою вартістю (в 5...20 разів перевищують вартість якісної сталі). Титанові сплави мають високу міцність, невелику питому вагу та високу корозійну стійкість і застосування у виробах авіакосмічної техніки та суднобудування.

Зараз у машинобудуванні все частіше замість металів використовують пластмаси та композиційні матеріали, перевагами яких є легкість, антикорозійність, демпферні властивості. У багатьох випадках пластмаси мають здатність самозмащення, що дає змогу застосувати їх у вузлах тертя. Композиційні матеріали на основі скло- і вуглеволокон мають міцність, яку можна порівняти з міцністю сталей, але їх вартість дуже висока. Широке застосування пластмас і композиційних матеріалів у машинобудуванні - шлях до зниження металоємності, підвищення надійності й довговічності приладів.