Конструкционные материалы

Эксплуатационные показатели строительных машин и их деталей - масса, рабо­тоспособность, надежность и долговечность, прочность, износостой­кость, жесткость и устойчивость деталей - зависят от физико-ме­ханических свойств материалов, заложенных в конструкциях.

Наиболее распространенными материалами в машиностроении яв­ляются стали различных марок, чугуны, сплавы цветных металлов и керамика, пластмассы, дерево, резина.

Стали - сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,3 %, а также с другими естественными или вводимыми с определенной целью легирующими добавками.

Стали делятся: по применению - на конструкционные и инстру­ментальные; по химическому составу - на углеродистые и легирован­ные: по качеству - на углеродистые обыкновенного качества, углеродистые качественные конструкционные, легированные конструкционные и низколе­гированные конструкционные. Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем прочнее, тверже и менее пластична сталь.

Конструкционная углеродистая сталь (используется для изго­товления деталей машин и металлоконструкций) обыкновенного качества маркируется: Ст. О, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 7, сталь уг­леродистая качественная - сталь 10, 15, 20...... 60, 65, 70, ка­чественная с повышенным содержанием марганца - 15 Г, 30 Г, 50Г2 ит.д.

В марке качественной стали цифры указывают среднее содержа­ние углерода в сотых долях процента (например, сталь 50 содержит до 0,5 % углерода). Инструментальная углеродистая сталь используется для изго­товления металло- и деревоперерабатывающего инструмента и штампов. Сталь имеет в маркировке букву У и цифру, показывающую количество углерода. Например, У8А означает: сталь углеродистая инструмен­тальная, содержащая 0,8 % углерода, высококачественная, так как в конце марки указана буква А.

Легированная сталь содержит в своем составе добавки, придаю­щие ей особые свойства - повышение износостойкости, температуростойкости, коррозийной стойкости и пр. В качестве легирующих добавок используют: вольфрам - В, хром - X, ни- кель - Н, кремний - С, молибден - М, титан - Т, ванадий -Ф, бор - Р, алюминий - Ю и др.

Марка легированной стали обозначается многозначными числами (таблица 1.1). Цифры после букв обозначают процентное содержание ком­понентов; если оно не превышает одного процента, то цифра после буквы не ставится. Например, марка 25ХЗН4А расшифровывается как - высококачественная хромоникелевая сталь, содержащая до 0,25 % уг­лерода, хрома 3 % и никеля 4 %. Стальное литье маркируется так: Сталь 25Л, 35Л и т.п. Механические свойства сталей (особенно усталостная проч­ность) повышаются при объемной и поверхностной термической (от­жиг, нормализация, закалка, отпуск) или химико-термической обра­ботке (цементация, азотирование).

Отжиг - нагрев детали до определенной температуры с после­дующим медленным охлаждением. Отжиг уменьшает не­однородность структуры стали, повышает пластичность, вязкость, уменьшает твердость и улучшает обработку резанием.

Нормализация -нагрев до определенной температуры с последующим охлаждением на воздухе. Обеспечивается однородная мелкозернистая структура, повышенная прочность и пластичность.

Закалка - быстрое охлаждение (в воде, масле) стали, нагретой до определенной температуры. Закалка повышает твер­дость и прочность стали, однако сталь становится хрупкой и плохо поддается обработке резанием.

Цементация - насыщение поверхностного слоя детали из низкоугле­родистой стали углеродом на глубину до 2,2 мм, по­сле этого поверхность детали приобретает высокую твердость.

Азотирование - насыщение поверхностного слоя на глубину 0,1...0,3 мм азотом для повышения твердости и износостойкости детали.

Цементация с последующей закалкой и азотированием повышает прочность деталей, работающих при переменных напряжениях, на 20... 35%, этой же цели служат различные способы механического упрочнения поверхности: обкатка деталей роликами и обдувка их стальной дробью.

Чугуны применяются для изготовления литых фасонных за­готовок. Различают чугуны белые (до 4 % углерода),серые (до 3,6%), ковкие, высокопрочные, антифрикционные и легированные.

Ковкий чугун получается из белых чугунов путем длительной выдержки при высокой температуре - томлением, характеризуется вы­сокой прочностью и пластичностью (таблица 1.1).

Сплавы цветных металлов. Медно-цинковые сплавы с содержанием цинка до 50% называют латунями. Латуни обладают высокими антифрикционными свойствами, электропроводи­мостью и коррозийной стойкостью. Латуни обозначают буквой Л, ус­ловными обозначениями основных компонентов и числами, выражающими процентное содержание меди и других элементов. Например, марка ЛАЖМц 66-6-3-2 обозначает алюминиево-железо-марганцевую латунь, содержащую 66 % меди, 6 % алюминия, 3% железа, 2 % марганца и 23% цинка; марка ЛК80-ЗЛ обозначает, что это литейная латунь, содержит 80 % меди, 3 % кремния и 17 % цинка.

Из латуни изготавливают трубы, гильзы, втулки, арматуру тру­бопроводов, детали электротехнической аппаратуры.

Бронзы - медные сплавы, основными компонентами которых, кроме меди, могут быть: Ю - алюминий, Б - берилий, Ж - железо, К -кремний, Мц - марганец. Н - никель, 0 – олово, С - свинец, Ц-цинк, Ф - фосфор. Например, марка БрОФЮ-1 обозначает бронзу с содержанием олова около 10 % и фосфора около 1 %, остальные 80 % - медь. Бронза обладает высокими антифрикционными и антикоррозий­ными свойствами. Из них изготавливают втулки, вкладыши подшипни­ков, червячные зубчатые колеса, гайки ходовых и грузовых винтов, арматуру трубопроводов.

Баббиты - высококачественные антифрикционные подшипни­ковые сплавы низкой твердости - обладают высокой прирабатываемостью. Обозначаются буквой Б и числом, характеризующим процент­ное содержание олова. Вместо числа в обозначение баббита может входить начальная буква добавляемого компонента: Н - никель, Т -теллур, К – кальций, С - сурьма. Баббиты бывают: высокооловянистые, представляющие сплав олова с сурьмой и медью при содержании олова более 70 %; оловянисто-свинцовистые, содер­жащие до 20 % олова, около 15 % сурьмы, 65-75 % свинца; свинцо­вые, содержащие более 80 % свинца. Баббиты применяют для заливки вкладышей подшипников скольжения, рабо­тающих при больших скоростях и высоких динамических нагрузках (быстроходные дизели). Применяют баббиты Б88, Б83, Б83С, Б16.

Алюминиевые сплавы делятся на 4 группы на ос­нове систем: алюминий – кремний; алюминий - кремний – медь; алю­миний – медь; алюминий - магний. Применяются для изготовления шкивов, роторов вентиляторов, пневматических ма­шин, арматурных и корпусных деталей приборов и пр.

Таблица 1.1 - Механические свойства машиностроительных материалов

и их применение