Шарикоподшипниковые стали.
Для обеспечения работоспособности изделий шарикоподшипниковая сталь должна обладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Это достигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллических включений и уменьшением пористости посредством использования электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.
При изготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15СГ (последующая цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента – 1,5 %). ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием и марганцем для повышения прокаливаемости. Отжиг стали на твердость порядка 190 НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталей в холодном состоянии. Закалка деталей подшипника (шариков, роликов и колец) осуществляется в масле с температур 840-860 0С. Перед отпуском детали охлаждают до 20-25 0С для обеспечения стабильности их работы (за счет уменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при 150-170 0С в течение 1-2 ч.
Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термической обработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95 % С и 18 % Cr.
Износостойкие стали.
Износостойкость деталей обычно в первую очередь обеспечивается повышенной твердостью поверхности. Однако высокомарганцевая аустенитная сталь 110Г13Л (1,25 % С, 13 % Mn, 1 % Cr, 1 % Ni) при низкой начальной твердости (180-220 НВ) успешно работает на износ в условиях абразивного трения, сопровождаемого воздействием высокого давления и больших динамических (ударных) нагрузок (такие условия работы характерны для траков гусеничных машин, щек дробилок и др.). Это объясняется повышенной способностью стали упрочняться в процессе холодной пластической деформации, равной 70 %, твердость стали возрастает с 210 НВ до 530 НВ. Высокая износостойкость стали достигается не только деформационным упрочнением аустенита, но и образованием мартенсита с гексагональной или ромбоэдрической решеткой. При содержании фосфора более 0,025 % сталь становится хладноломкой. Структура литой стали представляет собой аустенит с выделившимся по границам зерен избыточными карбидами марганца, снижающими прочность и вязкость материала. Для получения одно-фазной аустенитной структуры отливки закаливают в воде с температуры 1050-1100 0С. В таком состоянии сталь имеет высокую пластичность, низкую твердость и невысокую прочность.
Изделия, работающие в условиях кавитационного износа, изготавливают из сталей 30Х10Г10, 0Х14Г12М.
Корозионностойкие стали.
Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называются коррозионно-стойкими (нержавеющими). Устойчивость стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности плотные, прочно связанные с основой защитные пленки, препятствующие непосредственному контакту стали с агрессивной средой, а также повышающие ее электрохимический потенциал в данной среде.
Нержавеющие стали, разделяют на две основные группы: хромистые и хромоникелевые.
Хромистые коррозионно-стойкие стали применяют трех типов: с 13, 17 и 27 % Cr, при этом в сталях с 13 % Cr содержание углерода может изменяться в зависимости от требований в пределах от 0,08 до 0,40 %. Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. В соответствии со структурой, получаемой при нормализации, хромистые стали подразделяют на следующие классы: ферритный (стали 08Х13, 12Х17, 15Х25Т, 15Х28), мартенситно- ферритный (12Х13) и мартенситный (20Х13, 30Х13, 40Х13).
Стали с низким содержанием углерода (08Х13, 12Х13) пластичны, хорошо свариваются и штампуются. Их подвергают закалке в масле (1000-1050 0С) с высоким отпуском при 600-800 0С и применяют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки (клапаны гидравлических прессов) или работающих в слабоагрессивных средах (лопатки гидравлических и паровых турбин и компрессора). Эти стали можно использовать при температурах до 450 0С (длительная работа) и до 550 0С (кратковременно). Стали 30Х13 и 40Х13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью. Эти стали закаливают с 1000-1050 0С в масле и отпускают при 200-300 0С. Эти стали используют для изготовления карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т.д. Высокохромистые стали ферритного класса (12Х17, 15Х25Т и 15Х28) обладают более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со сталями, содержащими 13 % Cr. Эти стали термической обработкой не упрочняются. Они склонны к сильному росту зерна при нагреве свыше 850 0С. Высокохромистые стали ферритного класса используются часто как окалиностойкие.
Хромоникелевые нержавеющие стали в зависимости от структуры подразделяют на аустенитные, аустенитно-мартенситные и аустенитно-ферритные. Структура хромоникелевых сталей зависит от содержания углерода, хрома, никеля и других элементов.
Стали аустенитного класса с 18 % Cr и 9-10 % Ni (12Х18Н9, 17Х18Н9 и др.) в результате закалки приобретают аустенитную структуру и характеризуются высокой пластичностью, умеренной прочностью, хорошей коррозионной стойкостью в окислительных средах. Эти стали технологичны (хорошо свариваются, штампуются, подвергаются холодной прокатке и т.д.).
Стали 12Х18Н9, 17Х18Н9 после медленного охлаждения из аустенитной области имеют структуру состоящую из аустенита, феррита и карбидов. С целью растворения карбидов, а также предотвращения их выделения в процессе медленного охлаждения аустенитные стали нагревают до 1050-1120 0С и закаливают в воде, масле или на воздухе. Аустенитные стали не склонны к хрупкому разрушению при низких температурах, поэтому хромоникелевые коррозионно-стойкие стали широко используются в криогенной технике для хранения сжиженных газов, изготовления оболочек топливных баков и ракет и т.д.
Стали аустенитно-мартенситного класса (09Х15Н8Ю, 09Х17Н7Ю) получили широкое применение в основном как высокопрочные. Они хорошо свариваются, устойчивы против атмосферной коррозии. С целью обеспечения достаточной прочности и одновременно повышенной коррозионной стойкости сталь 09Х15Н8Ю подвергается следующей термической обработке: закалке на аустенит (925-975 0С) с последующей обработкой холодом (-70 0С) и старением (350-3800С).
Эти стали применяют для изготовления обшивки, сопловых конструкций и силовых элементов узлов летательных аппаратов.
Стали аустенитно-ферритного класса (08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т, 10Х25Н5М2 и др.) содержат 18-30 % Cr, 5-8 % Ni, до 3 % Mo, 0,03-0,10 % С, а также добавки Ti, Nb, Cu, Si и Ni. Эти стали после закалки в воде с 1000-1100 0С имеют структуру, состоящую из равномерно распределенных между собой зерен аустенита и феррита с содержанием последнего порядка 40-60 %. Эти стали, применяют в химическом и пищевом машиностроении, судостроении, авиации, медицине.
2. Цветные металлы и сплавы на основе алюминия и меди. Обозначения, достоинства и недостатки. Применение цветных металлов и сплавов в приборостроении.
Цветные металлы. Основными цветными металлами, применяемыми в приборостроении и машиностроении, являются медь, алюминий, свинец, олово, цинк, никель. Однако в чистом виде эти металлы применяются сравнительно редко, а чаще всего используются в виде различных сплавов. Например, чистая медь используется в качестве проводникового материала, но значительно шире используются сплавы на основе меди: латунь и бронза.
Латунь – это сплав меди с цинком. При обозначении латуней указывается буква Л, за которой следует двузначное число, обозначающее содержание в сплаве меди в процентах, например, Л96, Л62. Для получения латуни с определенными свойствами в ее состав могут входить другие элементы. О наличии в составе других, кроме цинка, элементов свидетельствует дополнительная буква в обозначении, например ЛС59-1. В данном случае буква С свидетельствует о наличии свинца, который добавляется для лучшей обрабатываемости резанием. Такая латунь используется для изготовления деталей оптико-механических приборов. Кремнистую латунь ЛК80-3Л применяют для изготовления литых деталей, работающих в коррозийных средах.
Бронзы – это сплавы меди с оловом и другими элементами (кремний, никель, алюминий и др). Имеют большие прочность и упругость по сравнению с латунями, называются по основному легирующему компоненту: оловянистые, алюминиевые, кремниевые, хромовые и т.д. Бронзы маркируют буквами Бр, далее буквами, кодирующими легирующие элементы, и числами, обозначающими содержание этих элементов в процентах, например: БрА7 (алюминиевая бронза), БрБ2 (бериллиевая бронза).
Бронзы БрАМц9-2 (алюминиево-марганцовистая), БрКМц3-1 (кремниево-марганцовистая) и БрАЖ9-4 (алюминиево-железистая) обладают высокими механическими и хорошими антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются резанием и давлением. Эти бронзы применяются для изготовления деталей, работающих в условиях трения: зубчатые и червячные колеса, ходовые гайки винтовых механизмов, втулки подшипников скольжения и др. Для изготовления ответственных деталей приборов используются оловянные бронзы: БрОФ7-0,2 – для изготовления зубчатых и червячных колес; БрОФ6,5-0,15 - для изготовления пружинящих деталей (плоских упругих контактов, мембран и др.); БрОЦ4-3 – для изготовления спиральных моментных пружин.
Сплавы на основе алюминия.
Алюминий является пластичным металлом, который хорошо обрабатывается давлением, позволяет делать глубокие вытяжки, но обладает малой механической прочностью и плохо паяется. Маркировка алюминия содержит букву А, за которой следует цифра, указывающая десятые доли процента содержания алюминия сверх 99%, например: А0 (99,0%), А5 (99,5%), А6 (99,6%) и т.д.
Высокими механическими свойствами обладают алюминиевые сплавы, которые делятся на литейные (АЛ) и деформируемые (АД). Отличительной особенностью алюминиевых сплавов является их небольшая плотность. Алюминиево-кремнистые сплавы (силумины) АЛ2, АЛ6 и др. используют для изготовления методом литья средненагруженных корпусных и других деталей приборов. Для изготовления нагруженных деталей, обрабатываемых резанием (стойки, кронштейны, втулки, кольца, шкивы, стаканы, крышки подшипников и т.п.), применяют алюминиево-магниевые и алюминиево-медные сплавы (дюралюмины) марок Д1, Д12, Д16, и др.
Магний – один из наиболее легких металлов. Его сплавы, в состав которых могут входить в качестве легирующих элементов марганец, алюминий, цинк, цирконий, сочетая приемлемую прочность с легкостью изготовленных из них деталей, по удельной прочности превосходят многие конструкционные стали и алюминиевые сплавы. Магниевые сплавы немагнитны, не искрят при ударах.
В горячем состоянии сплавы деформируются хорошо, в холодном - имеют пониженную пластичность, хорошо обрабатываются резанием, большинство сплавов подвергаются сварке в среде аргона.
Деформируемые магниевые сплавы выпускаются марок МА1, МА2, МА5 и т.п. К литейным магниевым сплавам относятся сплавы марок МЛ3, МЛ4, МЛ5, МЛ6, МЛ8, МЛ9 и т.п.
Цветные металлы и их сплавы находят широкое применение в машиностроении, электро- и радиотехнике, приборостроении и других отраслях промышленности благодаря многим ценным физико-химическим и механическим свойствам: большой электро- и теплопроводности, антифрикционным свойствам, пластичности и т. п.
Цветные металлы применяются главным образом в виде сплавов, так как в чистом виде они обладают малой прочностью. Наибольшее распространение в промышленности получили сплавы на основе меди, алюминия, олова, магния и других металлов.
Медь по своему значению в машиностроении является наиболее ценным техническим материалом. Она сплавляется со многими металлами, хорошо проводит электричество и тепло, уступая в этом отношении только серебру. Ее используют для изготовления электрических проводов, деталей электрооборудования и т. д.
Бронза обладает высокими антифрикционными и механическими свойствами, а также хорошей коррозионной стойкостью. Она идет на изготовление арматуры и деталей механизмов, работающих во влажной атмосфере и в других агрессивных средах.
Магний — самый легкий из всех применяемых в технике металлов. В промышленности магний обычно используется в виде сплавов с алюминием, марганцем, цинком и другими металлами: Все магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием и имеют сравнительно высокую1 прочность. Они используют в авиационной промышленности, в приборостроении и других отраслях.
3. Неметаллические материалы. Классификация. Достоинства и недостатки пластмасс. Примеры применения в приборостроении неметаллических материалов.
Понятие неметаллические материалы включает большой ассортимент материалов таких, как пластические массы, композиционные материалы, резиновые материалы, клеи, лакокрасочные покрытия, древесина, а также силикатные стекла, керамика и др.
Классификация неметаллических материалов:
− органические и неорганические полимеры;
− пластмассы;
− композиционные материалы;
− каучуки и резины;
− клеящие материалы и герметики;
− лакокрасочные покрытия;
− графит;
− стекло;
− керамика.
Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные, иногда даже незаменимые материалы. Отдельные материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками, оптической прозрачностью и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов.
Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.
Пластмассы – сложные материалы на основе высокомолекулярных соединений, способных к полимеризации. В зависимости от строения соединений все пластмассы делят на термореактивные (пространственное строение) и термопластичные (линейное строение). К термореактивным относятся текстолит, гетинакс, бакелит и др. Термопластичные пластмассы при определенных температурах и давлении переходят в пластическое состояние и легко формуются. В технике наиболее широко используются следующие термопластичные пластмассы: полиамиды, полиформальдегиды, поликарбонаты и акрилопласты. Для изготовления зубчатых колес, подшипников, кулачков и т.п. применяют полиамиды, обладающие высокой износостойкостью, механической прочностью, химической стойкостью. Полиформальдегиды отличаются высокой прочностью при умеренных температурах (sв=70 МПа), а поликарбонаты - большой ударопрочностью. Акрилопласты обладают гибкостью, износостойкостью, химически малоактивны.
По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные и антифрикционные, электроизоляционные) и несидовые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно, так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами: например, полиамиды применяют в качестве антифрикционных и электроизоляционных материалов и т. д.
Пластмассы по своим физико-механическим и технологическим свойствам являются наиболее прогрессивными и часто незаменимыми материалами для машиностроения.
Достоинства пластмассы: дешевизна, прочность, безопасность.
Недостатки пластмассы: низкие барьерные свойства (в бутылку легко проникают ультрафиолет и кислород; углекислый газ, содержащийся в прохладительных напитках, также относительно легко просачивается сквозь стенки).
Опасность для здоровья и окружающей среды: Официально считается, что полиэтилентерефталатовые бутылки безопасны для здоровья. Тем не менее, есть информация, что содержимое бутылок, может выщелачивать ядовитую сурьму из стенок бутылок (особенно при нагревании). Эта информация ещё требует проверки. Пока PETE считается одним из самых безопасных видов пластмасс. Тем не менее врачи не рекомендуют многократно использовать PETE-бутылки, потому что в быту их сложно промыть достаточно чисто, "избавившись" от всех микроорганизмов.
Переработка: переработка осуществляется механически (измельчение) и физико-химически. Из продуктов переработки можно изготавливать широкий ассортимент различной продукции, в том числе и пластиковые бутылки заново.