Матеріали для виготовлення деталей машин

У машинобудуванні для виготовлення деталей машин застосовують чорні та кольорові метали, їх сплави, комбіновані та неметалічні матеріали. До чорних металів належать сталі та чавуни. До кольорових – сплави на основі міді (латуні, бронзи), сплави на основі олова (бабіти), алюмінієві сплави, титанові сплави. До комбінованих – композитні, армовані, металокерамічні тощо. До неметалічних матеріалів – насамперед пластмаси, гума.

Вибір того чи іншого матеріалу визначається функціональним призначенням деталі, умовами її роботи, конструктивними, технологічними та економічними вимогами. При цьому до основних показників, які забезпечують головні властивості матеріалів, належать: границя міцності ( ), границя текучості ( ), границя витривалості ( ), модуль повздовжньої пружності ( ), коефіцієнт Пуассона ( ), відносне видовження ( ), твердість (оцінюється числом твердості за Брінелем, Роквелом, Вікерсом – , , ), густина .

Сталі це залізовуглецеві сплави, в яких змістовність вуглецю не перевищує 2%.

Сталі поділяються на вуглецеві та леговані сталі.

Вуглецеві сталі поділяються на низьковуглецеві (С < 0,25%), середньовуглецеві (C = 0,25…0,6%) та високовуглецеві (C > 0,6%). У позначеннях вуглецевих сталей (починаючи від сталі Ст.7) цифри вказують на зміст вуглецю в сотих долях відсотка (наприклад, сталь марки 40 – містить 0,40% C).

Вуглецеві сталі поділяються на сталі звичайної якості та сталі якісні конструкційні. Якщо сталь містить у собі малу кількість вуглецю, вона характеризується високою пластичністю і зварюваністю; зі збільшенням змісту вуглецю підвищується міцність, зменшується пластичність і погіршується зварюваність. Вуглецеві сталі звичайної якості (ДСТУ 2651 – 94) марок Ст.0, Ст.1, … , Ст.6 використовують для виготовлення корпусних і кріпильних деталей, допоміжних, невідповідальних, що працюють під незначним навантаженням і без відносного руху в з’єднанні. Якісні конструкційні сталі (ГОСТ 1050 – 88) марок 7, … , 10 застосовують для деталей, які працюють при постійних напруженнях; марок 15, … , 20 – для деталей, які зазнають незначних динамічних навантажень (вживають термічну та хіміко-термічну обробку); марок 30, … , 55 – для навантажених деталей (вживають термічну обробку).

Леговані сталі отримують на основі вуглецевих шляхом введення в них легуючих елементів (Х – хром, Н – нікель, В – вольфрам, Ю – алюміній, Г – марганець, М – молібден та ін.) з метою підвищення показників міцності, текучості, ударної в’язкості та ін. Наприклад, хром підвищує міцність; нікель – опір крихкому руйнуванню, пластичність, в’язкість; молібден і вольфрам – твердість після цементації. У залежності від кількості легуючих елементів розрізняють низьколеговані (легуючих елементів менше 3%), середньолеговані (3,0 ¸ 5,5%) та високолеговані (більше 5,5%) сталі, а за видом основних елементів – хромисті, марганцевисті та ін. У позначеннях марки легованої сталі зміст легуючих елементів ( %) позначається цифрами за відповідними буквами. Наприклад, сталь 38Х2Ю (0,38% - С, 2% - хрому, 1% - алюмінію).

Леговані сталі поділяються на якісні та високоякісні – додається буква А в позначенні марки сталі (наприклад, сталь 12Х2Н4А – 0,12% С, 2% Х, 4% Н, А – високоякісна).

З метою надання матеріалам (головним чином стальним деталям) окремих властивостей, покращення їх робочих характеристик виконується термічна і хіміко-термічна обробка деталей, а також механічне зміцнення активних поверхонь.

Основними термічними операціями є відпал, нормалізація (Н), загартування (З) і відпускання (В).

Відпал (нагрівання і поступове охолодження) поковок і відливків використовують для одержання необхідних механічних властивостей. При нормалізації зменшуються внутрішні напруги; її використовують для вуглецевої сталі з метою підготовки структури матеріалу перед механічною обробкою.

Загартування готових деталей дозволяє зберегти нестійку структуру при кімнатній температурі, що відзначається підвищеною міцністю і твердістю. Після загартування здійснюють відпускання – нагрівання й охолодження за певного режиму. При низькому відпуску знижуються внутрішні напруги, але зберігається висока твердість (59…61 HRC) та стійкість проти зношування. Середнє відпускання (для пружин, ресор) дозволяє при підвищеній твердості (37…46 HRC) досягти підвищення міцності, пружності, витривалості та опору дії ударного навантаження. Під час високого відпускання-поліпшення (500…600 °С) одержують найбільшу в’язкість при порівняно достатній твердості (207…281 HB), міцності та пружності (використовують для болтів, осей та ін.).

Поверхневе загартування – нагрівання поверхневого шару до температури загартування, а потім швидке охолодження – призводить до підвищення твердості поверхні, границі витривалості та опору зношуванню при збереженні в’язкої серцевини. Таким способом обробляють шийки колінчастих валів, розподільні вали, різні втулки, деталі зубчастих з’єднань, зубці великих зубчастих коліс та ін.

За допомогою хіміко-термічної обробки – цементації, азотування, ціанування – досягається зміцнення поверхневих шарів. Під час цементації деталей із низьковуглецевих сталей поверхневий шар на глибину 1…2 мм насичують вуглецем. Після цементації деталі піддають загартуванню і низькому відпусканню, після чого на поверхні виникають напруги стиску, що сприяє збільшенню границі витривалості, а твердість поверхні досягає (61…64 HRC). Таким чином обробляють зубчасті колеса, черв’яки, деталі великих підшипників кочення та ін.

Під час азотування поверхневий шар глибиною 0,3…0,6 мм насичується азотом. Ця операція проводиться після остаточної механічної обробки та загартування з високим відпусканням, застосовується для легованих сталей (частіше для марок 38ХМЮА та 35 ХМЮА): збільшується твердість (до 1000….1200 HV) – стійкість проти зношування і корозії. Звичайно, азотуванню піддаються зубці зубчастих коліс, циліндри роторів та ін.

Під час ціанування поверхня насичується одночасно вуглецем і азотом. Після високотемпературного ціанування (800…950 °С) деталі піддають загартуванню з низьким відпусканням. Низькотемпературне ціанування (540…560 °С), як і азотування, застосовують до деталей, які пройшли термічну обробку: підвищується твердість, міцність проти втомлюваності, стійкість проти зношування та корозії.

З метою підвищення стійкості проти зношування та корозії застосовують дифузну металізацію – насичення поверхні частіше за все хромом, титаном, бором та ін. При цьому підвищуються твердість від 1200…1500 HV (хромування) до 1600…2000 HV (титанування) і термостійкість.

Механічне зміцнення активних поверхонь. Поліпшити опірність деталей руйнуванню можна створенням на їх поверхні напружень стиску. Цього домагаються за допомогою наклепу, який здійснюється шляхом дробоструминної обробки, накатуванням роликами або шариками тощо. Дробоструминна обробка полягає в пластичній деформації поверхневого шару деталі на глибину 0,15…0,30 мм за допомогою сталевого або чавунного дробу, який із силою ударяє по поверхні. Внаслідок наклепу підвищується твердість поверхні, міцність при втомленості (границя витривалості пружин підвищується на 50%, зубців зубчастих коліс зі сталі 40Х – на 20%). З тією ж метою деталі, які мають циліндричну поверхню, піддають обкатці роликами під тиском (осі транспортного рухомого складу, колінчасті вали).

З метою підвищення міцності зі збереженням пластичності застосовують термомеханічну обробку: перед загартуванням проводять пластичну деформацію, внаслідок чого отримують дрібнозернисту структуру, зростає міцність.

Чавуни це залізо – вуглецеві сплави, в яких змістовність вуглецю перевищує 2%. У залежності від структури вони поділяються на білі, ковкі та сірі чавуни. Білий чавун характеризується високою твердістю та крихкістю (використовується для виготовлення гальмових колодок транспортних технічних засобів). Ковкий чавун (КЧ) характеризується високою міцністю ( до 630 МПа) та низькою пластичністю. Використовується для деталей-відливок, що не оброблюються тиском. Найбільшого розповсюдження в якості ливарного конструкційного матеріалу для деталей в машинобудуванні отримав сірий чавун (СЧ). При гарних ливарних властивостях він характеризується відносно високою міцністю ( до 400 МПа), зносостійкістю та демпфуючою здатністю (віброгашенням), добре оброблюється різанням (у порівнянні з КЧ вартість виготовлення деталей з СЧ знижується в 1,3 ¸2,0 рази).

Серед сплавів на основі міді найбільшого використання для виготовлення втулок, кріпильних деталей, сепараторів підшипників кочення, корпусів та ін. отримали латуні та бронзи. Вони характеризуються високими антифрикційними, ливарними й антикорозійними властивостями. Для виготовлення деталей використовують подвійні латуні марок Л59, Л62, Л90 (сплави міді і цинку з відповідним змістом міді – 59, 62, 90 %) та багатокомпонентні латуні (наприклад: марки ЛКС 80-3-3 – 80% - мідь, 3% - кремній, 3% - свинець; ЛМцС 58-2-2 – 58% - мідь, 2% - марганець, 2% - свинець). У доповнення до наведених вище властивостей латуні мають достатню міцність, але їх вартість вища, наприклад, сталі 45 приблизно в 5 разів.

Для виготовлення різноманітної арматури та деталей, що в парі з іншими повинні мати низький коефіцієнт тертя, використовують бронзи, які за компонентами, що доповнюють мідь, називаються олов’яними та безолов’яними. Наприклад, бронзи марок: олов’яно-фосфориста БрОНФ (основа – мідь, 10% - олово, 1% - нікель, 1% - фосфор); алюмінієво-залізиста БрАЖ9-4 (9% - алюміній, 4% - залізо). Вартість бронз вища вартості сталі 45 у середньому в 10 разів.

Найкращі умови приробки й антифрикційні характеристики забезпечуються при використанні у вкладишах підшипників ковзання бабітів, легкоплавких сплавів на основі олова або свинцю. (Наприклад, бабіт марки Б83 має 83% олова). Але їх вартість у кілька разів вища вартості бронзи.

В якості ливарного матеріалу для виготовлення деталей складної конфігурації, а також різноманітних корпусів, кожухів, основин, шасі, ємностей, трубопроводів та ін., які мають достатню міцність, а питому вагу більш як у 3 рази меншу у порівнянні зі сталлю (важливо для транспортних технічних засобів), використовуються сплави на основі алюмінію.

Для виготовлення корпусів та деталей складної конструкції використовують ливарні сплави (АЛ2, АЛ4, АЛ9 та ін.), сплави алюмінію з кремнієм – силуміни, які мають відносно малу міцність ( = 170 ¸ 250МПа). Для виготовлення більш навантажених деталей транспортних технічних засобів використовують деформовані сплави на основі алюмінію (з міддю, магнієм) з термічним зміцненням – дюралюміни (Д1, Д16 та ін. мають = 350 ¸ 430 МПа). Їх вартість суттєво перевищує вартість сталі.

Для виготовлення відповідальних деталей з високою міцністю, жароміцністю, корозійною стійкістю, але з невисокими антифрикційними властивостями, низькою теплопровідністю та модулем повздовжньої пружності використовують титанові сплави ВТ3-1, ВТ5, В22 та ін. За питомою вагою вони в 1,7 рази легкіше у порівнянні зі сталлю, а за міцністю займають вищий рівень міцності легованих сталей (мають = 800 ¸ 1500 МПа). Застосовуються головним чином в авіації, ракетній техніці (для виготовлення роторів, лопаток газотурбінних двигунів, кріпильних деталей) та хімічному машинобудуванні.

Все більшого використання для виготовлення деталей отримують неметалічні матеріали – пластмаси, гума та ін.

Пластмасиза міцнісними характеристиками можуть наближатися до деяких металів, а за корозійною стійкістю – перевершувати їх. До матеріалів середньої міцності ( = 300 МПа, = 280 МПа) належать шаруваті пластмаси – гетинакс, текстоліт, лігнофоль. Із пластмас високої міцності – склопластів ( = 400 МПа) – виготовляють труби, резервуари, кузови автомобілів та ін. Пластики відрізняються від сталей меншою міцністю у (10…30 разів), жорсткістю (у 20…200 разів), твердістю (у 10…100 разів), теплопровідністю (у 100…400 разів).

Гума характеризується високою еластичністю, стійкістю проти впливу зовнішнього середовища, амортизаційними властивостями. Відносне подовження до руйнування може досягати 500…1000%. Модуль пружності гуми =2,4…9 МПа, залежно від твердості. Під дією постійних навантажень внаслідок релаксації деформація гумових деталей змінюється. Під дією змінних навантажень внаслідок внутрішнього тертя гума нагрівається, відбуваються необоротні процеси, погіршується еластичність. Гума використовується для пасів, упорів, підвісок, мембран, трубопроводів, захисних покриттів.

Для порівняння основних механічних характеристик деяких розглянутих вище матеріалів може бути використана таблиця 1.1.

Таблиця 1.1 – Механічні характеристики та питомі показники деяких матеріалів

Марка матеріалу. Термічна і хіміко-термічна обробка					Твердість ( )	, %	, г/см3
Сталь: Ст5 45 Н.З.В. 40Х Н.З.В. 15Х Ц.З. 18ХГТ Ц.З.В. 12Х2Н4А Ц.З.В. ШХ15 З.В. 45Л З.В.				2,0…2,1 -//- -//- -//- -//- -//- -//- -//-	(40…51) (63) (63) (63) (63)	-	7,8 -//- -//- -//- -//- -//- -//- -//- -//-
Чавун: СЧ20 СЧ35		- -		0,8…1,5 -//- -//-		- -	7,2 -//- -//-
Алюмінієві сплави	180…360		-	0,8	50…100	3…5	2,3
Сплави титану	800…1500			1,1	-	-	4,5
Бронза	440…620	-	-	1,1	60…100	5…10	8,9
Латунь	200…600	-	-	1,1		7…15	8,5
Бабіт (при стискуванні)		-	-	-			7,4
Текстоліт		-	-	0,06	-	1,0	1,4
Гума	-	-	-	-	-		1,2

Розширена характеристика конструкційних матеріалів для виготовлення деталей машин, рекомендації щодо їх вибору і покращення основних властивостей наведені в підручниках [1-3].