Конструкційні матеріали в машинобудуванні

Матеріали, з яких виготовляють деталі, конструкції машин і ме­ханізмів, називають конструкційними. Щоб визначити придатність матеріалу до виготовлення з нього певної деталі, необхідно знати склад, будову та властивості цього матеріалу, а також враховувати умови роботи деталі та фактори, що впливають на працездатність і надійність деталі та машини — швидкість старіння матеріалу, вплив на нього температури, вологості повітря тощо.

Класифікують конструкційні матеріали (див. рис. 8.1) за при­родним походженням, технологічністю використання в конструкції виробу й за іншими ознаками. Розрізняють металеві, неметалеві та композиційні матеріали. До металевих матеріалів належать метали та сплави. В техніці терміном метал визначають прості речовини кристалічної будови зі специфічними властивостями: вони непро­зорі, мають металевий блиск, високі електро- і теплопровідність, міцність, більшість з них пластична, їх можна обробляти у холод­ному й гарячому стані різанням, тиском і зварюванням.

Сплави — це складні за вмістом речовини, утворені з кількох металів і неметалів унаслідок дифузії, тобто взаємного проник­нення частинок.

Чисті метали в техніці застосовують рідко. Майже всі метали, що використовуються, мають спеціально введені домішки. За­лежно від основного компонента метали та сплави поділяють на чорні й кольорові.

До неметалевих матеріалів належать деревина, пластмаси, гу­мові, ебонітові, графітові, абразивні, лакофарбові та клеючі ма­теріали, шкіра, азбест, скло, кераміка, парцеляна, мармур, повсть, текстильні, паперові, змащувальні та інші матеріали. Не­металеві матеріали можуть бути природними, синтетичними і штучними, а за хімічним складом — органічного й неорганічно­го походження. Залежно від застосування їх поділяють на конст­рукційні, футерувальні, прокладні та ущільнювальні, лакофар­бові, в'яжучі, тощо.

Композиційно-шарові матеріали — це поєднання неметалевих матеріалів з металевими або будь-яким іншим каркасом для на­дання їм необхідних фізико-механічних властивостей (надтвер-

Рис. 8.1. Класифікація конструкційних матеріалів

дості, високотемпературності), тобто композиційними матеріала­ми називають композиції, складові яких мають різні властивості і нерозчинні або малорозчинні одні в одних. За технологічними способами обробки матеріалів їх поділяють на ливарні, де-формівні, спікливі та зварювальні.

Матеріали, з яких можна виготовити деталі литтям, назива­ють ливарними. Поширеним ливарним матеріалом є чавун та де­які пластмаси.

Матеріали, які мають достатню пластичність, і деталі, які ви­готовляють обробкою тиском (або деформуванням), називають деформівними. З них можна виготовляти деталі куванням, штам­пуванням, пресуванням тощо. Добре обробляються деформуван­ням сталі, сплави на мідній основі (крім бронз), алюмінієві де­формовані сплави та інші пластичні метали і сплави.

Матеріали, деталі з яких виготовляють спіканням порошків, називають спеченими. Це метало- та мінерало-керамічні ма­теріали. Більшість матеріалів має комплекс властивостей, тобто вони можуть оброблятися виливанням, тисненням, зварюванням та спіканням, тому застосовують способи обробки, поєднуючи виливання, вальцювання, спікання і засоби порошкової мета­лургії. У машинобудуванні використовують різноманітні конст­рукційні матеріали. Це, в першу чергу, сталі різних марок. Засто­совують також чавун, мідь і алюміній та їх сплави, сплави на ос­нові титану, антифрикційні сплави, тверді матеріали, жаростійкі, жароміцні, корозієстійкі, тугоплавкі припої, метали високої чис­тоти, матеріали з особливими тепловими та пружними властиво­стями, електрорадіоматеріали (провідникові, напівпровідникові, діелектричні, магнітні та немагнітні), пластмаси, кераміку, скло.

Придатність матеріалу визначається його відповідністю технічним вимогам та можливістю впровадження у виробництво. Наприклад, інструментальні матеріали повинні мати високі твердість, міцність, теплостійкість, стійкість до спрацювання, чутливість до циклічних коливань температури тощо. Тверді ма­теріали — це, як правило, інструментальні тверді сплави, які ви­готовляються способами порошкової металургії з карбідів воль­фраму, титану, танталу. Вони мають високі твердість і стійкість до спрацювання. До таких матеріалів належать мінерало — ке­рамічні та надтверді матеріали.

Жаростійкі сталі здатні чинити опір окисленню за високих температур. Це сталь, яка містить хром, силіцій, алюміній (на-

приклад, сталі марок 4Х10С2М, 1X12СЮ, 1Х25Н25ТР). Вироби з жаростійкої сталі з вмістом хрому (10...13)% стійкі до темпера­тури 75 °С, з вмістом хрому (15...17)% — до 90 °С, з вмістом хро­му 25% — до 1000 °С. Вони добре захищені від дії газової корозії. Звичайно ці сплави застосовують для роботи за невеликих наван-та-жень, тому до них вимога жароміцності не ставиться. Під жа­роміцністю розуміють властивість металів зберігати міцність за високих температур. Вони стійкі за температур (1000... 1500) °С, витримують тривалі сталі та змінні навантаження. Жароміцні сталі марок 1Х14Н18В2БР1, Х23М18, 12ХМФ, 15Х12ВНМФ, ХН70МВТЮБ містять хром, нікель, молібден, вольфрам, ніобій, титан і бор. їх застосовують для виготовлення клапанів двигунів внутрішнього згоряння, лопатей парових і газових турбін тощо.

Корозієстійкі сталі — це матеріали, що не піддаються корозії. До них належать сталі, леговані хромом (не менше 12%) і нікелем (наприклад 12X13, 12Х18Н10Т, 17Х21ГН5Т).

Тугоплавкі матеріали — це метали з температурою плавлення понад 1700°С (вольфрам, молібден, ніобій, гафній, рутеній, осмій, реній та ін.). Деталі з цих матеріалів виготовляють спосо­бами порошкової металургії.

Напівпровідникова техніка використовує матеріали високої чистоти, що містять до 99,9999% основного компонента, тобто в цих матеріалах на мільйон атомів основного компонента припа­дає один атом домішок. До сплавів високої чистоти належать та­кож прецизійні сплави.

Сплави з особливими тепловими та пружними властивостя­ми — це сплави з малим температурним коефіцієнтом модуля пружності. Малий коефіцієнт теплового розширення мають спла­ви, які містять (35...44)% нікелю. До замінників платини належать інвари — нікелеві сплави, леговані кобальтом та іншими елемента­ми (Н36 застосовують для виготовлення приладів, деталі яких зберігають свої розміри за зміни температури від -60 до +100 °С; їх використовують у метрології (штрихові міри довжини), у точних годинниках (маятники) та для виготовлення деталей геодезичних приладів і термостатів). У кріогенній техніці застосовують сплави, структура і властивості яких стабільні до температури -269 °С.

Сплав 32НКД містить кобальт і мідь, які частково замінили нікель, унаслідок чого його температурний коефіцієнт лінійного розширення менший ніж інвар. Його називають суперінваром. Елінвар Х8Н36 застосовується для виготовлення пружин годин-

ників і деталей приладів, що повинні зберігати сталу пружність у значному інтервалі температур, платиніт Н42 — для впаювання електродів в електровакуумні прилади, бо його коефіцієнт лінійного розширення близький до коефіцієнта лінійного розши­рення скла, тому платиніт є замінником платини.

У сплавів із залізом, нікелем, хромом, титаном і алюмінієм, крім малого коефіцієнта теплового розширення, є ще й низький температурний коефіцієнт модуля пружності. їх називають елінварами (наприклад ЗбНХ, 36НХТЮ, 42НХТЮ та 44НХТЮ). Дуже поширені сплави з кольорових металів на основі міді, алюмінію, свинцю, тощо. Сплав міді з цинком називають лату­нью, сплав міді з оловом, алюмінієм і берилієм називають брон­зою. Сплави міді з цинком і з нікелем — мельхіорами. Сплави на основі алюмінію називають силумінами (з магнію, кремнієм, міддю, титанам, тощо). Сплави на основі свинцю та олова з до­бавками міді і тибію (сурма) називають бабітами і використову­ють в підшипниках для зменшення тертя.

До сплавів з особливими пружними властивостями належать сплави, які використовують для виготовлення пружин із задани­ми пружними властивостями (берилієві бронзи БрБ2, Бр БНТ19). Припої — сплави, які використовують як присадковий ма­теріал для паяння та лудіння. М'які припої — сплав олова і свин­цю з температурою плавлення до 400 °С (ПОСК-61, ПОСК 50-18, ПОССу 61-05 та ін.). Тверді припої — сплав міді й цинку з темпе­ратурою плавлення 550 °С (наприклад Л63, ПМЦ-36). Срібні припої — сплав срібла, міді й цинку (ПСр-72, ПСр-45 та ін.).

Електрорадіоматеріали — це метали і сплави з високою провідністю (срібло, мідь, алюміній, золото) або великим опором (сплави мідно-манганові, мідно-нікелеві, заліза, нікелю і хрому) та напівпровідникові матеріали (речовини, електропровідність яких залежить від температури).

Розрізняють прості й складні напівпровідникові матеріали. Прості — це силіцій, германій, селен, телур, фосфор, сірка, арсен, стибій, йод. Складні — це тверді розчини (силіцію і германію) та хімічні сполуки (арсенід галію, оксид міді та ін.).

Залежно від взаємодії металу з магнітним полем матеріали поділяють на слабко- та сильномагнітні. До перших належать па­рамагнетики (алюміній, олово, натрій, платина) і діамагнетики (мідь, срібло, золото, свинець), до інших — феромагнетики (залізо, нікель, кобальт і їхні сплави, сплави хрому та мангану).

Матеріали, які не проводять електричного струму, — пласт­маси, кераміка та скло, — належать до діелектриків. Керамікою називають матеріали, які одержують з глини, польового шпату, титану, цирконію, ніобію та інших елементів спіканням у порош­коподібному стані.

Скло виготовляють плавленням солі та оксидів різних еле­ментів. Залежно від хімічного складу склоутворювальних оксидів скло буває силікатне (основа — оксид кремнезему), боратне (ос­нова — оксид бору), фосфатне (основа — фосфорний ангідрид), борофосфатне тощо.

Основними вихідними матеріалами для виробництва скла є кремнезем у вигляді піску або кварцитів і флюси у вигляді вап­няку, соди або сульфату. Щоб скло набуло певних технічних влас­тивостей, до шихти додають спеціальні домішки — оксидатори, від­новники, барвники тощо. Так, для виробництва синього скла дода­ють сполуки кобальту, смарагдово-зеленого — оксид хрому (), фіолетового — сполуки мангану, рубінового — оксид (II) міді (). Щоб дістати легкоплавке скло з великою прозорістю для ультрафіолетового проміння, додають борний ангідрид і т. п. Вихідні матеріали плавлять у спеціальних скловарних печах, які своєю будовою нагадують сталеплавильні печі. Зі звареної скломаси литтям, витягуванням, прокатуван-ням, пресуванням та видуванням одержують листи, трубки та інші скляні вироби. Наприклад, труби великих діаметрів виготовляють відцентровим литтям, більшість гранованих виробів, ізолятори, бен-зовідстійники автомобілів і тракторів — пресуванням. Скло за­стосовують як прозорий матеріал для колб, освітлювальних ламп, радіоламп тощо.

Щоб мати скловолокно, розплавлене скло пропускають крізь отвір діаметром близько 1 мм, а потім швидко розтягують на нитки до діаметра 0,003...0,006 мм або 0,009...0,017 мм. Волокно скла має високу міцність на розрив; його використовують для ви­готовлення тканин, стрічок, шлангів, ізоляції, як наповнювач ви­сокоміцної пластмаси і т.д.

Скло, яке застосовують у господарстві і промисловості, нази­вається промисловим. Його поділяють на ходове — віконне, дзер­кальне, армувальне, пляшкове, лампово-ліхтарне і технічне — оп­тичне, світлотехнічне, конструкційне, безосколкове. Найширше застосовується силікатне скло кількох груп. Рідке скло (технічний силікат натрію) застосовують як в'яжучу речовину для виготов-

лення цементу, замазки, кислото- і вогнестійких мас, для обмазу­вання покриття електродів, спеціальної обробки деревини.

Емаллю називається склоутворюваний сплав, яким покрива­ють металеві вироби, щоб надати їм гладенької красивої по­верхні і протикорозійної стійкості. Поверхні керамічних виробів покривають скляною масою — поливою. Вона підвищує ме­ханічні якості, водо- і газонепроникність, а також надає виробам красивого блиску.

Антифрикційні сплави

Антифрикційні (підшипникові) сплави — матеріали, які вико­ристовують для виробництва вкладишів підшип-ників ковзання. Вони повинні мати низький коефіцієнт тертя, неоднорідну структу­ру, яка б сприяла затримуванню мастила, високу міцність на стиск і стирання, пластичність для притирання тертьових поверхонь і од­ночасно необхідну твердість, яка б не викликала інтенсивного сти­рання, але була б достатньою, щоб не викликати деформування.

Найкращими антифрикційними сплавами є бабіти — сплави на олов'янистій або свинцевистій основі, які застосовують для за­ливання підшипників та їх вкладишів. Бабіти поділяють на олов'янисті, що містять не менше 72% олова, олов'янисто-свинце-висті з вмістом (5... 17)% олова і (64...72)% свинцю, безолов'янисті (свинцевисті), що містять не менше 80% свинцю.Бабіти познача­ються літерою Б з числом, що вказує на вміст олова в сплаві. На­приклад, бабіт Б83 складається з 83% олова, (10...12)% стибію і (5,5...6,5)% міді. Він призначений для заливання підшипників па­рових турбін, дизелів тощо.

До олов'янисто-свинцевистих належить бабіт Біб, що містить (15... 17)% олова, (15...17)% стибію, (1,5...2)% міді, а решта — сви­нець. Цей сплав застосовують для заливання підшипників парових турбін, електродвигунів, прокатних станів, дробарок тощо. До бе-золов'янистих належать кальцієвий бабіт — сплав з свинцевистою основою та невеликими домішками кальцію (0,75... 1,1)% і натрію (0,65...0,95)%, що використовують для заливання підшипників.

Залежно від умов роботи машини, швидкісної характеристики та температурного режиму роботи застосовують антифрикційні сплави на алюмінієвій, мідній, цинковій та інших основах, анти­фрикційні чавуни, шаруваті металокерамічні сплави, пластмаси, пластифіковану деревину тощо. Алюмінієвий антифрикційний

І сплав застосовують як замінник бабіту Біб і олов'янистих бронз.

Інколи ці сплави більш придатні для роботи, бо мають високі гра­ницю міцності та коефіцієнт лінійного розширення. Остання якість є недоліком у роботі, де потрібна точність.

Широке застосування мають сплави, що містять (7,5...9,5)% міді та (1,5...2,5)% силіцію. Використовують також сплави з ніке­лем і міддю; звичайно сплав містить 2,5% нікелю та 8% міді. Ан­тифрикційні сплави на мідній основі бувають олов'янисті, свин-цевисті та спеціальні. їх застосовують для виготовлення підшип­ників машин, які працюють в умовах високих тиску, швидкостей ковзання і температурних режимів. Становлять інтерес свинце-висті бронзи такого складу: (ЗО...60)% свинцю, (40...70)% міді та в деяких марках 2,5% нікелю. Невисокі тиск та швидкість дозволяє застосовувати сплави на цинковій, залізній та інших основах.

Вкладиші підшипників заливають бабітом, потім розточують за розміром шипа або шийки, залишаючи шар бабіту товщиною (1...3) мм. В легких транспортних двигунах внутрішнього згорян­ня використовують тонкостінні вкладиші, відштамповані з стале­вої стрічки. Робочу поверхню покривають тонким шаром анти­фрикційного сплаву товщиною до 1 мм. Для тонкостінних вкла­дишів застосовують біметалеву стрічку: сталь-бабіт, сталь свин­цева, бронза тощо.