Материалы, применяемые в машиностроении

В машиностроении, ремонтной и монтажной практике большинство деталей, обрабатываемых в механических, механосборочных, инструментальных и ремонтных цехах, изготовляют из чугуна, стали, цветных металлов, твердых сплавов и других конструкционных материалов.

Чугуны. Различают белый – передельный чугун и серый чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2,14 %, применяют как конструкционный материал для корпусных деталей, зубчатых колес, рычагов и других изделий, не испытывающих высоких механических нагрузок. Марки обозначаются следующим образом: СЧ-18-36. СЧ – серый чугун 18 кг/мм² или 180 МПа предел прочности при растяжении 36 кг/мм² или 360 МПа предел прочности при изгибе. Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом, обладает высокой износоустойчивостью. Недостатком серого чугуна является значительная хрупкость и малая пластичность. Прочность серого чугуна можно увеличить вводя в его состав специальные добавки – модификаторы. В качестве модификаторов используют магний, церий, ферросилиций, силикокальций, алюминий, марганец, никель. Маркируется ВЧ 38-17, означает высокопрочный чугун с пределом прочности 38 кг/мм² или 380 МПа и относительным удлинением e = 17 %.

Ковкий чугун. Название "ковкий" условное, практически чугуны не куются, ковкие чугуны получают из белого чугуна путем длительного отжига (томления) при высоких температурах. Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении, невысокой пластичностью и высоким сопротивлением удару. По механическим свойствам он занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Маркируется КЧ 30-6, КЧ 37-12, 37 кг/мм² (370 МПа) предел прочности при растяжении, 12 – относительное удлинение e = 12 %.

Чугунные детали, работающие при повышенных температурах изготовляют из жаропрочного чугуна ЖЧ. Например, ЖЧХ 2,5, где Х – хром 2,5 %. Детали, работающие в газовой и кислотной среде, изготовляют из коррозионно-стойких чугунов, а детали, работающие в условиях трения – из антифрикционных чугунов.

Конструкционные стали. Углеродистые и легированные стали. Сталь – это сплав железа с углеродом, обычно содержит от 0,05 до 1,5 % углерода и соответствующие примеси кремния, марганца, серы, фосфора и др. Для придания стали тех или иных свойств в сталь вводят (легируют) хром, вольфрам, ванадий, кобальт, титан и другие легирующие элементы. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные, от применения – стали общего назначения или конструкционные, идущие на изготовление деталей машин и различных металлических изделий; инструментальные стали, предназначенные для изготовления режущего и измерительного инструмента и штампов, а также стали специального назначения – подшипниковые, пружинные, жаропрочные, коррозийностойкие, электротехнические и др.

Конструкционные стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием – низкоуглеродистые стали с повышенным содержанием серы и фосфора, что улучшает их обрабатываемость резанием и процесс стружкообразования. Стали применяют для изготовления малоответственных деталей (гаек, болтов, крышек, рукояток и т.п.). Некоторые марки стали подвергают термической обработке. Стали обозначают буквой А, указывающей назначение стали (автоматная), и двухзначным числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента. Например, А30 – автоматная сталь с содержанием 0,3 % С.

Сталь углеродистая конструкционная, обыкновенного качества, общего назначения применяется для деталей машин, станков, автомобилей, тракторов, труб разного назначения, ширпотреба при сравнительно неответственном назначении конструкций и деталей. Сталь делится на группы А, Б и В. Принадлежность к группе указывается в марке стали (буква А не указывается). Стали группы А, например, применяют, когда изделие не подвергают горячей обработке (сварке, ковке и др.). Стали группы Б и В подвергают термической обработке, при которой механические свойства меняются. Марки этих групп обозначают буквами Ст и однозначной цифрой от 0 до 6 условным номером марки в зависимости от химического состава и химических свойств. Например, Ст 4 – сталь углеродистая, конструкционная, обыкновенного качества, общего назначения группы А, номер марки 4. В ряде случаев марка содержит обозначение степени раскисления при выплавке в конвертерах с продувкой кислородом, в мартеновских и электрических печах. В зависимости от раскисления они бывают спокойной(сп), полуспокойной (пс) и кипящей (кп), например, Ст 4 кп или В Ст 3 сп.

Стали углеродистые, конструкционные, качественные применяют для изготовления деталей машин с повышенными требованиями к прочности. Двухзначное число в марке обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента, например, Ст 08, Ст 15, Ст 45, Ст 80 и др. В ряде случаев марка содержит указание способа раскисления (буквы кп или пс), содержание марганца буква Г, например, Ст 65 Г.

Стали легированные, конструкционные, общего назначения имеют большое количество групп и марок. В зависимости от содержания углерода стали делятся на цементуемые (низкоуглеродистые) и улучшаемые (среднеуглеродистые). Обозначение марок стали связано с ее химическим составом и названием легирующих элементов, например, хромистые стали – 15Х, 38ХА, 45Х; марганцовистые стали – 20Г, 35Г; хромомарганценикелевых – 38ХГН; хромоникельмолибденовые стали – 14Х2Н3МА; хромоалюминиевые стали с добавкой молибдена – 38Х2МЮА и т.д. Двухзначные числа с левой стороны обозначений марок стали показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие затем буквы обозначают: Н – никель, Х – хром, Г – марганец, С – кремний, М – молибден, В – вольфрам, Ф – ванадий, К – кобальт, Т – титан, Д – медь, Ю – алюминий, П – фосфор, Е – селен, Л – бериллий, Б – ниобий, Р – бор; цифры после соответствующей буквы - приблизительное содержание этого элемента в процентах. При содержании элемента до 1 % цифра не указывается, буква А в конце марки указывает на повышенное качество стали за счет меньшего содержания вредных примесей: фосфора и серы.

Инструментальные стали. Все инструментальные стали делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие.

Углеродистые инструментальные стали обладают высокой прочностью, твердостью после термической обработки, теплостойкостью при резании металлов до 200-250 ⁰С и износостойкостью. Стали применяют для изготовления сверл малого диаметра, разверток, метчиков, плашек, шаберов, зубил, напильников и других инструментов, работающих при малых скоростях резания, для деревообрабатывающих инструментов. Из этих сталей могут изготавливаться некоторые измерительные инструменты, калибры и шаблоны. Марки углеродистых сталей обозначают буквой У. Например, У8, У8А, У12, У12А, где цифра указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки указывает на повышенное качество.

Легированные инструментальные стали получают введением в среднеуглеродистую сталь легирующих элементов – хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, марганца, которые повышают ее режущие и технологические свойства, увеличивают теплостойкость до 250-300 ⁰С, уменьшают деформацию (коробление) при запайке. Стали применяют для изготовления сверл, метчиков, зенкеров, разверток, протяжек и другого стержневого и резьбового инструмента, корпусов, штампов и пресс-форм. Для изготовления режущего инструмента наибольшее применение находят стали: хромокремнистая 9ХС, хромовольфрамовая ХВ5, хромовольфрамомарган-цовистая ХВГ и другие. Буквы обозначают соответствующий легирующий элемент.

Быстрорежущая сталь (теплостойкая сталь высокой твердости) благодаря введению в её состав 6..19 % вольфрама, 3…4,6 % хрома, 1…4 % ванадия и других легирующих элементов. Может выдерживать в процессе резания нагрев до температуры 600-650 ⁰С, иметь твердость после термической обработки 63-68 HRC и работать при скоростях резания в 2-3 раза превышающих скорости, допускаемые при использовании инструмента, изготовленного из углеродистых инструментальных сталей.

Стали делятся на 3 группы – умеренной, повышенной и высокой теплостойкости. Учитывая высокую стоимость быстрорежущих сталей, из них изготовляется только режущая часть инструмента, а корпус, державки, хвостовики инструментов делают из конструкционных сталей. В марках быстрорежущих сталей буква Р (рапид) обозначает, что сталь относится к группе быстрорежущих. Цифры, стоящие после нее указывают среднее содержание вольфрама в процентах. Остальные буквы и цифры имеют то же значение, что и в марках легированных сталей. Например: Р6М5, Р18Ф2, Р10К5Ф5.

Твердые сплавы. Замена быстрорежущего инструмента твердосплавным позволяет повысить скорость резания в 1,5 - 2 раза и увеличить стойкость инструмента (время до затупления и переточки) не менее чем в 3 – 5 раз. Твердые сплавы для оснащения режущего инструмента выпускают в виде пластин, форма и размеры которых определяются соответствующими стандартами. По химическому составу твердые сплавы подразделяются на три группы: вольфрамовые (однокарбидные) твердые сплавы, содержащие карбиды вольфрама ВК2, ВК3, ВК4, ВК6, ВК8 и др. Цифры в обозначении марки твердого сплава показывают содержание связующего кобальта в процентах, остальное карбид вольфрама. Сплавы этой группы применяют для обработки чугуна и других хрупких материалов при прерывистом резании (строгание, фрезерование). Кроме того, инструменты из сплава этой группы используют при обработке жаропрочных и титановых сплавов, так как вольфрамокобальтовые сплавы, твердые сплавы не содержат титана. Поскольку жаропрочные стали содержат титан, то применение инструментального материала с содержанием титана может привести к адгезисхватыванию с последующим вырыванием частиц инструментального материала стружкой или материалом заготовки. Это приводит к преждевременному выходу инструмента из строя. Титано-вольфрамовые (двухкарбидные) твердые сплавы содержат карбиды вольфрама и титана сцементированные кобальтом (Т5К10, Т14К8, Т15К6 и др.). Цифры в обозначении марки твердого сплава показывают процентное содержание карбида титана и кобальта, остальное – карбиды вольфрама. Инструменты, изготовленные из этой группы твердых сплавов применяют для обработки сталей.

Титанотанталовольфрамовые (трехкарбидные) твердые сплавы, содержащие карбиды: титана, тантала, вольфрама и связующего кобальта (ТТ7К12, ТТ7К15, ТТ8К6). Цифры в обозначении марки твердого сплава, показывающие суммарное процентное содержание карбидов: титана, тантала, связующего кобальта, остальное – карбид вольфрама. Твердые сплавы этой группы характеризуются повышенной износостойкостью, прочностью и вязкостью, что обуславливает их применение при обработке труднообрабатываемых сталей аустенитного класса.

Сверхтвердые инструментальные материалы. Эльбор – сверхтвердый синтетический материал, созданный на основе кубического нитрида бора (вещества, состоящего из атомов азота и бора). Он обладает большой твердостью и высокой теплостойкостью и более прочен по сравнению с алмазом. Эльбор выпускается в виде столбиков, используют для изготовления резцов, а порошкообразный эльбор – для изготовления шлифовальных кругов. Кубический нитрид бора в зависимости от исходного сырья и технологии производства носит различные названия: эльбор-Р, сисмит, боразон, гексанит, кубонит, композит. Для шлифовальных кругов эльбор выпускают 2-х марок: ЛО и ЛП.

Алмазы. Алмаз самый твердый из всех материалов, химически малоактивный, имеет высокие теплостойкость и износостойкость, обеспечивает получение у инструмента острой режущей кромки. Недостатки алмаза – хрупкость и высокая стоимость. Синтетические алмазы получают из графита при высоких температурах и давлениях. Полученные кристаллы алмаза дробят в порошок определенных размеров, который затем используют для изготовления алмазно-абразивного инструмента (кругов, дисков, брусков, надфилей, хонов, паст и др.). В зависимости от технологии получения синтетические алмазы обозначают следующими марками: шлифпорошки АС2 (АСО), АС4 (АСР), АС6 (АСВ), АС15 (АСК), АС32 (НСС); микропорошки АСМ, АС; поликристаллические алмазы – баллас и карбонадо. Алмазные порошки выпускают различной зернистости.

Цветные металлы. Большое распространение получили в машиностроении бронза, латунь, сплавы алюминия, магния, титана и др.

Бронза – сплав меди с оловом, алюминием, фосфором, никелем и другими элементами. В зависимости от состава бронзы делятся на оловянные и безоловянные. Маркируются бронзы следующим образом Бр ОФ 6,5 – 0,4 – оловянофосфористая бронза, содержащая 6,5 % олова, 0,4 % - фосфора, остальное – медь.

Латунь – сплав меди с цинком. Различают простые (двухкомпонентные) латуни, состоящие из меди и цинка, и специальные (многокомпонентные), содержащие некоторое количество легирующих элементов (свинец, олово, железо, марганец). Наименование таких латуней дается по легирующим элементам, например, свинцовая латунь. Простые латуни маркируются следующим образом, например, Л 68 содержит 68 % меди, остальное – 32 % цинка. Специальные латуни – ЛАЖ Мц – 66-6-3-2 латунь алюминиево-железистомарганцевистая содержит 66 % меди, 6 % алюминия, 3 % железа, 2 % марганца, остальное – 23 % цинка.

Дуралюмин (дюралюминий) – сплав алюминия с медью, магнием, марганцем, кремнием, железом и другими элементами. Дуралюмин широко применяют во всех областях народного хозяйства, особенно в авиации. Отдельные марки сплавов хорошо свариваются точечной сверкой, обрабатываются резанием, штампуются, термически обрабатываются, подвергаются анодированию. Наиболее распространенные алюминиевые сплавы, подвергаемые обработке резанием, являются сплавы Д16, Д19, Д20, Д21, АК-4 и литейные алюминиевые сплавы АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др.

Магниевые сплавы. Сплавы магния по удельной прочности превосходят некоторые конструкционные стали, чугуны и алюминиевые сплавы. Магниевые сплавы хорошо прессуются, куются, прокатываются и обрабатываются резанием. Наиболее распространены следующие группы магниевых сплавов: литейные магниевые сплавы марок от МЛ2 до МЛ15 применяются для деталей, от которых требуется повышенная коррозионная стойкость и герметичность; сверхлегкие магниевые сплавы марок ИМВ2, ВМД5 имеют низкую прочность (1,4…1,6 г/см²), повышенную пластичность, хорошие механические свойства при криогенных (низких) температурах; сплав с высокой деформацией способностью МЦИ предназначен для деталей, работающих в условиях воздействия вибрационных нагрузок; протекторные магниевые сплавы марок МЛ14п4 и МЛ16п4 предназначены для защиты от коррозии газонефтепроводов и других подземных сооружений.

Титановые сплавы. Титановые сплавы отличаются малой плотностью, высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью 0,01 мм в 1000 лет. При трении титана его сплавы склонны к схватыванию с другими металлами, поэтому механическая обработка резанием сложна и требует особых приемов. Применяют для деталей реакторов с агрессивными средами, холодильников, резервуаров для органических кислот, аппаратуры для изготовления медикаментов, медицинского инструмента, внутренних пронизов, каркасов и обшивки самолетов, топливных баков и т.п. Наибольшее значение имеют сплавы титана с хромом, алюминием, ванадием (в небольшом количестве) при малом содержании углерода (десятые доли процента). Например, сплав ВТ-2, содержащий 1-2 % алюминия и 2-3 % хрома, а также сплав ВТ5, содержащий 5 % алюминия, имеют высокую прочность и пластичность, применяются для изготовления листового металла. Сплав ВТ3, содержащий 5 % алюминия, 3 % хрома имеет жаропрочность до 400 ⁰С. Многие сплавы титана подвергаются термической обработке, чем достигается еще большая прочность, соответствующая прочности высоколегированных сталей.

Материалы для пайки. Припой – промежуточные металлы или сплавы, которые в расплавленном состоянии вводят в зазоры между двумя или несколькими соединяемыми деталями. В зависимости от температуры плавления t_пп припоя и вида основного металла делятся на следующие группы:

оловянно-свинцовые (t_пп 210-280 ⁰С)

медноцинковые (t_пп 800-890 ⁰С)

серебряные (t_пп 600-875 ⁰С).

Припой маркируют буквой П, за которой идут буквы, обозначающие легирующие элементы: О – олово, С – свинец, К – кадмий, Су – сурьма, Ср – серебро. Например, ПОС Су 18-2 или ПСр-72, где первое число – процент серебра или олова, второе – содержание сурьмы.

Флюсы – материалы, защищающие при пайке место спая от окисления при нагреве, обеспечивают необходимую смачиваемость его расплавленным припоем и растворяют на поверхности паяемого металла окисную пленку. При пайке легкоплавкими припоями пользуются хлористым цинком, канифолью, нашатырем, пастами. При пайке тугоплавкими припоями флюсами служат бура, борная кислота, плавиковый шпат, а также материалы, созданные на основе фтористых и хлористых соединений металла.

Пластические массы (пластмассы) – это материалы, получаемые на основе полимеров (смол) и способные под влиянием нагревания и давления формироваться в изделия, а затем устойчиво сохранять свою форму. Основой пластмасс является смола, от типа и количества которой зависят физические, механические и технологические свойства пластмасс. По составу пластмассы делятся на 2 группы: без наполнителя и с наполнителем. Пластмассы без наполнителя – это полимеры в чистом виде, например, полиэтилен, капрон, полистирол, органическое стекло и др. Пластмассы с наполнителем – это сложные композиции, содержащие кроме полимера различные добавки. К добавкам относятся наполнители (стеклоткань, хлопчатобумажная ткань, древесная мука, сажа, графит), пластификаторы для повышения пластичности, красители для окраски материала в нужный цвет, стабилизаторы для предотвращения старения и сохранения полезных характеристик, отвердители для ускорения отвердения смол. В зависимости от вида связей между молекулами полимеров пластмассы разделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Термопласты могут много раз смягчаться при нагревании и твердеть при охлаждении без потери своих первоначальных свойств. Реактопласты в результате прочных химических связей в полимерах превращаются в жесткие неплавящиеся и нерастворимые вещества.

В машиностроении, станкостроении и электротехнической промышленности и ремонтно-монтажном деле наиболее широкое распространение получили капрон, органическое стекло, гетинаксы, винипласты, древесно-волокнистые пластики и др.