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.