Зубч_механизмы, неразъемные соединения, констр_материалы. 1. Зубчатые механизмы
 Скачать 0.91 Mb.
|
|
2.4. Соединения заформовкой. Достоинства, недостатки. Заформовкой осуществляется неразъемное соединение путем заливки в металлы или внедрения в пластические массы и стекло различных металли- ческих и неметаллических элементов – арматуры. В приборостроении распространена заформовка деталей из стали, бронзы, латуни и других материалов в отливки из цинковых, алюминиевых и магние- вых сплавов; заформовка металлических деталей в резину и пластмассу; за- формовка металлических деталей в стекло. Заформовка в металлическое литье. При проектировании армированных отливок необходимо следить за тем, чтобы арматура была надежно закреп- лена в отливке. Для этого на арматуре делают накатку, выточки, лыски, раз- личные выступы и впадины. Заформовка в пластмассу. В пластмассу может быть заформована любая арматура, способная выдержать температуру и давление, необходимые для прессования пластмасс. Арматура предназначена для упрочнения механически нагруженных дета- лей, для упрочнения резьбовых и штифтовых соединений, для установки различных опор или цапф, для осуществления электрических контактов. Для закрепления и удержания в изделиях из пластмассы арматура должна иметь соответствующее оформление. 18 Заформовка в стекло. В тех случаях, когда требуется ввести в стеклянные баллоны электровакуумных приборов металлические электроды, зафор- мовка является единственным способом получения газонепроницаемого со- единения. Однако во избежание растрескивания стекла и получения негер- метичного соединения необходимо или выбирать металл с коэффициентом линейного расширения, близким коэффициенту линейного расширения стек- ла, или придавать металлической детали специальную форму. Деформация такой детали из металла с низким пределом текучести при остывании обыч- но не разрушает стекло. Очень часто проводник, подлежащий заформовке в стекло, покрывают тонким слоем меди, так как медь способна образовывать со стеклом очень прочное соединение. 3. Конструкционные материалы. Важным направлением научно-технического прогресса является созда- ние и широкое использование новых конструкционных материалов. В произ- водстве широко применяют сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, ком- позиционные, порошковые, полимерные и другие материалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность оборудования. 3.1. Сплавы на основе железа. Чугуны. Стали. Классификация сталей, марки сталей. Применение в механических устройствах (валы, зубчатые колеса, крепеж). Сплавы железа широко используются в современной технике. Наиболь- шее применение нашли сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Объем их производства более чем в 10 раз превышает производство всех других ме- таллов вместе взятых. Чугуны.Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14%, называют чугунами. Чугун является самым распространенным сплавом в ли- тейном производстве. Область его применения обширна и продолжает рас- ширяться в связи с улучшением его свойств и появлением высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, с вермикулярным графитом и новых марок высоколегированных чугунов специального назначения. Механические свойства и область применения чугуна определяются его структурой, в которой важнейшую роль играет углеродная составляющая сплава. Углерод в составе чугуна может быть в виде цементита Fe 3 C, графита или их смеси. Цементит придает излому образца характерный белый цвет, графит – серый. В зависимости от состояния углерода в чугуне различают • белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита; • серый, ковкий, высокопрочный чугуны, которые различаются формой графита и условиями его образования. В этих чугунах весь углерод или боль- шая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном 19 состоянии находится не более 0,8% углерода. Металлическая основа этих чу- гунов аналогична по структуре и близка по свойствам стали; • половинчатый чугун,в котором часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2% углерода – в форме цементита. Он мало используется в технике. На характер формирования структуры чугуна влияют многие факторы, но прежде всего содержание постоянных элементов (С, Si, Mn, S, Р), наличие ле- гирующих элементов, скорость охлаждения отливки, а также состояние рас- плава перед его заливкой в форму, которое зависит от перегрева расплава, его рафинирования и модифицирования. Под модифицированием понимают введение в расплав небольших коли- честв добавок, которые, не меняя состав чугуна, влияют на зарождение и рост структурных составляющих, и следовательно, на конечную структуру от- ливки. Содержание примесей (С, Si, Mn, S, Р) в чугуне больше, чем в стали. Крем- ний способствует графитизации чугуна. Изменяя его содержание и скорость охлаждения отливки, можно получать чугун различной структуры. Марганец препятствует графитизации и нейтрализует вредное воздействие серы. Фос- фор не оказывает влияния на процесс графитизации, но с увеличением его содержания повышаются литейные свойства чугуна. Сера является вредной примесью, она ухудшает литейные свойства чугуна, увеличивая его усадку, повышает склонность к трещинообразованию, снижает температуру красно- ломкости чугуна. Введение марганца в состав чугуна способствует нейтрали- зации серы. Марганец образует с серой тугоплавкое соединение MnS. Нали- чие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения (удар, разрыв). Сопротивление сжатию снижается мало. Положительные стороны наличия графита: • графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка; • чугун имеет лучшие антифрикционные свойства по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения; • из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость; • детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряже- ний (выточки, отверстия, переходы в сечениях); • чугун значительно дешевле стали; • производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и давлением с последующей механической обработкой. Белый и отбеленный чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью. Практически не поддается обработке резанием. Высокая твердость поверх- 20 ности обуславливает хорошую сопротивляемость против износа, поэтому его используют для изготовления прокатных валков листовых станков, колес, шаров для мельниц и т. д. Серые чугуны содержат углерода 3,2...3,5%; кремния – 1,9...2,5: марганца – 0,5...0,8; фосфора – 0,1...0,3; серы – менее 0,12%. Структура чугуна определяется содержанием в нем основных компонентов (С, Si) и толщиной стенки отливки. В соответствии с ГОСТ 1412–85 серый чугун обозначается буквами СЧ. Да- лее следует число, указывающее гарантируемое временное сопротивление (в кгс/мм 2 ) при испытании на разрыв (СЧ 15, СЧ 20...СЧ 35, СЧ 40). Как следует из приведенных значений, прочность серого чугуна невысока, но он имеет хорошие литейные свойства (хорошую жидкотекучесть, небольшую объем- ную и линейную усадку), что позволяет получать отливки без прибылей с низкой вероятностью образования трещин. Серый чугун не склонен к газона- сыщению и ликвации. В связи с этим он нашел широкое применение при производстве сложных корпусных деталей, не испытывающих при работе больших нагрузок. В станкостроении это базовые, корпусные детали, крон- штейны, направляющие. Отливки из серого чугуна используются также в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления. Ковкий чугун получают отжигом отливок из белого чугуна, в ходе которого происходит разложение цементита и образование компактного графита. По структуре металлической основы различают ферритный и перлитный ков- кие чугуны. Окончательная структура и свойства отливок формируются в процессе отжига. В связи с тем, что после кристаллизации отливки должны иметь структуру белого чугуна, содержание углерода и кремния в чугуне должно быть низ- ким, а толщина отливок – небольшой. Обычно содержание углерода состав- ляет 2,2...3,0%, а кремния 0 – 0,8..1,4%, причем высокому содержанию угле- рода должно соответствовать низкое содержание кремния. При производстве ковкого чугуна широко применяется его модифициро- вание алюминием, висмутом, бором и реже титаном и теллуром (в тысячных долях процента), обеспечивающее резкое увеличение количества включений графита, что сокращает продолжительность отжига и снижает опасность по- явления пластинчатого графита при первичной кристаллизации. В зависимости от цвета излома различают черносердечный и белосердеч- ный ковкие чугуны. Последний чугун отличается более высокими ме- ханическими свойствами, но его производство экономически невыгодно, так как увеличение продолжительности цикла отжига до 100...110 ч приводит к большему расходу электроэнергии. Литейные свойства белого чугуна, предназначенного для получения ковко- го, хуже, чем у серого чугуна. Он имеет больший коэффициент линейной 21 усадки (2%), что требует установки прибылей и увеличивает опасность появ- ления трещин и короблений, больше склонен к ликвации и газонасыщению. В соответствии с ГОСТ 1215–85 ковкие чугуны маркируются буквами КЧ. Далее следуют числа: КЧ 30-6, КЧ 35-10 (ферритные), КЧ 45-6, КЧ 60-3 (пер- литные). Первое число маркировки (30, 35 ,45, 60) указывает гарантируемое временное сопротивление (в кгс/мм 2 ), а второе (6, 10, 6, 3) - относительное удлинение (в процентах). По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным, является ограничение тол- щины стенок отливки и необходимость отжига. Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293–85) могут иметь ферритную (ВЧ 35), ферритно-перлитную (ВЧ 45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу. Маркировка высокопрочного чугуна аналогична маркировке серого чугуна, например ВЧ 45, где ВЧ означает высокопрочный чугун, а 45 – гарантируемое временное сопротивление (в кгс/мм 2 ). Литейные свойства высокопрочного чугуна лучше, чем у ковкого. Но для него характерно появление в изломе массивных частей отливки (так называемых «черных пятен» – продуктов взаимодействия магния с серой и кислородом, смешанных с графитом). Основная область применения высокопрочного чугуна – высоконагружен- ные ответственные детали сельскохозяйственной техники, коленчатые валы двигателей, металлургическое оборудование. Из высокопрочного чугуна из- готавливают тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резце- держатели, планшайбы. Отливки коленчатых валов массой до 2...3 т облада- ют по сравнению с коваными валами из стали более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, об- ладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле. Стальюназывают сплав железа с углеродом (0,02...2,14%), постоянными примесями которого являются марганец (до 0,8%), кремний (до 0,5%), фос- фор (до 0,05%), сера (до 0,05%).Такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки добавляют легирующие элементы (Cr, Si, Ni, Mn, V, W, Mo и др.), причем некоторые из них – сверх их обычного содержания, то полу- чают легированную сталь. Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, порог хладноломко- сти, снижаются пластичность и вязкость, ухудшаются ее литейные свойства (используются стали с содержанием углерода до 0,4%), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Классификация сталей. 22 Стали классифицируются по множеству признаков. По химическому соста- ву стали классифицируются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали разделяются на низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,3%, среднеуглеродистые с содержанием углерода 0,3...0,6% и высокоуглеродистые с содержанием углерода более 0,6%. Легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5... 10%) и высоколе- гированные (более 10%). По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, вы- сококачественные и особо высококачественные. Количественным показа- телем качества является содержание вредных примесей – серы и фосфора. Качество углеродистой стали отражается в маркировке. Стали обыкновен- ного качества маркируются буквами Ст (например, Ст3). В конце маркировки высококачественной стали ставится буква А (например, У12А). Отсутствие букв Ст в начале и буквы А в конце маркировки означает, что углеродистая сталь является качественной (45, У12 и т.д.). Все легированные стати произ- водят (как минимум) качественными. Для производства особо высококачест- венных сталей применяют специальную улучшающую обработку, вид кото- рой может быть указан в марках сталей: ВИ (ВИП) – переплав в вакуумных индукционных печах; Ш (ЭШП) — электрошлаковый переплав; ВД (ВДП) — переплав в вакуумных дуговых печах; ШД — вакуумно-дуговой переплав ста- ли после электрошлакового переплава; ОДП — обычная дуговая плавка; ПДП — плазменно-дуговая плавка. По способу выплавки различают конверторные, мартеновские, электро- стали и стали особых методов выплавки. По степени раскисления различают спокойную сталь, которая раскислена марганцем, кремнием и алюминием, полуспокойную – марганцем и алюми- нием, кипящую — марганцем. Кипящая сталь уступает по качеству спокой- ной, так как содержит больше кислорода. Степень раскисления в маркировке стали обозначается буквами «сп» (спокойная), «пс» (полуспокойная) и «кп» (кипящая). По структуре в равновесном состоянии стали классифицируют на доэв- тектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные (перлитного класса), леде- буритные, аустенитные и ферритные, по структуре в неравновесном со- стоянии после охлаждения на воздухе – на перлитные, мартенситные и ау- стенитные. По назначению стали подразделяются: • инструментальные – применяются для изготовления различных инст- рументов; • конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов; 23 • специальные – стали с особыми свойствами (электротехнические, с осо- быми магнитными свойствами и др.). Маркировка сталей. В ГОСТах принято буквенно-цифровое обозначение сталей. Первое число в маркировке указывает содержание углерода в стали: если число однозначное – в десятых долях процента, если двузначное – в со- тых долях. В том случае, когда первое число отсутствует, углерода в стали не менее 1% (например, X12, Х6ВФ). Для обозначения легирующих элементов, входящих в состав стали, каж- дому присвоена своя буква русского алфавита. Для указания содержания ле- гирующего элемента в составе стали после соответствующей буквы в марке ставится число, равное процентному содержанию элемента. Если числа нет то содержание элемента меньше 1,0... 1,5%. Например, сталь 5Х3В3МФС имеет следующий химический состав: С – около 0,5%; Сr – 3,0; W – 3,0; Мо – 1,0; V – 1,0; Si – около 1,0%. Углеродистые стали относятся к числу самых распространенных конст- рукционных материалов. Они сочетают в себе высокую прочность и доста- точную вязкость, имеют хорошие технологические свойства, экономичны и не дефицитны. Различают следующие углеродистые стали: конструкционные обыкновенного качества, качественные, специального назначения и инстру- ментальные. Углеродистые стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст3Г, Ст4, Ст5, Ст5Г и Ст6. Число указывает номер стали, с увеличением которого возрастает содержание углерода, поэтому, чем больше номер, тем выше прочность и ниже пластичность. Буква Г указы- вает, что сталь содержит марганец в количестве, превышающем примесную концентрацию этого элемента. По степени раскисления стали с номерами марок 1...4 выплавляют кипя- щими, полуспокойными и спокойными, с номерами 3Г, 5, 6 — полуспокой- ными и спокойными, 5Г — полуспокойной. Не разделяется по степени рас- кисления лишь сталь марки Ст0. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют для изготовления металлоконструкций и слабонагруженных деталей машин и приборов (на- пример, ограждений, перил, настилов, заклепок), фасонных профилей для вагонов, автомобилей, крепежных деталей, ручек, тяг, рычагов, штырей и т.д. Углеродистые конструкционные качественные стали маркируются дву- значными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 08, 10, 15, 20,...,85). Качественные стали произ- водят и поставляют: без термической обработки, термически обработанны- ми и нагартованными. Механические свойства гарантируются после норма- лизации, закалки и отпуска, нагартовки и отжига. 24 Низкоуглеродистые стали 05кп; 08; 10; 10пс имеют малую прочность, вы- сокую пластичность. Применяются они без термической обработки для изго- товления малонагруженных деталей (шайб, прокладок и т.п.). Среднеуглеродистые стали 35, 40, 45 применяются после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки. В нормализованном со- стоянии они по сравнению с низкоотпущенными имеют большую прочность, но меньшую пластичность. После термического улучшения наблюдается наи- лучшее сочетание механических свойств. После поверхностной закалки эти стали обладают высокими поверхностной твердостью и сопротивлением из- носу. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75 применяются как рессорно- пружинные после среднего отпуска. В нормализованном состоянии их ис- пользуют для прокатных валков, шпинделей станков, колес, деталей автомо- билей, кулачков, осей и др. Основным недостатком этих сталей является ма- лая прокаливаемость и склонность к перегреву при термической обработке. Автоматными называют стали, обладающие хорошей обрабатываемо- стью резанием, что достигается за счет повышенного содержания в стали се- ры (до 0,30%) и фосфора (до 0,15%), а также за счет добавок свинца (0,15...0,30%) или его аналога – селена (до 0,1%). Сера и фосфор облегчают процесс резания благодаря измельчению стружки, свинец и селен – за счет эффекта внутренней смазки, снижающей коэффициент трения в паре заго- товка – инструмент. Роль внутренней смазки играют сами элементы, которые из-за крайне низкой растворимости в железе находятся в стали практически в свободном состоянии в виде включений. Автоматные стали маркируют бу- квой А (автоматная), за которой следует двузначное число, указывающее со- держание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы С и Е в обозначе- нии стали указывают на наличие в ее составе соответственно свинца и селе- на. Автоматные стали А12, А20 с повышенным содержанием серы и фосфора используются для изготовления на станках-автоматах малонагруженных де- талей (болты, винты, гайки, мелкие детали швейных, текстильных, счетных и других машин). Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65... 1,35% углеро- да, маркируются буквой У в начале и числом, указывающим среднее содер- жание углерода в десятых долях процента, и делятся на качественные (У7...У13) и высококачественные (У7А...У13А). Легированные конструкционные стали. Основными легирующими элементами являются кремний, никель, марга- нец, хром. Такие элементы, как вольфрам, молибден, ванадий, алюминий, титан и бор, вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения свойств. Однако высокие эксплуатационные ха- рактеристики легированных сталей обнаруживаются только после закалки и 25 отпуска, поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойст- вам практически не отличаются от углеродистых сталей. Цементуемые стали обычно содержат 0,1...0,25% углерода, а в качестве легирующих элементов – хром, марганец, бор, молибден, ванадий, титан, никель в пределах от 0,002% (В) до 4,4% (Ni). Эти стали используются для из- готовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию пе- ременных и ударных нагрузок. Характерными представителями легирован- ных цементуемых сталей являются: • стали средней прочности (15ХР, 15Х, 20Х 20ХН), которые идут на изго- товление небольших деталей, эксплуатируемых при средних нагрузках (зуб- чатые колеса, валы, кулачки и т.п.). Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью, а изготовленные из них детали чувствительны к надре- зам; • стали повышенной прочности (12ХН3А, 20ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4МА), идущие на изготовление деталей средних и больших размеров, работающих в условиях интенсивного изнашивания при повышенных нагруз- ках (зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.). Эти стали мало- чувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются и имеют повышенную прочность сердцевины. Улучшаемые стали содержат углерод 0,3...0,5%, легирующие элементы в сумме не более 5% и используются после улучшения (закалки и высокого от- пуска). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Эти стали имеют высокие прочность, пластичность, пре- дел выносливости, малую чувствительность к отпускной хрупкости и хорошо прокаливаются. Из них изготавливают ответственные детали машин, рабо- тающих под воздействием циклических и ударных нагрузок. Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 дешевы, из них изготавлива- ют детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, тре- бующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение таких сталей обеспечивает комплекс высоких механических свойств только в деталях небольшого сечения, поскольку стали обладают низкой прокали- ваемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном со- стоянии. Детали, требующие высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхност- ной закалке ТВЧ. Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Эти стали обладают лучшим комплек- сом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости. Хромистые стали (30Х, 38Х, 40Х, 50Х) идут на изготовление коленчатых валов, зубчатых колес, осей, втулок, болтов, гаек. Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью (15...25 мм), склонны к отпускной хрупкости. 26 Прочность хромистых сталей увеличивается с повышением содержания уг- лерода, но при этом снижается пластичность. Хромокремнемарганцевые стали (30ХГСА, 35ХГСА) имеют высокие меха- нические свойства, невысокую прокаливаемость, хорошо свариваются и ши- роко применяются в автомобилестроении. Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН) имеют высокие прочность и пластич- ность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Они применяются для изготовления ответственных деталей, работающих под воздействием дина- мических нагрузок (шестерни, валы). Прочность стали придает хром, а плас- тичность — никель. Хромоникелевые стали прокаливаются на большую глу- бину. Лучшими показателями среди сталей обладают хромоникельмолибдено- вые стали (40ХНМА, 38Х2Н2МА. 38ХН3МФА). Они имеют высокую прочность при хорошей вязкости, высокую усталостную прочность, глубоко прокалива- ются. Из этих сталей изготавливают сильно нагруженные детали, а также ва- лы, роторы, турбины, работающие в условиях больших знакопеременных на- грузок. Улучшение проводят путем закалки с температуры 850 °С в масле и последующего отпуска при температуре 620 °С. Высокопрочные стали — это стали, имеющие предел прочности σ в > 1600 МПа при удовлетворительной пластичности. К ним относятся стали марок 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 3ОХ5МСФА. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях (30ХГСНА, 40ХГСН3ВА). Особый интерес вызывают мартенситно- стареющие стали, представляющие собой сплавы железа и никеля (8...20%) с очень низким (до 0,03%) содержанием углерода и дополнительно легиро- ванные титаном и алюминием, а также часто кобальтом и молибденом. Мартенситно-стареющие стали применяются для наиболее ответственных деталей и рекомендуются для изготовления корпусов ракетных двигателей, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов подводных лодок, батискафов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, шпин- делей, червяков и т.д. |