Технология конструкционных материалов и материаловедение - 2004.. Коротких М. Т. Технология конструкционных материалов и
 Скачать 1.62 Mb.
|
Поэтому каждый метод нужно характеризовать его технологическими возможностями - получаемыми свойствами материалов, возможностями формообразования, достижимыми размерами, точностью и шероховатостью поверхностей изделий. Для минимизации затрат при реализации метода необходимо знание об управляющих параметрах процесса, возможностях его регулирования, о материальных, энергетических и информационных потоках при его реализации. Технология важнейших отраслей промышленности рассматривает основные методы обработки, используемые в производстве машин, аппаратов, приборов, т.е. той техники с помощью которой человек преобразует природу. Вопросы для самопроверки: 1.Какие параметры деталей определяют долговечность машины? 2.Какие машины относятся к категории энергетических? -транспортных? - технологических? 3.Чем отличается машина от прибора? 4.Какие свойства материалов определяют прочность деталей машин? 5.Какие свойства транспортных машин зависят от формы корпуса? 6.Какие свойства деталей определяются шероховатостью их поверхностей? 7.Какие свойства машин могут зависеть от точности изготовления размеров деталей? 9.Какие свойства машин могут зависеть от точности формы поверхностей деталей? 10.Какие категории свойств деталей определяют технические параметры машин, приборов и агрегатов? Образец карты тестового контроля: 1. Укажите, в какой группе перечислены только технологические машины: а). Гидротурбина, автомобиль, мясорубка, токарный станок; б). Электродвигатель, фрезерный станок, конвейер, подъемный кран; в). Гидравлический пресс, прокатный стан, шлифовальный станок; 2. Для какого изделия наиболее существенна высокая точность изготовления деталей и малая шероховатость поверхности: а). автомобиль б). телескоп в). экскаватор 3. Для каких изделий наиболее важна оптимизация формы корпуса, исходя из взаимодействия с окружающей средой: а). Подводная лодка, ракета, автомобиль б). Самолет, токарный станок, кофемолка в). Корабль, экскаватор, эскалатор 4. Детали какого устройства выполняются с большей точностью: а). Телескоп б). Токарный станок в). Двигатель автомобиля 5. Какие величины шероховатости поверхности могут быть получены обработкой резанием: а). Ra = 1,25…20мкм б). Ra = 0.16…80мкм 2. Машиностроительные материалы Технический уровень машин, аппаратов, приборов во многом определяется свойствами материалов, из которых изготовлены их отдельные элементы – детали. Спектр существующих материалов чрезвычайно широк и выбор оптимального материала для тех или иных условий применения может быть достаточно сложной задачей. Например, мост можно построить из низкоуглеродистой стали обыкновенного качества, из высоколегированной сверхпрочной стали, из нержавеющей стали, из алюминиевого сплава и т.д. В различных вариантах, он будет иметь разный срок службы, стоимость изготовления, стоимость обслуживания. В настоящее время, применяют стали обыкновенного качества, что определяется именно экономическими преимуществами. В то же время существуют технические объекты, создание которых было бы невозможно без разработки специальных материалов, альтернативы которым может и не существовать и, приходится мириться с их, иногда, даже чрезвычайно высокой стоимостью. Это материалы космической техники (например, керамика ракетных сопел и газовых рулей), атомной промышленности (например, циркониевые оболочки тепловыделяющих элементов атомных реакторов, гадолиниевые экраны нейтронной защиты и т.д.). И даже в этих областях техники ведется поиск новых альтернативных материалов, повышающих как технические характеристики объекта, так и его экономическую эффективность. 2.1 Сплавы на основе железа 2.1.1 Сталь - сплав железа с углеродом при содержании углерода до 2,14%. Кроме того, в состав стали обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор, которые попадают в сталь из руды или кокса; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств, специально (легирующие элементы). Классификация сталей Таблица 1 По химическому составу По содержанию углерода По содержанию легирующих элементов По назначению По качеству (по содержанию серы (S) и фосфора (P) По степени раскисления Малоуглероди стые С <0,25% Среднеуглерод истые C0,25…0,6% Высокоуглеро дистые C >0,6% Низколегированные, легирующих элементов < 2,5% Среднелегированные, легирующих элементов 2,5…10% Высоколегированные, легирующих элементов > 10% Конструкционные – для строительных элементов и деталей машин и приборов, инструментальные – для изготовления режущего инструмента, штампов и т.д., с особыми физическими свойствами Обыкновенного качества S<0,06% , P<0,07% Качественные S<0,035% , P<0,035% Высококачестве нные S<0,025% , P<0,025% Особовысоко- Спокойные (при варке полностью раскисленные), в конце маркировки «сп», Полуспокойные – «пс», Кипяшие – «кп». (магнитные, электротехнические и т.д.), с особыми химическими свойствами (нержавеющие, жаростойкие и т.д.) качественные S<0,015% , P<0,025% Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные. Стали обыкновенного качества (ГОСТ380-94) изготавливают следующих марок Ст0, Ст1, Ст2,..., Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода, например, Ст4 - углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%). Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений. С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности ( σ в ) и текучести ( σ 0.2 ) и снижается пластичность ( δ,ψ). Например, Ст3сп имеет σ в =380 ÷490МПа, σ 0.2 =210 ÷250МПа, δ=25÷22%. Из сталей обыкновенного качества изготовляют прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы. Эти стали широко применяют в строительстве для сварных конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6, с более высоким содержанием углерода, применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке. Качественные углеродистые стали (ГОСТ1050-88) маркируют цифрами 08, 10, 15,..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Низкоуглеродистые стали (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают низкой прочностью и высокой пластичностью. σ в =330 ÷340МПа, σ 0.2 =230 ÷280МПа, δ=33÷31%. Высокая пластичность этих сталей позволяет изготавливать изделия штамповкой вытяжкой (детали кузовов автомобилей, металлическая посуда и т.д.). Стали без термической обработки используют для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С) 30, 35,..., 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях промышленности. Эти стали, по сравнению с низкоуглеродистыми, имеют более высокую прочность при более низкой пластичности ( σ в =500 ÷600МПа, σ 0.2 =300 ÷360МПа,δ =21÷16%). Стали с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,..., 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д. Легированные конструкционные стали (ГОСТ4543-71) применяют в тех случаях, когда выигрыш от повышения нагрузочной способности детали машины превышает повышение стоимости материала. Естественно, чем больше легирующих элементов содержит сталь, чем они дороже, тем дороже и сама сталь. Поэтому наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении - легированные стали. Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква ″А″. Причем для обозначения легирующих элементов в марках легированных сталей приняты следующие условные сокращения: А – азот К – кобальт Т – титан Б – ниобий М – молибден Ф- ванадий В – вольфрам Н – никель Х – хром Г – марганец П – фосфор Ц – цирконий Д – медь Р – бор Ю – алюминий Е – селен С – кремний Ч – редкоземельные металлы Цифра после буквы , обозначающей легирующий элемент, указывает на содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в сталях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,001%). Коррозийно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы (ГОСТ5632-72) Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe) 2 O 3 , (Al, Fe) 2 O 3 Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали устойчивы к электрохимической коррозии. Стали 12Х13 и 20Х13 применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабо агрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот). Стали 30Х13 и 40Х13 используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д. Стали 15Х25Т и 15Х28 используют чаще без термической обработки для изготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и не подвергающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже -20 °С. Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (азотная кислота) и в бытовой технике (посуда). С целью экономии дорогой легированной стали применяется двухслойный листовой прокат, который состоит из основного слоя - низколегированной (09Г2, 16ГС, 12ХМ, 10ХГСНД) или углеродистой (Ст3) стали и коррозийно-стойкого слоя толщиной 1-6мм из сталей 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х13. Инструментальные стали Углеродистые стали (ГОСТ 1435-90). Углеродистые инструментальные стали У7, У8, У10, У11,У12, У13 применяются обычно в закаленном состоянии . Стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резания с малой скоростью, так как их высокая твердость (У10-У12 - 62-63HRC) сильно снижается при нагреве выше 190-200 °С. Стали У10, У11, У12, У13 применяют для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, шабера, напильники и т. д.). Для деревообрабатывающего инструмента применяют стали У7 и У8. Количество углерода в инструментальных сталях указывается в десятых долях процента. Легированные инструментальные стали (ГОСТ5950-73) (11ХФ, 13Х, ХВСГ, 9ХС, Х, В2Ф) пригодны для резания материалов невысокой прочности ( σ в =500 ÷600МПа) с небольшой скоростью (до 5-8м/мин). Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250 °С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большей прокаливаемостью. Количество углерода также указывается в десятых долях процента, а если его около 1 %, то не указывается вовсе. Например, стали 11ХФ, 13Х, ХВСГ, 9ХС, Х, В2Ф и т.д. (Сталь Х - 0.95-1% С, 0.15-0.4% Mn, 0.15-0.35% Si, 1.3-1.65% Cr, 64-65HRC). Эти стали чрезвычайно многообразны и представлены группами сталей, разработанными для специфических областей применения, например, стали для штампов холодного деформирования (Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5В3МФС, 7ХГ2ВМ) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. Стали для штампов горячего деформирования (5ХНМ, 5ХНВ, 4Х3ВМФ, 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ) должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и иметь высокую теплопроводность. Быстрорежущие стали (ГОСТ ) Эти стали обладают термостойкостью в условиях резания до 650 °С. Основным легирующими элементами этих сталей являются вольфрам, молибден, кобальт и ванадий. Быстрорежущие стали обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание вольфрама: (Р18, Р6М5, Р6М5К5, Р9К5, Р18К8М5Ф2 и т.д.) Р6М5К5-быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобальта. Пример: Сталь Р18 - 0.7-0.8% С, 3.8-4.4% Cr, 17.5-19% W, 1-1.4% V, 0.5-1% Mo. Из этих сталей изготавливают сложный по форме инструмент для обработки металлов резанием: сверла, протяжки, фрезы и т.д. Из-за дороговизны этих сталей, которая объясняется высоким содержанием дорогого и дефицитного вольфрама, в таком инструменте только режущую часть изготавливают из этих сталей и крепят ее к корпусу или хвостовику механически, сваркой, пайкой и т.д. 2.1.2 Чугун Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода (но до 6,67%). Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают: белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита. Белый чугун чрезвычайно тверд, но очень хрупок, и в качестве конструкционного материала практически не применяется, а используется как сырьё при получении стали. Серые чугуны подразделяется на: 1) серые – с пластинчатой или червеобразной формой графитовых включений; 2) высокопрочные - шаровидный графит; 3) ковкие - хлопьевидный графит. Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления σ в при растяжении в МПа -10 . Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85). СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа; ВЧ70 - высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 700 МПа; КЧ35 - ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 350 МПа. Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79. Изделия из чугунов получают методом литья. Из них изготавливаются сложные по форме детали (корпуса двигателей, станины станков, корпуса турбин, насосов, компрессоров, коленчатые валы двигателей, колеса центробежных насосов и т.д.). 2.2. Цветные металлы и сплавы 2.2.1 Медь и медные сплавы Медь - металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083 °С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8.94г/см 3 Технически чистая медь обладает высокой пластичностью и коррозийной стойкостью, высокой электропроводностью и теплопроводностью. По чистоте медь подразделяют на марки (ГОСТ 859-78): Марка МВЧк MOO МО Ml М2 МЗ Содержание Cu+Ag не менее 99,993 99,99 99,95 99,9 99,7 99,5 После обозначения марки указывают способ изготовления меди: к - катодная, б – бескислородная, р - раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается. МООк - технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра. МЗ - технически чистая медь огневого рафинирования, содержит не менее 99,5%меди. Медь легко обрабатывается давлением, но плохо резанием и имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки. Поэтому полуфабрикаты меди – прокат (сортамент), листы (широко применяется медная фольга), трубы (медные трубки в гидравлических системах), проволока (диаметром от нескольких мм до нескольких мкм). Благодаря высокой электропроводности, медь применяется, в основном, для изготовления проводов для электротехнической и электронной промышленности. Высокая коррозионная устойчивость чистой меди в атмосферных условиях позволяет использовать ее в качестве кровельного материала ответственных зданий. Так, фирмы изготовители гарантируют срок службы такой крыши более 150 лет. Стоимость чистой меди постоянно повышается, а мировые запасы медной руды, по различным оценкам, истощатся в ближайшие 10…30 лет. Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзы- это сплавы меди с оловом (4 - 33% Sn ), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5-11% AL), кремнием (4-5% Si), сурьмой и фосфором, и другими элементами (ГОСТ 493-79 , ГОСТ 613-79, ГОСТ 5017-74, ГОСТ 18175-78). Латуни - сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15527-70, ГОСТ 17711- 80). Медные сплавы, предназначенные для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием - сплавами, обрабатываемыми давлением. Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие количество элемента в процентах. Приняты следующие обозначения компонентов сплавов: А – алюминий Мц - марганец С - свинец Б - бериллий Мг – магний Ср – серебро Ж - железо Мш - мышьяк Су – сурьма К – кремний Н – никель Т – титан Кд – кадмий О – олово Ф – фосфор Х – хром Ц - цинк Примеры: БрА9Мц2Л - бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, остальное Cu ("Л"' указывает, что сплав литейный); ЛЦ40Мц3Ж - латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, l% Fe, остальное Cu; Бр0Ф8,0-0,3 - бронза содержащая 8% олова и 0,3% фосфора; ЛАМш77-2-0,05 - латунь содержащая 77% Cu, 2% Al, 0,055 мышьяка, остальное Zn (в обозначении латуни, предназначенной для обработки давлением, первое число указывает на содержание меди). В несложных по составу латунях указывают только содержание в сплаве меди: Л96 - латунь содержащая 96% Cu и 4% Zn (томпак); Лб3 - латунь содержащая 63% Cu и -37% Zn. Бронзы отличаются высокой коррозионной устойчивостью и антифрикционными свойствами. Из них изготавливают вкладыши подшипников скольжения, венцы червячных зубчатых колес и другие детали. Высокие литейные свойства некоторых бронз позволяют использовать их для изготовления художественных изделий, памятников, колоколов. Латуни, применяются в основном для изготовления деталей штамповкой вытяжкой, раскаткой, вальцовкой, т.е. процессами требующими высокой пластичности материала заготовки. Из латуни изготавливаются гильзы различных боеприпасов. Высокая стоимость меди и сплавов на ее основе привела в 20 веке к поиску материалов для их замены. В настоящее время их успешно заменяют пластиками, композиционными материалами. |