Основные машиностроительные материалы

В машиностроении чаще всего применяют сплавы с углеродом, которые в зависимости от содержания углерода принято разделять на чугуны и стали.

Чугун содержит от 2 до 4,3 % углерода и небольшое количество других элементов: кремния, марганца, серы, фосфора.

Различают серые (литейные), белые (предельные) и ковкие чугуны.

В сером чугуне углерод находиться большей частью в свободном состоянии в виде графита. Серый чугун хорошо заполняет литейную форму, легко обрабатываться режущим инструментом и поддается сварке. Он не куется и не штампуется, в изломе – серого цвета.

В белом чугуне почти весь углерод химически связан с железом, образуется цементит, который придает чугуну в изломе особый блеск. Белый чугун отличается большой твердостью и хрупкостью и идет на переделку в ковкий чугун и сталь.

Ковкий чугун получают путем нагрева и длительный выдержки отливки из белого чугуна при температуре 1200…1300 К и последующего медленного охлаждения. Ему присущи повышенные в сравнении с серым чугуном вязкость и прочность.

Серый чугун обозначают буквами СЧ, а ковкий чугун – буквами КЧ. За буквами следуют цифры, характеризующие механические свойства чугуна.

Чугуны, которые содержат присадки хрома, никеля, молибдена и титана, называют легированными. Они обладают высокими механическими свойствами, жароустойчивостью и хорошей износостойкостью.

Стали содержат до 2 % углерода. По химическому составу их разделяют на углеродистые и легированные, по назначению – на конструкционные, инструментальные и специальные, по качеству – на сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную.

Виды и сорта стали различают по маркам, установленным государственными стандартами (ГОСТ), Стали каждой марки присущи свой химический состав и определенные механические свойства.

Углеродистая конструктивная сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст, после которых стоит порядковый номер стали (цифра от 0 до 6). Чем выше номер стали, тем она прочнее и тверже.

Углеродистая конструкционная сталь качественная имеет меньше вредных примесей (серы, фосфора). Она маркируется двузначной цифрой, характеризующей среднее содержание углерода (в сотых долях процента). Например, в стали марки 20 находиться в среднем 0,20 % углерода.

Углеродистая инструментальная сталь получила буквенно-цифровой шифр (например, от У7 до У13). Буква У означает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента.

В маркировке высококачественной инструментальной стали после цифры, ставят букву А.

Легированные стали отличаются от углеродистых добавкой в разных сочетаниях и количествах таких элементов, как никель, хром, марганец, кремний, вольфрам, молибден и другие, улучшающих свойства стали (жаропрочность, износостойкость, упругость, прочность и т.д.).

В марке легированной стали на первом месте стоят две цифры, характеризующие содержание в стали углерода (в сотых долях процента). Буквами после цифр зашифрованы легирующие элементы: P-бор, Al-алюминий, C-кремний, T-титан, Г-марганец, В-вольфрам, Х-хром, Н-никель, Ф-ванадий, M-молибден, К-кобальт и т. д. Цифры после этих букв указывают примерное содержание легирующего элемента (в процентах). Если оно равно или менее 1 %, то цифру не ставят. Буква А справа показывает, что сталь высококачественная. Например, легированная сталь 12ХН3А является сталью высокого качества, содержащей 0,12 % углерода, до 1 % хрома и около 3 % никеля.

В машиностроении многие детали, имеющие сложную форму, отливают из углеродистой и легированной сталей. Буква Л в марке стали указывает, что она предназначена для литья.

Цветные металлы в машиностроении применяют главным образом в виде сплавов.

Алюминиевые сплавы. Детали из этих сплавов приблизительно в 3 раза легче стальных, имеют достаточную прочность, высокую электро- и теплопроводность, хорошо обрабатываются резанием. Широко применяют сплавы алюминия с кремнием, медью и магнием.

Свинцовистая бронза – сплав меди со свинцом (до 35 %). В небольшом количестве может содержать никель, алюминий и другие элементы. Обладает большой твердостью, хорошими литейными качествами, стойка против окисления и хорошо обрабатывается резанием.

Латунь – сплав меди с цинком (до 40 %:), хорошо обрабатывается резанием, куется, штампуется, отливается.

Антифрикционные сплавы используют в подшипниках скольжения для уменьшения сил трения и износа трущихся поверхностей. В качестве таких материалов широкое применение получили свинцовистая бронза и алюминиевые сплавы, содержащие олово, сурьму и магний.

Наряду с металлами и их сплавами в машиностроении используются различные неметаллические материалы: пластмасса, резина, картон, асбест.

Пластмасса состоит из искусственных или природных органических смол (связующих веществ), различных наполнителей, пластификаторов и красителей. Наполнители – ткань, бумага, асбест, стекловолокно, древесная мука и другие – упрочняют и удешевляют пластмассу, сообщают ей некоторые особые качества (тепловая и химическая стойкость, электроизоляционные, фрикционные и другие свойства). Пластификаторы облегчают переработку пластмассы в изделие, а красители улучшают его поверхность и внешний вид. Пластмассы легки, прочны, хорошо обрабатываются резанием и т. д. В зависимости от проведения связующего вещества при нагреве их делят на термопластические и термореактивные.

Термопластические пластмассы (органическое стекло, винипласт, этрол, капрон и др.) многократно при нагревании и охлаждении сохраняют способность размягчаться, плавиться и затвердевать.

Органическое стекло применяют для остекления кабины, светильных и светосигнальных приборов и приготовления безосколочного стекла.

Винипласт – антикоррозионный и конструкционный материал, обладающий высокой химической стойкостью к кислотам и щелочам. Его используют в виде пленки, листов, труб и профильных изделий, предназначенных для работы в коррозионных средах при температуре от 273 до 313 К.

Термореактивные пластмассы (гетимакс, текстолит, асботекстолит, волокнит и др.) при нагревании необратимо переходят в твердое, неплавкое и нерастворимое состояние.

Гетинакс и этрол, обладающие высоким электрическим сопротивлением, применяют для изготовления деталей электрооборудования.

Текстолит, полиамиды и волокнит служат для изготовления шестерен, втулок, шкивов и деталей электрооборудования.

Асботекстолит применяют в качестве фрикционного материала для изготовления накладок тормозов и дисков сцепления, а также различных прокладок, работающих при повышенной температуре.

Резина – это вулканизированный (нагретый до 400…420 К в течение определенного времени) каучук в смеси с серой и другими примесями (ингредиентами). Различают натуральный (НК) и синтетический (СК) виды каучука.

Наиболее важные свойства резины – упругость, влаго- и газонепроницаемость. В большинство резиновых изделий, применяемых в машиностроении, вводят тканевые материалы, которые придают изделию повышенную прочность.

Картон – твердая бумага толщиной от 0,2 до 1,5 мм. Обычно с целью придания бензо- и маслостойкости пропитывается специальным составом и служит для изготовления прокладок.

Асбест – минералы, имеющие волокнистое строение. Они не горят и выдерживают нагрев до 600 К. Из них делают уплотнения для соединения, работающих при высоких температурах. Обычно прокладки из асбестового картона заключают в стальную или медную оболочку.

Паранит – листовой материал, изготавливаемый путем вулканизаций каучука, с добавлением асбеста и различных примесей (глины, талька и др.). Из него делают прокладки для соединений, работающих в бензине, дизельном топливе и масле.

Войлок – плотный материал, сбитый из шерсти, используют в уплотнениях.

Ткани употребляют для обливки сидений, спинок, изготовления навесов, тентов.

Краски и лаки (масляные краски, нитроэмали и масло-асфальтовые лаки) защищают металлические поверхности от коррозии, а деревянные от загнивания и коробления и, кроме того, придают машинам элегантный внешний вид.