Материалдың технологиялылығы

ДƏРІС. Материал таңдаудың ғылыми-методологиялық негізі. Жалпы ережелер мен негізгі талаптар.

Материалтанудағы методология – бұл ғылыми –техникалық зерттеулер барысында немесе негізгі міндетті шешу жоспарындағы, нақты қолданысқа қажетті конструкциялық немесе функционалды материалдарды таңдауда, әдіс-тәсілдердің және олардың белгілі ретінің жиынтығы. Себебі машина жасау өнімінің беріктігі, тиімділігі және өнімділігі, оның жұмыс істеу қабілеті мен қолдану аясы тікелей таңдалған материалға байланысты болады.

Қазіргі таңда ғылыми-тәжірибелік зерттеулер негізіндегі әртүрлі жүйедегі компоненттердің әрекеттесуіне сүйенетін материалды таңдаудың нақты аяқталған методологиясы жоқ. Материалдарды таңдау, көбінесе, сынау мен қателік әдісінде дәстүрлі металдар мен қорытпаларды қолдануға негізделген жекелеген ұсыныстармен жүзеге асады. Жаңа қорытпаларды өндіру мен барын жетілдірудің бір қиындығы жаңа материалдар саны геометриялық прогрессия бойынша артса, ал оларды қолдану тәжірибесі – арифметикалық прогрессиямен артады. Нәтижесінде қолданыс өндіруден әлдеқайда артта қалған.

Қалыптасқан жағдайды шешу үшін машина жасауда материалдарды таңдау әдістемесінің негізіне жататын кейбір жалпы жағдайлар құрылған. Оларға сәйкес материал келесі уш талапқа жауап берсе, оны рационалды түрде дұрыс таңдалған деп айтуға болады:пайдалану сенімділігі;

- технологиялылық;

- үнемділік.

Конструкциялық материалды пайдалану сенімділігі

Материалдың жұмыс қабілетін қамтамасыз ететін негізгі талап ретінде оның пйдалану сенімділігін айтуға болады, яғни материалдың бекітілген шектеу мен қажетті уақыт аралығында өзінің тағайындалған немесе шартты жұмысын сол кезеңде тоқтаусыз қамтамасыз ету қабілеті.

Сөйтіп, әрбір нақты жағдайдағы сенімділіктің басты сипаттамасы оның негізгі пайдалану шартымен анықталады. Серіппелер үшін бұл шыдамдылық шегі, себебі олар ұзақ уақыт бойы ауысымды жүктеме жағдайында жұмыс атқарады. Мойынтірек үшін қажуға төзімділік аса маңызды, ал газ турбиналарының күрекшелері үшін – ыстыққа беріктік және т.с.с. Бұл талаптардан басқа материалдар қасиет көрсеткіштер қатарына бірнеше талаптарына сай болу қажет, бірақ әрбір жеке материалдың шектеуші қасиеттері басыңқы болуы талап етіледі.

Материалды дұрыс таңдаудағы негізгі шарт басыңқы мінездемені сандық бағалау, мысалы, жеткілікті созымдылық мөлшері кезіндегі беріктік және берілген ыстыққаберіктік кезіндегі ыстыққатөзімділік және т.с.с. Ымыралы шешімдерді қабылдау әдебиет көздерінде берілген мәліметтерге, немесе тиісті түрде ұйымдыстырылған өзінің тәжірибесіне негізделеді.

Материалдың технологиялылығы

Кең мағынада технологиялылық сөзінің мағынасы(грек тілінен – шеберлік және – сөз, ғылым) материалдың немесе конструкцияның өндірісте, пайдалану кезінде және жөндеу жұмыстарында қажетті сапаны қамтамасыз ететіп ең қолайлы технологиялылық қасиетті береді.

Материалдың технологиялылығы дегеніміз – технологиялық үдеріс үнемділігін қамтамасыз ететін материалдың әртүрлі өңдеу түрлеріне түсу қабілеті. Материалдың технологиялылығы операциялардың саны және күрделілігімен, сондай-ақ оның сапасын анықтайтын технологиялылық параметрлердің шегімен сипатталады. Төмен технологиялылық параметрлердің тар көлемімен (балқу температурасының, құюдың, термиялық өңдеудің, деформацияның шегі), төмен пісірілгіштікпен және кесумен анықталады. Ондай материалдар жаңа конструкцияларды өндіру мен қолайлы технологиялылық процестерді өткізуге қатал шек қояды.

Технологиялылықтың екі негізгі түрі бар:

- өндірістік, өндірістік көрсеткіштерді жақсатрумен байланысты (өзіндік құны, көп еңбек пен материалды етуді қажет ету, сериалық шығарылымды ұзақ зерттеу және т.б.)

- пайдалану, сенімділікті, еңбеқ тұрақтылығы мен ұзақ мерзімділігін арттырумен анықталады.

Материалдың технологиялылығы оған әртүрлі ықпал ету әсерінен артуы мүмкін: ультрадыбыс басумен (наложение) кристалдау, модификациялау, суытуды жылдамдату (ұсақ түйіршікті құрылым алу), термоциклдеу, рекристализациялық жасыту және т.б.

Технологиялылық қасиеттерге сұйық аққыштық, созымдылық, пісірілгіштік, кесумен өңдеу және т.б. жатады.

Сұйық аққыштық дегеніміз – құймалы қорытпалардың технологиялық қасиеттердің кешенді сипаттамасын атайды, бұл сұйық металдың гравитациялық күштердің әсерімен құйма қалыбын толтыру және қалып пішінін нақты қайталау қасиеті. Құю қалыбы мен материалдың физика-химиялық қасиеттеріне тәуелді: химиялық құрамына, балқу температурасына, кристалданудың температуралық шегі, не беттік созылуына, тұтқырлығы, не қорытпамен құю қалыбының жылу өткізгіштігіне.

Құю күрделі пішінді дайындамаларды алудың ең қолайлы жолы, сондай-ақ оның пайдалану экономикалық тұрғыдан тиімді. Бірақ сұйық аққыштағымен қатар материал кеуектілікке, ликвацияға, суық және ыстық жарықтардың пайда болуына бейім болмау қажет, мүмкіндігінше төмен балқу температурасына, жылу өткізгіштікке және беттік созылуға ие болуы абзал. Соған қарамастан бұл шарттар орындалса да құйылған материалдар жоғары морттылық пен төмен конструкциялық беріктікке ие болады, бұл олардың созу кернеуі кезінде және динамикалық жүктеме әсерімен жұмыс істеуге жарамсыз етеді.

Жоғары илемділік металды қысыммен өңдеу (соғу, қалыптау, илемдеу, баспалау және т.б.) кезіндегі негізгі технологиялық қасиет болып табылады. Деформация әсерінен байқалады, сыртқы (температура, жүктемені түсіру әдісі, үдерістің өту жылдамдығы, жуктеме күйінің сұлбасы және ішкі (құрамы, құрылымы, құрылысы, күйі) факторлардың әсеріне тәуелді. Қосымша шарт ретінде – түйіршіктердің тұқым қуалаушылығы, қызуға сынғыштық (красноломкость), суықтай сынғыштық, жылулық морт сынғыштық аймақтары қарастырылады, оларды қорытпа құрамы мен оны термиялық немесе термомеханикалық өңдеу режимін таңдауда ескеру қажет.

Ыстықтай деформациялану кезінде материалдың технологиялылығы бастапқы жоғары илемділік есебінен байқалады, нәтижесінде жарықсыз, тұтас жоғары сапалы илем алынады. Бастапқы және соңғы темпералар шектеуші болады. Тым төмен температура үдерістің жылусыйымдылығын төмендетеді, бірақ құралға түсетін жүктемені артырады және материал илемділігін төмендетеді. Мұндай жағдай материалдың жоғары технологиялық қасиеттерін сақтау үшін илемдеу үдерісін жан-жақты жетілдіруді қажет етеді. Соңғы температура жинақтаушы қайтара кристалданудың температурасынан аспауы қажет, әйтпесе түйіршіктер өлшемінің күрт өсуі мен механикалық қасиеттердің төмендеуі байқалады.

Ыстықтай деформациялану кезіндегі материалдың жоғары технологиялық қасиеттері соңынан жүргізілетін жасыту арқылы сақталынады, жасыту нәтижесінде түйіршік ұсақталады, құю ақаулары жойылады, жасытылған дайындамада талшық пішімді құрылым түзіледі де, конструкциялық беріктігі құйылған күйіне қарағанда 1,5 есе артады.

Суықтай деформациялау кезіндегі технологиялық илемділік келесі факторларға тәуелді:

- құрамына байланысты илемділік қасиеті жоғары аз легірленген болаттар қолданылады, негізгі фазаның түйіршіктер шекараларында морт түзілімдербөлінбейтін ЖШТ торлы құрылым таңдаған жөн;

- түйіршік өлшемі, болат үшін МЕСТ 5639-82 бойынша 7-8 ретті өлшем болу қажет.

Түйіршік ірі болған дайындама беті кедір-бұдыр болады, ал ұсақ болса қорытпа қатты және серпімді болады, оның илемді деформацияға қабілеттілігі күрт төмендейді.

Құю және илемді қасиеттері бойынша жоғары технологиялық қасиетті металға Г13 Гатфиль болатын жатқызуға болады, оны құйылған күйінде де (жиірек), ыстықтай деформацияланған күйде де қолданады. Құрамы – 1,2% көмітрек пен 13% марганец (2.1-2.3 суреттер). Аустенитті түрге жатады (ЖШТ торлы), қаттылығы төмен (НВ 200-300) болғанда салыстырмалы қысыммен жүретін әдеттегі үйкелу кезінде жоғары тозуға беріктікке ие болады. Бұл, табиғаты әлі толық түсіндірілмеген, марганецті аустениттің (2.1 сурет) деформациялық қақталмаға бейімділігімен түсіндіріледі. Г13 болатының беріктігі аустенит түйіршіктерінің, осы түрдің басқа болаттарымен салыстырғанда, нақыш бөлшектерінің аса қатты ұнтақталуына байланысты деген болжам бар (2.2 сурет).

Болаттың механикалық өңдеуге технологиялылығы 1050 –1100^о С –дан суда шынықтыру нәтижесінде жоғарылайды. Бұл кезде карбидтердің бөлінуі кідіріп, таза аустенитті құрылым Mn:С>10% қатынасында алынады

 

 

2.1-сурет. Нақыш бөлшектері мен Г13 болатының микроқұрылымы. х250

 

2.2-сурет. Көміртекті болат 40 пен Г13 болатының беріктігіне қақталманың әсері

2.3 сурет. Жарықшаның соққы тұтқырлығы (а_н) мен талшықты құрылымның мөлшері.

 

Аустенитті құрылым өзіне тән жоғары илемділік пен тұтқырлыққа ие.

Ол жақсы беріктікке қарамастан аустенитті болаттарға тән жоғары тұтқырлық пен созымдылыққа ие болады. Илемділік 200-300°С жоғары температурада босатуды өткізу нәтижесінде карбид бөлінуіне байланысты төмендейді.

Гатфильд болатының кемшілігі болып, кесумен өңдеуді жақсарту үшін фосфор қосылады, фосфор құрамының өсуіне байланысты суық сынғыштықтың шегінің анық байқалуы (2.3 сурет) саналады. Жоғарыда келтірілген мысалдар фосфор концентрациясының өсуіне байланысты жарықшадағы талшық мөлшері мен соққы тұтқырлығының бірнеше есе төмендейтінін көрсетеді (2.3 сурет). Бұл факты әдеттегі деп айтуға болмайды, себебі осы уақытқа дейін ЖШТ торлы қорытпалардың суықтай сынғыштыққа бейімді емес деген түсінік қалыптасқан. Никельды қосу бұл кемшілікті жояды және Гатфильд болатының технологиялық қасиеттерін арттырады.

Өткізілген операциялардың жиынтығы жоғары сапалы Г13 болатын алуды оңтайландырады, одан экскаватор шөміштерін, шынжыр табанды трактордың трактын, трамвай жолдарының крестовиналарын, тас ұнтақтағыш бөлшектерін және т.б. өнімдірді жасауда қолданылады. Бұл бөлшектерде аустениттің деформацияланатын қоспасын және оның жоғары тозуға беріктігін қамтамасыз ететін үлкен соққы мен жүктемемен жүретін үйкелу байқалады (пайдалану технологиялылығы). Абразивті тозу кезінде қақталма байқалмайды, сондықтан Гатфильд болаты беріктігі сондай болаттардан еш ерекшеленбейді.

Бөлшектен түйінге және біріктіру бірлігіне өту оны қосу түрінің бірін көрсетеді – бұрандалы (нақты пішін мен өлшемді бөлшектер үшін) немесе пісірмелі (көбірек жан-жақты).

Пісірілгіштік – материалдың бірігей балқу және (немесе) илемді деформация әсерінен пісірілетін аймақтарда монолитті құрылым түзетін үзілмейтін қосылыс беретін қасиет. Пісірілгіштік нақты шарттар мен материалдарға байланысты бағаланады, мұнда өндірудің технико-экономикалық көрсеткіштері және пісірілген қосылыстардың пайдалануы ескеріледі. Қарапайым көміртекті болаттардың пісірілгіштігі дегеніміз беріктігі, илемділігі, морт сынғыштыққа бейімділігі негізгі металға жақын қасиет беруі. Легірленген болаттар үшін тігістің ыстық және суық жарықтарға қарсылығы ерекше мән береді, сондай-ақ негізгі металмен тек механикалық қасиеттердің емес жемірілуге беріктігі мен әртүрлі жүктеме режимдеріне қарсыластығы жақын қасиет көрсеткені абзал.

Кесу – кесу құралымен дайындама бетінен металды жоңқа ретінде кесіп алу үдерісі. Кесумен өндеу дәрежесі келесі көрсеткіштермен анықталады:

– негізгі (құралдың елеулі тозуы, кесудің максималды жылдамдығы, тозудың анықталған өлшемі мен құралдың бекітілген тұрақталығы);

– қосымша (кесу бетінің тазалығы, жоңқа пішіні, бұруды жеңілдету).

Кесумен өңдеудің технологиялық қасиеттері материалдың механикалық қасиеттеріне, шағын құрылымына және химиялық құрамына тәуелді. Барлық қасиеттер, тозуы – елеусіз, құрал беріктігі жоғары, жоңқасы сусылмалы және жеңіл ажырайтындай болып таңдалады. Технологиялық (илемділікті төмендететін) және металургиялық (жеңіл балқитын және морт фазалар арқасында кесу аймағында ішкі майлау мен жоңқаның сынғыштығын қамтамасыз етеді) үдерістер арқылы іске асады.

Материалдың технологиялылығы оны термиялық өңдеу үдерісінен өткізу қабілеттілігін де қарастырады. Бұл факторлардың барлығын ескеру қажетті құрылымды материалмен оны пйдалану қасиеттерін таңдауға әсер ететін технологиялылығын көрсетеді.

Материал үнемділігі

Өндірістің экономикалық сұрақтары тиімді өнім алуға негізделген, олар көптеген талаптарға сай болу қажет, соның ішінде шикізат пен оны өңдеу технологиясының құны. Мұндай әрекет бұл құраушылардың арасындағы байланысты біртексіз етеді және өнімнің ең тиімді өзіндік құнын табу үшін бұл сұрақты жан-жақты қарастыруды қажет етеді.

Яғни, қажетті қасиет пен құрамды материалды алу үшін технологиялық үдеріс оның пайдалану сенімділігі мен технологиялылығымен тығыз байланысқан экономикалық есептеулерге негізделуі қажет.