Вплив легуючих елементів на структуру та властивості сталі

Легуючі елементи мають істотний вплив на ізотермічний розпад аустені­ту (рис. 5.3). Всі елементи, за виключенням кобальту, уповільнюють процес ізотермічного розпаду аустеніту. Елементи, які не утворюють карбідів (№ та ін.), а також Мп, збільшують стійкість аустеніту, не впливають на характер ізотермічної кривої, яка залишається такою ж С-подібною, як і для вуглецевої сталі, тільки розташована правіше від осі ординат (рис. 5.3, в), за виключенням Со, що зсуває криву вліво (рис. 5.3, а). Карбідоутворюючі елементи Сг, Д¥, Мо, V та ін. не тільки уповільнюють розпад аустеніту, але і змінюють характер кривої ізотермічного розпаду. Як видно з кривих, приведених на рис. 5.3, б, при ізотермічному розпаді аустеніту в сталях, легованих карбідоутворюючими елементами (в даному випадку Сг), спостерігається дві зони мінімальної стій­кості аустеніту і між ними зона максимальної стійкості аустеніту.

 

21. Сплави на основі міді, що використовуються в автомобілебудуванні, їх коротка характеристика.

Технічна мідь — метал червоного кольору з кубічною кристалічною решіткою, густиною 8,9 г/см³ і температурою плавлення 1083°С. Вона має високу пластичність, відносне видовження досягає 50%, характеризується низьким електроопором (0,01724*10"⁶ Омм)і високою теплопровідністю (395 Вт/(м • К)). Міцність міді невисока: в литому стані о_в дорівнює 200 МПа, у відпаленому — 260 МПа, твердість НВ 35.

Властивості міді залежать від вмісту домішок. Найбільш шкідливими домішками є вісмут та свинець, вони надають міді червоноламкості при тем­пературі прокатки 300°С. Домішки великою кількістю знижують електро­провідність. Електротехнічна мідь повинна мати чистоту не нижче 99,9%.

При холодній деформації мідь схильна до наклепу (нагартуванню) і до різкого виявлення анізотропії. Тому за станом та механічними властивостями розрізняють мідь м'яку ММ (відпалену) і тверду МТ (нагартовану). Остання має міцність а_в = 420-450 МПа та відносне видовження 5 = 3-4%.

В якості конструкційного матеріалу в техніці широко використовуються сплави на базі міді: латуні та бронзи.

Латуні. Сплави міді з цинком називають латунями. Латуні мають особливі тех­нологічні, механічні (відносно високі міцність і пластичність) та спеціальні (високі електро-, теплопровідність, корозійна стійкість, антифрикційні якос­ті) властивості.

За складом латуні поділяють на прості та складні. До простих відносять­ся двойні сплави міді з цинком. Для покращення якостей латуні в їх склад вводять легуючі елементи. Такі латуні відносяться до складних (багатоком­понентних).

За структурою латуні діляться на однофазні та двохфазні.

Згідно діаграми стану системи Си-Хп (рис. 7.1) структура сплавів до 39% Хп являє собою а-твердий розчин цинка в міді з кристалічною решіткою ГЦК — це однофазні латуні (а-латуні); до 45% 2п — двофазні латуні (а+Р¹); Р — впорядкований розчин на основі з'єднання Си2п з ОЦК решіткою, стійкий до температур не вище 454-468°С, а вище переходить в неупорядкований роз­чин р.

Однофазні латуні характеризуються високою пластичністю. Двофазні латуні із-за ламкої та твердої р-фази мають низьку пластичність, але більш високу міцність.

Залежність механічних властивостей латуні від вмісту цинку (рис. 7.3) показує, що із збільшенням цинку ростуть одночасно міцність та пластич­ність.

Прості латуні позначають буквою Л, за якою стоять цифри, які вказу­ють вміст міді у відсотках. Наприклад, марка Л68 — латунь проста, яка міс­тить 68% Си, а все інше цинк 32%. До простих латуней відносяться однофаз­ні латуні марок Л96, Л90 (томпаки до 10% 2п), Л85, Л80 (напівтомпаки від 10 до 20% 2п), Л70, Л68 (патронна латунь) та двухфазна а+р-латунь Л62 міцна конструкційна латунь.

З цих латуней виготовляють катані напівфабрикати (тонкостінкі трубки, листи, полоси, прутки, профілі) з яких виробляють різні деталі. Більшість простих латуней добре обробляється тиском.

В автомобілебудуванні латуні застосовуються: Л96 — для виготовлення трубок радіаторів; Л80 — для виготовлення сіток фільтрів; з латуней Л70 і Л68 виготовляють гільзи патронів і снарядів; Л62 використовується для ви­готовлення водних пластин та масляних радіаторів, каркасів паливних фільт­рів, діафрагм планетарних механізмів.

Складні латуні. Для покращення механічних, антифрикційних, антико­розійних та технологічних властивостей в склад латуней вводяться легуючі елементи А1, №, Мп, 8п, РЪ, Ре, Р, 8і. Вони позначаються таким чином: в ма­рці латуні після букви Л легуючі елементи позначаються початковими бук­вами їх назв (О — олово, С — свинець, А — алюміній, 3 — залізо, Ф — фос­фор, Мц — марганець). Наприклад, латунь марки ЛАЗМц66-6-3-2 — складно легована, яка має в середньому 66% Си, 6% А1, 3% Ре, 2% Мп та 2п.

Складні латуні, леговані А1, М, Ре, М§ (ЛАЗМц66-6-3-2, ЛМцН352-2-2-1, ЛМц359-3-2), мають високу міцність та антифрикційні властивості. Наприклад, латунь ЛАЗМц66-6-3-2 має с_в=600 МПа. Латуні, які мають до 1% §п або до 2% А1 (ЛА67-2, Л064-2, ЛО70-1) є корозійно стійкими, особливо в морській воді. Добавка невеликої кількості свинця покращює обробку латуні різанням. Напри­клад, латунь марки ЛС59-1, легована 1% РЬ — більш крихка, має сипучу стру­жку, тому добре обробляється різанням на автоматичних верстатах.

Двофазні латуні мають низький рівень міцності, але хороші ливарні вла­стивості (особливо ті, до яких входить кремній), це дозволяє виготовляти з них якісні, високоміцні та герметичні фасонні ливарні вироби.

Латуні за способом виготовлення з них виробів поділяються на деформі-вні та ливарні.

Деформівні латуні — це латуні, з яких вироби виготовляються обробкою тиском (прокаткою, штамповкою). До них відносяться прості однофазні латуні Л96, Л80, Л68, Л62 та складні латуні спеціального призначення ЛА77-2, ЛО70-1, ЛС59-1, ЛА360-1-1, ЛАІ59-3-2, ЛЗМц59-1-1. З цих латуней виробляють тру­би, проводку,, які потім ідуть на виготовлення різних деталей автомобільної техніки (трубопроводи, трубки радіаторів, пластини охолодження).

Ливарні латуні використовуються частіше, як замінник оловяних бронз для виготовлення арматури, підшипників, втулок, гайок та інших виробів, які працюють в агресивних середовищах (морській воді). Бронзи – сплави міді з різними металами та незначною кількістю цинку, називають­ся бронзами. Для покращення властивостей бронз їх легують 2л, N1, Мп, РЬ.

Бронзи поділяють на однофазні та багатофазні, а по кількості легуючих елементів — на прості та складнолеговані.

Бронзи мають високі механічні, антифрикційні та антикорозійні влас­тивості, добре обробляються різанням, мають добрі ливарні властивості.

Вироби з бронз отримують способом лиття. Деякі бронзи, що мають достатню пластичність, обробляються тиском.

Позначаються бронзи буквами Бр, потім ідуть цифри, що вказують їх склад у відсотках. Наприклад, БрОЦС-8-4-3 відповідно має 8% 8п, 4% 2п, 3% РЬ, а інше мідь. Бронзи за головним легуючим елементом ділять на оловяні, свинцеві, алюмінієві, кремнієві, берилієві, кадмієві.

Олов'яні бронзи — сплав міді з оловом, який містить 2-14% олова, все інше мідь. Для покращення властивостей їх легують додатково РЬ, 2п, N4, Р.

Олов'яні бронзи на відміну від латуні і чавунів мають малу усадку (менше 1%), це дозволяє виготовляти з них най­більш складні відливки, в том числі художнє лиття. Ливарна бронза із-за тве­рдих включень евтектоїду відрізняється високою зносостійкістю та малим коефіцієнтом тертя, тому являється найкращим (особливо з 10% 5п) анти­фрикційним (підшипниковим) матеріалом.

Недоліком ливарних бронз є підвищена пористість і невисока герметич­ність відливок. З метою заміни цінного олова, також для зниження пористос­ті, підвищення герметичності, механічних властивостей, для покращенн зварювання в олов'яні бронзи добавляють від 2 до 15% 2п, а для підвищення обробки різанням бронз легують 3-5% РЬ. До ливарних бронз відносяться такі бронзи як БрОЦСНЗ-7-5-1 та БрОЦС4-4-17.

З олов'яних бронз виготовляють деталі автомобільної техніки: БрОЦСЗ, 5-6-5 і БрОЦСНЗ-7-5-1 — розпірні втулки між зубчастими колесами і ступи-цями; з БрОЦС6-6-3 — підшипникові втулки для валиків; з БрОЦС5-5-5 — корпуса клапанів системи охолодження; з БрОЦЮ-2 — деталі привода спі­дометра.

Алюмінієві бронзи — сплави міді з 4-11,5% алюмінію. їх структура до 9,4% А1 — однофазна (а- твердий розчин), якщо алюмінію більше — двофаз­на, що має а+у — фазу, отриману в результаті розпаду Р-фази в рівноважних умовах. При гартуванні з 900°С у воді Р-фаза бездифузійно перетворюється з утворенням структури голкового мартенситу.

Алюмінієві бронзи на відміну від олов'яних мають більш високі механі­чні властивості при задовільних антифрикційних властивостях і високу коро­зійну стійкість в повітрі та морській воді. їх використовують для виготовлен­ня втулок, шестерен, сідел клапанів та багатьох інших антифрикційних дета­лей.

Свинцеві бронзи являють собою сплави міді з 27-63% свинця. їх струк­тура складається з окремих зерен РЬ і Си. Вони мають високі антифрикційні властивості, але поступаються олов'яним бронзам по технологічним власти­востям (схильні до ліквації). Свинцеві бронзи можуть працювати при тиску 2500-3000 МГТа.

В машинобудуванні широко використовується бронза БрС-30 (30% РЬ, інше Си) для виготовлення вкладишів підшипників дизелів.

22. Вимоги до вибору матеріалів

При виборі матеріалів для виготовлення деталей агрегатів та машин в цілому керуються конструктивними, технологічними й економічними вимо­гами.

Конструктивні вимоги визначаються: 1) призначенням та умовами ро­боти окремих деталей, вузлів, агрегатів і машин; 2) розмірами деталей та їх конструктивною формою; 3) особливими умовами роботи деталей (агресивні середовища, висока температура, абразивне середовище).

Залежно від призначення машини та умов роботи деталі, її розмірів і конструктивної форми матеріал повинен забезпечити розрахункову міцність і довговічність.

Деталі, які працюють в умовах невеликих статичних навантажень виго­товляються з вуглецевих сталей звичайної якості, або якісних низьковуглеце­вих сталей. Із збільшенням статичних навантажень для виготовлення деталей використовують середньовуглецеві якісні та леговані сталі.

Для деталей, які працюють в умовах значних динамічних і знакозмінних навантажень (балансири, торсіони, шатуни, колінчасті вали) використовують сталі із складним легуванням, які після відповідної термічної обробки набу­вають структуру, яка забезпечує необхідну міцність та в'язкість.

Матеріали для таких деталей, як торсіони, колінчасті вали, пружини, по­винні забезпечити високу циклічну міцність. Для відповідальних деталей ви­користовуються сталі, покращенні електрошлаковим переплавом.

В умовах інтенсивного зносу працюють гільзи циліндрів і плунжерні па­ри паливних насосів, конуси синхронізаторів коробок передач, металеве обіддя опорних і підтримуючих роликів. Ці деталі виготовляється з легова­них сталей, які можуть забезпечити високу твердість поверхні після відпові­дної обробки.

Ударним навантаженням, високим контактним напругам та зносу підда­ються траки і пальці в гусеничних стрічках з відкритим шарніром, зубчаті колеса, зірочки ведучих коліс та інші. Для цих деталей вибрані леговані сталі з різним вмістом вуглецю. Спеціальними технологічними процесами (гарту­ванням ТВЧ, цементацією, поверхневою деформацією) в цих деталях досяга­ється висока поверхнева твердість і зберігається в'язка серцевина.

Для підшипників ковзання, призначених для двигунів внутрішнього зго­рання, установки балансирів та інших валів застосовуються різні антифрик­ційні матеріали: спеціальні підшипникові сплави, бронзи, чавуни, пластмаси. Вибір матеріалу визначається розрахунковими навантаженнями і умовами тертя.

Для деталей, що працюють в умовах агресивних середовищ, охолоджу­ючих рідин, в морській воді, застосовуються антикорозійні (нержавіючі) ста­лі, латунь, бронза, алюмінієві сплави та пластмаси.

Жаростійкі і жароміцні сталі та сплави використовуються для виготов­лення клапанів двигунів внутрішнього згорання, лопаток газотурбінних дви­гунів та інших деталей.

З метою зменшення маси конструкцій та з технологічних міркуваннь для виготовлення картерів різних агрегатів використовуються ливарні алюмінієві сплави, а для виготовлення перегородок, баків — алюмінієві сплави, що де­формуються.

Вирішуючи питання про вибір матеріалів для того, або іншого виробу, необхідно знати властивості різних матеріалів і завжди враховувати здатність більшості сталей змінювати свої властивості за допомогою термічної оброб­ки. Такий підхід при призначенні матеріалів може забезпечити заміну лего­ваної сталі менш легованою і навіть вуглецевою, або використання менш де­фіцитних матеріалів.

Технологічні вимоги визначаються: 1)способом виготовлення заготівки (штампуванням, литтям); 2)способом термообробки; 3)розмірами деталі з по­гляду забезпечення прогартованості і отримання заданих механічних власти­востей по всьому перетину; 4)конфігурацією деталі (забезпечення мінімаль­них напружень); 5)оброблюваністю ріжучим інструментом; 6) зварюванням.

При виготовленні заготівок та виробів методом холодного штампування використовують матеріали з низькою твердістю і високою пластичністю: ма-ловуглецеві сталі марок 05кп, 08кп, 10, 15, 20; латуні з великим вмістом міді; алюмінієві сплави, що деформуються.

Для заготівок, що одержуються методом лиття, використовуються мате­ріали, які мають низьку температуру плавлення і хорошу рідинотекучість. Це, як правило, евтектоїдні сплави різних елементів. Для отримання корпусів багатьох агрегатів використовують ливарні алюмінієві сплави, а для автомо­білів можуть застосовуватися і чавуни.

Для деталей, що піддаються гартуванню і низькому відпуску, а також поверхневому гартуванню, використовуються середньо- і високовуглецеві сталі, для деталей, що піддаються цементації, — низьковуглецеві сталі, а азо­туванню — середньовуглецеві сталі, леговані хромом, молібденом, вольфра­мом та алюмінієм.

Оскільки не всі сталі мають однакову прогартованість то для деталей перетином до 20 мм можна застосовувати вуглецеві сталі, а для деталей з ве­ликим перетином — леговані сталі. Для зубчатих коліс з підвищеним наванта­женням використовуються сталі з великим вмістом вуглецю 20Х2Н4А, 18Х2Н4А, щоб виключити продавлювання цементованого шару.

Складні форми деталей вимагають застосування легованих сталей, оскі­льки подальша їх термічна обробка (гартування) може бути проведена з меншими швидкостями охолоджування.

Обробка різанням, як технологічний фактор, пов'язана із стійкістю ін­струменту, який протягом часу при обробці тих або інших матеріалів зношу­ється до певної величини. Оброблюваність матеріалів залежить від їх хіміч­ного складу та структури, які визначають механічні і теплофізичні властиво­сті, тобто міцність, пластичність, в'язкість і теплопровідність, а також від ви­ду обробки (точіння, фрезерування, свердлення).

Для сталей на феритній основі також погіршують оброблюваність різан­ням в порядку зменшення ступеня впливу, кремній, хром, вольфрам, моліб­ден. Для сталей, які мають аустенітну основу, погіршують оброблюваність алюміній, титан, кремній, молібден, кобальт, марганець, хром, вольфрам.

Найгіршу оброблюваність мають антикорозійні, жаростійкі, жароміцні сталі і сплави, особливо на аустенітній та нікелевій основах.

Економічні вимоги визначаються: 1) вартістю матеріалу та його дефіци­тністю; 2) призначенням матеріалу (для автомобілів або для виготовлення технологічного оснащення і паркового устаткування); 3) собівартістю пере­робки матеріалів при отриманні заготівок з урахуванням оснащеності вироб­ництва необхідним устаткуванням;

Економічні вимоги при виборі матеріалів враховуються як при констру­юванні і виробництві, так і при організації ремонту і експлуатації техніки.