Читать онлайн Производство заготовок. Трубы бесплатно

Предисловие

Любую машину (машину-двигатель, машину – преобразователь, машинуорудие) собирают из деталей (элементарных частей), изготовленных без применения сборочных операций и приспособлений. Надежность и долговечность машины зависит от качества деталей, из которых она собрана. Качество детали, в основном, определяется заготовкой, которую получают тем или иным методом: литьем; сваркой; обработкой резанием или обработкой давлением (ковкой, объемной или листовой штамповкой).

В современном машиностроении детали (заготовки) делают из металлов и сплавов, а также из неметаллических (пластмасс, резины, древесины, керамики) и порошковых материалов.

К заготовкам, независимо от метода и способа их получения, предъявляются следующие требования:

– поверхности, используемые как базовые на первой операции обработки, должны быть чистыми без заусенцев и других дефектов, чтобы избежать значительных погрешностей установки при дальнейшей обработке или сборке;

– механические и физические свойства материала заготовки, его химический состав, структура и зернистость должны быть стабильными по всему объему;

– все поверхности заготовки не должны иметь механических повреждений, в противном случае возможен выпуск некачественных деталей;

– геометрические размеры заготовок должны приближаться к геометрическим размерам готовой детали;

– коэффициент использования материала должен быть максимальным, а трудоемкость дальнейшей обработки – минимальной, но при этом должно быть обеспечено получение качественной детали (по размерам и шероховатости поверхности) в соответствии с чертежом после механической обработки на металлорежущих станках;

– все внутренние напряжения должны быть сняты за счет применения термообработки.

Каждый из указанных методов представляет самостоятельную отрасль машиностроения и описан в специальной литературе, но, в тоже время, отсутствуют обобщенные сведения по производству заготовок различными методами и способами, что вызывает затруднения при выполнении студентами курсовых и дипломных проектов.

В связи с этим по инициативе авторов разрабатывается и издается серия учебных пособий, которая признана способствовать лучшему обеспечению студентов учебно-методической литературой.

В серии книг «ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК» рассмотрены такие вопросы, как получение штампованных и литых заготовок, труб, а также методические указания к лабораторным работам по трубным заготовкам.

Введение

Формообразование при производстве деталей, как и при производстве и обработке труб осуществляется одним из четырех видов:

– литейное производство;

– обработка давлением;

– сварка;

– обработка резанием.

Особенности технологических методов производства заготовок, в том числе и труб влияют на конструкцию и прочностные данные отдельных элементов и устройства в целом. Вариантность любого технологического процесса определяется многими факторами (назначением, размерами, массой, количеством, материалом и др.).

Литейное производство (ЛП) – отрасль машиностроения, изготовляющая заготовки или детали (отливки). Это технологический процесс изготовления заготовок заливкой расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки или детали. При охлаждении после затвердевания залитый металл сохраняет конфигурацию полости формы. Литые трубы в дальнейшем не подвергаются дополнительной обработке резанием.

Отливки труб получают из чугуна и из сплавов цветных металлов с высокими механическими и эксплуатационными свойствами, что обуславливают их широкое применение в различных отраслях промышленности. Литьем изготовляют отливки, как простой, так и сложной формы, которые нельзя получить другими технологическими методами. Например, чугунный радиатор отопления, один из вариантов которого запатентован автором Киловым А.С.

Роль процессов обработки металлов давлением в техническом плане различных отраслей хозяйства все более возрастает. Процессы обработки металлов давлением позволяют получать детали и заготовки требуемых форм, размеров и свойств путем пластического деформирования металла в холодном или горячем состоянии. По сравнению с изготовлением деталей резанием, когда часть металла удаляется в стружку, обработка давлением позволяет более экономно расходовать металл, существенно улучшает структуру, а следовательно, и механические свойства металла. Поэтому детали ответственного назначения изготовляют из заготовок, полученных обработкой давлением. Наряду с изготовлением заготовок и деталей из металла обработка давлением широко используется и при переработке пластмасс, что менее трудоемко, чем из металлов, себестоимость их значительно ниже себестоимости металлических изделий. Применение пластических масс дает возможность постоянно совершенствовать конструкции.

Обработка давлением основана на использовании свойства материалов пластически деформироваться в холодном или горячем состоянии. Этот метод широко применяли при изготовлении оружия, орудий, в кораблестроении и т.д.

В настоящее время обработке материалов давлением (далее ОМД) подвергают заготовки из черных и цветных металлов и сплавов, из пластических масс и других не металлических материалов. ОМД включает прокатку, волочение, прессование, объемную и листовую штамповку которые позволяют получать детали, идущие непосредственно на сборку. В основе жестяницких работ, большой группы ремонтных работ и обработки поверхностей без снятия стружки также лежит обработка давлением. Разновидности метода обработки давлением обеспечивают изготовление сложных фасонных профилей с малой шероховатостью поверхностей.

Для получения сварных заготовок применяют практически все виды сварки (под флюсом, дуговую, контактную, в среде защитного газа, электрошлаковую, электронным лучом, лазерную, плазменную, ультразвуковую и т.д.), что вызвано широкой номенклатурой марок и толщиной заготовок для сварных изделий.

При производстве сварных заготовок материал выбирают не только исходя из конструктивных и эксплуатационных соображений, но и его свариваемости, т.е. с учетом возможности обеспечения хорошей сварки.

При производстве сварных заготовок вследствие действия температур происходит изменение формы и размеров заготовки (сварочные деформации), которые снижают точность заготовки и требуют назначения больших припусков на механическую обработку. Также надо учитывать то, что сварочные напряжения, возникающие в околошовном пространстве, могут снижать работоспособность сварочных конструкций в условиях работы при динамических нагрузках или при низких температурах. Для борьбы с этим явлением используют высокотемпературный отпуск при температурах от 550 до 680 ⁰С в течение нескольких часов.

В производстве и применении труб обработка резанием применяется как для разделки исходных заготовок на мерные, так и для подготовки торцов трубных заготовок и при получении фланцевых либо резьбовых соединений.

1 Материалы заготовок и деталей

В качестве исходного продукта при производстве труб используют металлы в виде слитков, листов, карточек или рулонов и неметаллические материалы, в том числе, пластмассы, резину, стекло, керамику и бетон.

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на: механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные.

К механическим свойствам относят прочность, твердость, износостойкость, пластичность или хрупкость (способность материала подвергаться деформации или разрушению).

Твердость – способность сопротивляться проникновению в него другого тела, например, шарика.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием поверхностного трения.

К физико-химическим свойством относят температуру плавления, плотность, электро- и теплопроводность.

К технологическим свойствам относят способность материала поддаваться разным способам обработки, в том числе, литейные свойства, ковкость (штампуемусть), свариваемость, обрабатываемость резанием.

Особенности технологических методов и прочностные данные влияют на конструкцию и процессы обработки и поэтому вариантность технологического процесса определяется многими факторами (назначением, размерами, массой, материалом и их строением.)

Конструкционные материалы удобно рассматривать по группам с близкими свойствами и применением. Группу материала, необходимого для конструирования конструктор определяет до начала проектирования и, как правило, без специальных расчетов, на основании представлений о размерах труб, рабочих температурах и действующих нагрузках при эксплуатации, способе ее изготовления. Лишь после выбора группы материала возможно уточнение способа ее изготовления, а после чего можно осуществить и окончательный выбор марки материала.

Трубы в промышленности чрезвычайно разнообразны. Для их изготовления необходимы материалы с различными свойствами. В последние годы значительно расширилась номенклатура материалов, применяемых в машиностроении. Для современного автомобиля детали изготавливают примерно из 70 различных материалов.

Все конструкционные материалы, в основном, делят на две группы: металлические и неметаллические и их группы приведены на рисунке 1.

Металлы и сплавы – основной машиностроительный материал, который обладает свойствами, обусловленными внутренним строением сплава.

Металлы – кристаллические тела, атомы которых расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы. Характерным признаком кристалла является твердое состояние до температуры плавления, причем процесс плавления происходит при постоянной температуре.

Рисунок 1 – Основные группы конструкционных материалов

Методы формообразования деталей машин подразделены на 4 вида: литейное производство, обработка давлением, сварка и обработка резанием.

Указанные методы обработки материалов используют практически на любом машиностроительном предприятии. Возможная схема состава и взаимосвязи цехов машиностроительного предприятия показана на рисунке 2.

Рисунок 2 – Состав и взаимосвязь цехов машиностроительного предприятия

Основным материалом машиностроения являются металлы.

Металлы – кристаллические тела, атомы которых расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы.

Все металлы подразделяются на два класса:

– черные;

– цветные.

К черным относят сплавы на основе железа (сталь, чугун). Основные свойства черных металлов определяются количеством углерода. Сплавы с содержанием углерода до 2,14 % – стали, а выше – чугуны.

1.1 Свойства металлов

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физико-химические, технологические и эксплутационные.

К механическим относят:

– прочность;

– твердость;

– износостойкость;

– пластичность.

Прочность – способность материала сопротивляться деформации или разрушению. Показателем прочности является предел прочности:

δ_d= Р/F₀,

где Р – нагрузка разрушения стандартного образца, Н;

F ₀– площадь поперечного сечения, мм².

Пластичность – способность твердых тел изменять форму и размеры без разрушения под действием внешней нагрузки. Пластичность определяется максимальным относительным удлинением при разрыве:

δ = ((l-l₀)/l)100 %,

где l – длина после разрыва, мм;

l ₀– первоначальная длина, мм.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела, например шарика.

К физико-химическим свойствам относят:

– температуру плавления;

– плотность;

– электро- и теплопроводность.

К технологическим свойствам относят их способность поддаваться различным способам обработки (литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущими инструментами).

Способность металлов и сплавов к литью.

Не все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления отливок. Из одних сплавов (серого чугуна, силумина) можно легко изготовить отливку сложной конфигурации, а из других (титановых сплавов, легированных сталей и др.) получение отливок сопряжено с определенными трудностями. Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов. К основным литейным свойствам сплавов относят жидкотекучесть, усадку сплавов, склонность к образованию трещин, газопоглощение и ликвацию.

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки. При высокой жидкотекучести литейные сплавы заполняют все элементы литейной формы, при низкой – полость формы заполняется частично, в узких сечениях образуются недоливы. Жидкотекучесть сплавов определяют по специальным пробам. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной спирали в литейной форме, и она зависит от многих факторов. Например, повышение температуры заливки увеличивает жидкотекучесть всех сплавов. Чем выше теплопроводность материала формы, тем быстрее отводится тепло от залитого металла, тем ниже жидкотекучесть. Неметаллические включения снижают жидкотекучесть сплавов. На жидкотекучесть влияет химический состав сплавов: с увеличением в исходном материале содержания серы, кислорода и хрома жидкотекучесть снижается, а с повышением содержания Р, Si, Al, C – увеличивается.

В зависимости от жидкотекучести сплава выбирают минимальную толщину стенок отливок. Например, при изготовлении мелких отливок из серого чугуна в песчаных формах минимальная толщина стенок составляет от 3 до 4 мм, для средних от 8 до 10 мм, в для крупных от 12 до 15 мм; для стальных отливок, соответственно, от 5 до 7, от 10 до 12 и от 15 до 20 мм.

Способность материала к обработке давлением.

Способность материала деформироваться под действием внешних нагрузок не разрушаясь и сохранять измененную форму после прекращения действия усилий, называется пластичностью. Таким образом, пластичность – это возможность металла изменять форму или деформироваться при обработке давлением без нарушения целостности.

Количественно пластичность можно характеризовать величиной максимальной деформации, которую можно сообщить металлу до появления в нем разрушения. Общая пластическая деформация поликристаллов (это практически все применяемые металлы и сплавы) складывается из двух видов деформаций – внутрикристаллитной и межкристаллитной. Внутрикристаллитная деформация это скольжение и образование двойников в кристаллах, а межкристаллитная – это повороты и смещения зерен относительно друг друга.

В результате обработки давлением зерна кристаллов частично раздробляются и вытягиваются в направлении наибольшего течения металла, что вызывает его упрочнение. Превышение напряжений пластической деформации приводит к возникновению трещин, то есть приводит к разрушению металла. Следовательно, в обработке давлением важно знать условия деформирования, при которых происходит пластическая деформация и при которых наступает разрушение.

Способность металлов и сплавов к сварке.

Свариваемостью металла называют совокупность его технологических свойств, определяющих способность обеспечить при принятом технологическом процессе экономичное, надежное в эксплуатации сварное соединение. Соединение считают качественным или равнопрочным, если его механические свойства близки к характеристикам основного металла и в нем отсутствуют поры, шлаковые включения, раковины. Кроме того, в некоторых случаях соединение должно иметь химические и физические свойства такие же, как свойства основного металла.

Свариваемость – это сложная характеристика, определяемая не только свойствами свариваемого металла, но и выбором технологического процесса, режимом сварки, свойствами применяемых сварочных материалов. Поэтому нет единого вида испытания на свариваемость, а следует применять несколько видов для определения различных характеристик. Число и вид испытаний обусловлен свойствами материала, назначением конструкции и условиями ее работы. Чаще всего признаком плохой свариваемости является наличие в сварном соединении отдельных дефектов. Дефектом является существенная разница свойств основного металла сварного шва и зоны термического влияния. При сварке заготовок из углеродистых и легированных сталей твердость зоны термического влияния возрастает, в то время как пластические свойства значительно снижаются, что повышает хрупкость.

Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Способность металлов и сплавов к обработке резанием.

Обработка резанием является одной из наиболее часто применяемых операций машиностроения, без которой не обходится изготовления ни одной детали. Способность металлов и сплавов к обработке резанием определяется химическим составом и видом термической обработки. Для обработки резанием наиболее часто применяют автоматные стали А12, А20, А40, имеющие повышенное содержание серы (от 0,08 до 0,3 %), фосфора (<=0,05 %) и марганца (от 0,7 до 1,0 %). Сталь 40Г содержит от 1,2 до 1,55 % Mn.

Фосфор, повышая твердость, прочность и охрупчивая сталь, способствует образованию ломкой стружки и получению высокого качества поверхности. Такие стали обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению, имеют пониженный предел выносливости. Поэтому сернистые автоматные стали применяют лишь для изготовления неответственных изделий – преимущественно нормалей или метизов.

1.2 Сплавы на основе черных металлов

Железоуглеродистые сплавы, в основном, классифицируют по содержанию углерода. По этому признаку их подразделяют на стали содержащие углерода менее 2,14 % и чугуны – углерода более 2,14 %.

1.2.1 Стали

Жесткие, прочные, стойкие к удару и нагреву детали изготавливают из конструкционной углеродистой или легированной стали. По назначению стали бывают конструкционные, инструментальные и специальные.

По качеству все стали подразделяют по содержанию серы и фосфора на обыкновенные (до 0,05 % S и 0,04 % Р), качественные (не более 0,04 % S и 0,035 % Р), высококачественные (не более 0,025 % S и 0,025 % Р) и особовысококачественные (не более 0,015 % S и 0,025 % Р).

На качество и свойства стали существенное влияние оказывают постоянные примеси, которые бывают постоянные, скрытые и случайные.

Постоянные примеси – Mn (от 0,3 до 0,7 %), Si (от 0,2 до 0,4 %), S и P (до 0,03 %);

Скрытые – O₂, H₂, N.

Случайные – Ni, Cr (от месторождения).

Углерод – его увеличением повышается твердость и прочность, уменьшается пластичность и вязкость.

Mn и Si – полезные примеси и их добавляют при раскисании.

Сера и фосфор – повышают хрупкость, причем сера повышает хрупкость при нагреве (красноломкость), а фосфор вызывает хладоломкость.

Газы (O₂, N, H₂) – разрыхляют металл, снижают его деформируемость, повышают хрупкость, металл крошится.

Углеродистые стали (состав в масс. процентах: от 0,12 до 0,6 С; от 0,2 до 0,5 Si; от 0,5 до 0,8 Мп; до 0,05 Р и до 0,05 S) имеют более высокие механические свойства, чем серый и ковкий чугуны. Их применяют для изготовления различных цилиндров, станин прокатных станов, зубчатых колес и других изделий. Качественная углеродистая конструкционная сталь обозначается сотыми долями процента углерода, например, сталь 35 содержит примерно 0,35 % углерода.

Легированные стали отличаются от углеродистых составом легирующих, т. е. дополнительно добавленных элементов (хром, никель, молибден, титан и др.) или повышенным содержанием марганца и кремния. Легирующие элементы придают стали высокую коррозионную стойкость, жаропрочность и другие специальные свойства. Легированная конструкционная сталь обозначается буквенно-цифровым индексом, например, сталь марки 45ХН2А. Цифра 45 – сотые доли процента углерода, буквы – обозначение легирующих элементов Х – хром, Н – никель, цифра 2-процентное содержание элемента в легированной стали, никеля – примерно 2 %, отсутствие цифры после буквы указывает, что количество легирующего элемента (хрома) ~1 %, обозначение других легирующих элементов Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, М – молибден, Ф – ванадий, Б – ниобий, Р – бор, К – кобальт. Значение буквы А в маркировке стали зависит от места ее написания. В начале шифра она обозначает автоматную сталь, в середине шифра – количество азота в сплаве, в конце шифра – высококачественную сталь. Из легированных сталей получают турбинные лопатки, коллекторы выхлопных систем, различную арматуру и прочие подобные детали.

Инструментальные стали бывают углеродистые, обозначают от У 7 до У 13 (цифры означают десятые доли процента углерода в сплаве) и легированные, например, 9ХС, ШХ9, ШХ15 и стали карбидного класса Х12М, Х6ВФ, в том числе и быстрорежущие (рапид) Р6М5 и Р18 (цифра после Р – процентное содержание вольфрама в сплаве).

1.2.2 Чугуны

Статически нагруженные детали преимущественно изготавливают из чугуна, так как он дешевле стали. В зависимости от состояния углерода в сплаве чугуны подразделяют на белые, серые, высокопрочные и ковкие.

Белые чугуны – в них весь углерод связан с железом в виде цементита.

Подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Из–за большого количества цементита эти чугуны твердые и хрупкие и для изготовления деталей машин практически не используются.

В серых чугунах углерод частично представлен в виде пластинчатого графита (рисунок 3). Приняты следующие его марки: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 25, СЧ 35 (цифры показывают временное сопротивление при растяжении (МПа), уменьшенное в 10 раз).

а – серого; б – высокопрочного; в – ковкого

1 – пластинчатый графит; 2 – шаровидный графит; 3 – хлопьевидный графит; 4 – феррит; 5 – перлит

Рисунок 3 – Схемы микроструктур чугуна

Серый чугун (состав в %: от 2,8 до 3,5 С; от 1,8 до 2,5 Si; от 0,5 до 0,8 Мп; до 0,6 Р и до 0,12 S) имеет достаточно высокую прочность, высокую циклическую вязкость, легко обрабатываем и дешев. Недостатком серого чугуна является низкая ударная вязкость и хрупкость. Из серого чугуна изготовляют детали с повышенной прочностью, работающие при высоких нагрузках или тяжелых условиях износа (станины станков, корпуса редукторов, шкивы и др. отливки).

Высокопрочный чугун (состав в масс. процентах: от 3,2 до 3,6 С; от 1,6 до 2,9 Si; от 0,4 до 0,9 Мп; не более 0,15 Р; не более 0,02 S; не менее 0,04 Мg) обладает высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатывается. Высокие механические свойства этих чугунов получают обработкой расплавленного чугуна магнием или церием, при которой графит принимает шаровидную форму (рисунок 3 б).

В ковких чугунах (КЧ 30-6, КЧ 35-8, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 60-3 и КЧ 80-1,5) графит имеет хлопьевидную форму. Первая цифра, как и в других чугунах, указывают уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления при растяжении (МПа), а вторая – значение относительного удлинения в процентах. Ковкий чугун (состав в масс. процентах: от 2,4 до 2,8 С; от 0,8 до 1,4 Si; менее 1 Мп; примерно 0,2 Р и 0,1 S) по прочности превосходит серые чугуны и имеет высокую пластичность. Получают ковкий чугун при отжиге отливок из белого чугуна (в белом чугуне углерод почти полностью находится в связанном состоянии в виде Fe₃C) в течение до 60 ч при температуре от 900 до 1050 °C. Из ковких чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, и способные принимать ударные и знакопеременные нагрузки (корпусов пневматического инструмента, ступиц, кронштейнов, звеньев цепей и других деталей).

1.3 Сплавы на основе цветных металлов

Цветные металлы подразделяют на тяжелые (Cu, Pb, Sn, Ni и др.), легкие (Al, Mg и др.), редкие (W, Md), благородные (Ag, Au, Pt).

Цветные металлы обладают многими ценными свойствами, которые определяют применение их в промышленности. Однако, вследствие большой трудоемкости при их получении и высокой стоимости, объем их потребления в машиностроении незначителен и по возможности их стараются заменить черными металлами, пластмассами и синтетическими материалами.

Из сплавов цветных металлов наибольшее применение имеют алюминий и его сплавы, медь и медные сплавы.

Алюминий – металл серебристо-белого цвета с температурдй плавления 600 °С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность – 2,7 г/см³против 7,8 г/см³для железа и 8,94 г/см³для меди. Алюминий обладает электрической проводимостью, составляющей 65 % электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99.999 % Al); высокой чистоты: А995 (99.995 % Al), А99, А97, А95 и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5, А0 (99.0 % Al). Технический алюминий изготавливают в виде листов, закрытых профилей (труб), прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД1.

Алюминий и его сплавы обладают малой плотностью, высокой прочностью и пластичностью, их легко обрабатывать. Наиболее распространены сплавы алюминия с кремнием (силумины), которые обладают повышенной коррозионной стойкостью хорошей свариваемостью.

Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, AlCu-Mg и другие. Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов, поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки, и литейные, предназначенные для фасонного литья. Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозийной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

Дуралюминами называются сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1.

Из сплава Д16 изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы, строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и т.д.

Медь – металл красного, в изломе розового цвета. Температура плавления 1083 °С. Кристаллическая решетка ГЦК. Плотность меди 8,94.10³кг/м³. Медь обладает высокими тепло- и электропроводимостью. В зависимости от чистоты медь изготавливают следующих марок: М00, М0, М1, М2, М3. Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

Медь хорошо сопротивляется коррозии, легко обрабатывается давлением, но плохо резанием. Имеет невысокие литейные свойства из-за большой усадки.

Медь и ее сплавы (бронзы и латуни) имеют высокую коррозионную стойкость, сравнительно высокие механические и антифрикционные свойства, хорошую обрабатываемость. Для изготовления отливок применяют оловянные и безоловянные бронзы и латуни. Безоловянные бронзы используют как заменители оловянных бронз.

Различают две основные группы медных сплавов:

– латуни – сплавы меди с цинком;

– бронзы – сплавы меди с другими элементами.

Медные сплавы обладают высокими механическими и техническими свойствами, хорошо сопротивляются коррозии и износу.

Латунями называют двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.

Когда требуется высокая пластичность, повышенная теплоотводность применяют латуни с высоким содержанием меди (Л60 и Л90). Латуни Л62, Л60,Л59 с большим содержанием цинка обладают более высокой прочностью, лучше обрабатываются резанием, дешевле, но хуже сопротивляются коррозии.

Латунь ЛЦ4 °C – σ_в= 215 МПа, δ = 12 %, 70 НВ.

Бронзами называют сплавы меди с алюминием, оловом, свинцом, кремнием, цинком и другими элементами, где цинк не является основным легирующим элементом.

Наилучшими свойствами обладают оловянистые бронзы БрОЦ4-3, БрОЦ10-2, которые вследствие дефицитности и дороговизны легирующих элементов заменяются менее дорогими марками сплавов.

Литые оловяннистые бронзы с цинком и свинцом имеют высокие литейные свойства, малую объемную усадку и хорошую жидкотекучесть.

По коррозионным, механическим и антифрикционным свойствам безоловянные бронзы превосходят оловянистые. Медные сплавы применяют при производстве арматуры, подшипников, гребных винтов, зубчатых колес и др. Алюминиевые, магниевые и медные сплавы широко применяют в приборостроении.

Алюминиевые бронзы занимают одно из первых мест среди медных сплавов. Широкое применение получили в промышленности алюминиевые бронзы: БрАЖ9-2, БрАЖМц10-3-1,5 (А-алюминий, Ж – железо, Мц – марганец). Они обладают высокими антикоррозионными и механическими свойствами, хорошей износостойкостью и применяются при изготовлении втулок, арматуры для судостроения, ответственных деталей.

Оловянные бронзы. Обладают хорошими литейными свойствами и применяются для литья деталей сложной формы. Недостатком отливок из оловянных бронз является большая микропористость.

1.4 Неметаллические материалы

Основным направлением научно-технического прогресса, определяющим перспективы долгосрочного развития экономики, является производство синтетических материалов с заранее заданными свойствами. Многие из существующих промышленных материалов уже не могут удовлетворять запросы многих отраслей промышленности.

В машиностроении относительно небольшое применение по сравнению с металлами и сплавами находят различные материалы, такие как пластмассы, резина, стекло, композиционные материалы, керамика, клеевые материалы, причем с развитием химии и новых технологий, доля неметаллических материалов в машиностроении постоянно увеличивается. Из неметаллических материалов наибольшее применение находят пластмассы.

1.4.1 Пластмассы

Пластмассы представляют собой многокомпонентные материалы. Они состоят из связующего вещества, наполнителя, пластификатора, красителя, смазывающего вещества, катализатора, ингибитора и других добавок.

Каждый из видов пластмасс имеет какие то особое свойство, такие как хорошую удельную прочность, фрикционность, прозрачность, электро- и теплоизоляционность, химическую стойкость в окружающей атмосфере и агрессивных средах и т. д. Благодаря особым свойствам, в ряде случаев полимеры успешно конкурируют с металлами.

В настоящее время ежегодно производится более 50 млн. тонн пластмасс, а применение одной тонны изделий из пластмасс сберегает до пяти тонн стали или до трех тонн цветных металлов, снижая при этом трудоемкость производства до восьми раз, к тому же детали из пластмасс отличаются высоким коэффициентом использования материала КИМ (до 95 %).

Пластическими массами (пластмассами) называют материалы, основу которых составляют природные или синтетические высокомолекулярные соединения. Высокомолекулярные соединения состоят из большего числа низкомолекулярных соединений (мономеров), связанных между собой силами главных валентных связей. Соединения, большие молекулы (макромолекулы) которых состоят из одинаковых структурных звеньев, называют полимерами.

Пластмассам присущи свойства, выгодно отличающие их от других материалов. К их числу относятся: простота изготовления сложных деталей и изделий с минимальными последующими доработками; малая плотность деталей и изделий, не превышающая 2500 кг/м³(в большинстве случаев от 1000 до 1300 кг/м³); высокая удельная прочность, вибрационная устойчивость, фрикционные и антифрикционные свойства; высокая устойчивость против атмосферных воздействий и агрессивных сред; хорошие диэлектрические, звуко- и теплоизоляционные свойства; свето- и радио прозрачность.

Пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты) которые при повышенных температурах проявляют разное поведение. Основными технологическими свойствами пластмасс являются текучесть, усадка, скорость отвердевания (реактопластов) и стабильность (термопластов).

Текучесть – способность материала заполнять форму при определенной температуре и давлении, зависит от вида смолы, содержания в ней наполнителя, пластификатора, смазки, а также от конструктивных особенностей пресс-формы. Для термопластичных (ненаполненных) материалов за показатель текучести принимают «индекс расплава» – количество материала, выдавливаемого через сопло экструзионного пластометра в единицу времени.

Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьшение размеров детали по сравнению с размером полости пресс-формы. В абсолютной величине усадки наибольшую долю составляет разница между коэффициентами линейного расширения материала пресс-формы и материала пластмассовой детали. Величина усадки зависит от физико-химических свойств связующей смолы, количества и природы наполнителя, содержания в нем влаги и летучих веществ, температурного режима переработки и других факторов. Усадку необходимо учитывать при проектировании пресс-форм.

Скорость отвердения это продолжительность процесса перехода термореактивного материала из высокоэластичного или вязкотекучего состояния в состояние полной полимеризации. Скорость отвердения (полимеризации) зависит от свойств связующего (термореактивной смолы) и температуры переработки. Низкая скорость отвердения увеличивает время выдержки материала в пресс-форме под давлением и снижает производительность процесса. Повышенная скорость отвердения может вызвать преждевременную полимеризацию материала в пресс-форме, в результате чего отдельные участки формующей полости не будут заполнены прессматериалом, и деталь пойдет в брак.

Под термостабильностью понимают время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложения. Высокую термостабильность имеет полиэтилен, полипропилен, полистирол и др. Для материалов с низкой термостабильностью (полиформальдегид, поливинилхлорид и др.) необходимо предусматривать меры, предотвращающие возможность разложения их в процессе переработки, например, увеличение сечения литников, диаметра цилиндра и т. д.

Механические свойства пластмасс характеризуются вязкоупругим поведением полимеров под нагрузкой. Подбором отдельных компонентов и их соотношений материалу придается желаемая совокупность свойств.

Конструкционные пластмассы по механической прочности подразделяют на три основные группы: с низкой, средней и высокой прочностью.

К группе пластмасс низкой прочности относят полиэтилены, фторопласты и др. Из полиэтилена изготовляют трубы, детали для вентиляционных установок, гальванических ванн, центробежных насосов для кислот и щелочей и т. д. Фторопласты (фторопласт-4, фторопласт-3. фторопласт-40) отличаются высокой химической стойкостью, тепло- и морозоустойчивостью и высокими диэлектрическими свойствами. Детали, изготовляемые из этих материалов, способны работать в агрессивных средах и при значительных колебаниях температуры.

Специальными технологическими методами удается изменять стандартные свойства пластмасс. Так, быстрое охлаждение отпрессованных изделий повышает поверхностную твердость и общую прочность материала; выдержка их в термостате повышает стабильность размеров.

Термореактивными называют пластмассы (реактопласты), которые при нагревании сначала переходят в вязкотекучее состояние, а затем, вследствие химических реакций, превращаются в твердое неплавящееся вещество. Такие пластмассы используются однократно. Реактопласты прочнее термопластов, более жестки и их свойства меньше зависят от температуры.

Полимеры, способные образовывать пространственные структуры, служат основной термореактивных пластмасс (реактопластов).

При поликонденсации высокомолекулярное соединение возникает в результате реакций замещения или обмена между функциональными группами мономеров, сопровождающихся отщеплением воды, аммиака, спирта и др.

Термопластичными называют пластмассы (термопласты), которые способны размягчаться при многократных нагревах и затвердевать при охлаждении без изменения свойств. Переход термопластов из одного физического состояния в другое может осуществляться неоднократно без иизменения химического состава.

1.4.2 Резиновые материалы

Резина как конструкционный материал обладает рядом важных технических свойств: высокими эластичностью, сопротивлением разрыву, износу, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, ценными электрическими свойствами, малой плотностью и т.д. Высокая эластичность, способность к большим обратимым деформациям, стойкость к действию активных химических веществ, малая водо- и газопроницаемость, хорошие диэлектрические и другие свойства резины обусловили ее применение во всех отраслях народного хозяйства. Резиновые технические изделия применяют для подачи воды, жидкого топлива, кислот, масел, газа и воздуха (рукава напорные и всасывающие); сальники, манжеты, прокладочные кольца и уплотнители – для уплотнения подвижных и неподвижных соединений, для электроизоляции (детали слаботочной и высокочастотной аппаратуры, изоляционные трубки). При изготовлении резиновых технических изделий используют резины, текстиль, металлическую арматуру (камеры и покрышки автомобиля).

Резиновые материалы классифицируют по виду сырья, по технологическим методам переработки в зависимости от тех или иных параметров:

– по твердости – пористые, мягкие, особоэластичные, средней твердости, твёрдые, высокой твёрдости, жесткие;

– по назначению – универсальные и специальные (химически стойкие, маслостойкие, тепло- и морозостойкие, газопроницаемые и электростойкие;

– по технологии изготовления – клеевые, литые, формованные, штампованные;

– по типу конструкции изделий – шинные, камерные, рукавные.

В зависимости от назначения и требуемых эксплуатационных свойств резины деляг на две большие группы: общего назначения, используемые в производстве шин, ремней, рукавов, амортизаторов и т.д. и специальные – обладающие специальными свойствами (морозо- или теплостойкие, газонепроницаемые, диэлектрические, стойкие к маслу или радиации и т.д.).

Резины также подразделяют на мягкие (для изготовления шин, прокладок и других технических изделий), жесткие или эбонитовые (для электротехнических деталей и химически стойких элементов), пористые или губчатые (для амортизаторов, сидений и т. д.), пастообразные (для герметизации и уплотнения).

Основой резиновых смесей служит каучук. Его подвергают горячей или холодной обработке (вулканизации) – для придания материалу требуемой прочности, упругости и т. д. В качестве вулканизирующего вещества в каучук вводят до 3 % серы. Для ускорения вулканизации вводят до 1,5 % ускорителей (оксид магния, цинка и др.). Количество серы определяет эластичность резиновых деталей. Например, мягкие резины содержат от 1 до 3 % серы, твердые (эбонит) – до 30 % серы. Процесс вулканизации происходит под температурным воздействием (горячая вулканизация) или без температурного воздействия (холодная вулканизация).

1.4.3 Композиционные материалы

Принципиальное значение замены металлов на КМ состоит в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически равными во всех направлениях свойствами появляется возможность применять большое число новых материалов, различающихся свойствами в зависимости от направления ориентации наполнителя в материале (анизотропия свойств КМ). Это различие свойств КМ является регулируемым и у конструктора появляется возможность направлено создавать КМ под конкретную конструкцию в соответствии с особенностями ее эксплуатации и действующими нагрузками.

Композиционные материалы – это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим – упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна – стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет от 20 до 80 % по объему. Композиционные материалы являются гетерофазными материалами. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения. При производстве труб используют такие композиционные материалы как ткань пропитанную резиной или смолами, железобетон.

Использование КМ в конструкциях позволило уменьшить массу изделия до 40 %, увеличивая полезную нагрузку.

В настоящее время КМ применяют в энергетическом машиностроении, химической промышленности (автоклавы, цистерны, емкости).

Правильно спроектированная и хорошо изготовленная конструкция из КМ более совершенна, чем такая же конструкция выполненная из металлов. Само создание изделий из КМ является примером единения конструкции и технологии. При этом КМ, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изготовлением изделия со свойствами в значительной степени зависящими от параметров технологического процесса.

1.4.4 Керамические материалы

Керамические материалы обладают такими специфическими свойствами как высокая химическая стойкость, простота изготовления, низкая стоимость, огнеупорность. Изделия из керамических материалов характеризуются химической основой и методами их получения и бывают:

– из Al₂O₃(из глинозема или корунда), для изделий, работающих при высоких температурах (лабораторная посуда, элементы термопар и т. д.);

– из СаО – изготавливают изделия электротехнической промышленности, трубы для орошения.

1.4.5 Древесные материалы

Все древесные материалы относятся к классу волокнистых органических веществ с капилярно-пористой структурой. Деревянные трубы являлись одними из первых естественных труб полученных из ствола бамбука. Широкая доступность, а также ряд положительных свойств, как высокая механическая прочность, малый объёмный вес, лёгкая обрабатываемость, позволили широко использовать древесные материалы в различных отраслях промышленности.

Продолжить чтение