В машиностроении для изготовления деталей используют различные материалы: черные и цветные металлы и сплавы, порошковые, композиционные, резинотехнические, лакокрасочные материалы, пластмассы и др.
Наибольшее распространение получили стали и чугуны.
Сталь — это многокомпонентный сплав с содержанием ут- леродадо 2,14%.
Чугун — сплав с содержанием углерода более 2,14 % и некоторым количеством кремния, марганца и других элементов.
По области применения различают следующие виды сталей: строительные, конструкционные общего и специализированного назначения, инструментальные с особыми химическими свойствами, с особыми физическими свойствами.
По содержанию вредных примесей (серы и фосфора) стали подразделяют на четыре группы:
группа А — сталь обычного качества с самыми низкими механическими свойствами;
группа Б — качественная сталь;
группа В — высококачественная сталь;
группа Г — особо высококачественная сталь.
Для маркировки стали в России используется буквенно-числовая система.
Углеродистые качественные конструкционные стали маркируются двузначным числом, обозначающим содержание углерода в сотых долях процента (сталь 45 — 0,45 % углерода).
Углеродистые инструментальные стали маркируются буквой У и цифрой, указывающей содержание углерода в десятых долях процента (сталь У8 — 0,8 % углерода).
Легированные стали обозначаются следующим образом: сталь асЛ/а/А^Ш), где ас — содержание углерода в сотых долях процента (при содержании углерода более 1 % цнфру опускают); Л,- — обозначение легирующего элемента (азот — А, алюминий — Ю, бор — вольфрам — В, ванадий — Ф, кобальт — К, кремний — С, молибден — М, марганец — Г, медь — Д, никель — Н, редкоземельные металлы — Ч, селен — Е, титан — Т, фосфор — П, хром — X, цирконий — Ц); а, — содержание легирующего элемента в процентах. Если после обозначения легирующего элемента цифра не стоит, то его содержание примерно I %. Буква А в конце марки стали обозначает высококачественную сталь, буква Ш — особо высококачественную. Например, сталь 12ХНЗА — высококачественная сталь, содержит 0,12 % углерода, 1 % хрома, 3 % никеля.
Некоторые стали содержат дополнительную букву после слова «сталь», обозначающую ее группу или тип, например Ш — подшипниковая сталь, А — автоматная сталь.
Качественные углеродистые стали по содержанию углерода подразделяют на низкоуглеродистые (содержание углерода 0,25%), среднеуглеродистые (содержание углерода 0,3…0,5 %), высокоуглеродистые (содержание углерода 0,6…0,85 %).
Низкоуглеродистые стали обладают невысокой прочностью, высокой пластичностью, их применяют для ответственных сварных конструкций и для деталей, упрочняемых цементацией.
Среднеуглеродистые стали (сталь 30 — сталь 45) применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки. Такие стали имеют более высокую прочность и лучше обрабатываю 1ся резанием. Их применяют для изготовления мелких деталей, так как они имеют небольшую прокаливаемость.
Высокоуглеродистые стали (сталь 60 — сталь 85) обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругостью, поэтому их используют для изготовления деталей, работающих при высоких статических и динамических нагрузках.
Низколегированные стали, широко используемые в авто- и тракторостроении, выпускают в виде проката, арматуры, гладкого или периодического профиля, поковок или штамповок.
Улучшаемые стали (легирование: хром, марганец, молибден, ванадий) имеют высокую вязкость и высокий предел текучести, обеспечиваемые сквозной прокаливаемостью и мелкозернистой структурой. Такие стали применяют для изготовления коленчатых валов, зубчатых колес, шатунов, гильз цилиндров и т п
Цементируемые стали содержат 0,1 …0,3 % углерода, обладают высокой твердостью и износоустойчивостью поверхностного слоя, высокой прочностью и вязкостью, хорошо воспринимают цементацию и нитроцементаиию. Из этих сталей изготавливают кулачковые муфты, кулачки, зубчатые колеса, поршневые пальцы, втулки, коленчатые и распределительные валы и т.п.
Автоматные стали (сталь AI2 — АС14ХГН) применяют при обработке заготовок на станках-автоматах с автоматическим циклом. Обычно эти стали идут на изготовление метизов (болтов, гаек, шпилек, винтов).
Подшипниковые стали (сталь ШХ6 — ШХ15СГ) используют для изготовления подшипников качения, храповых механизмов, роликов, пальцев машин.
Рессорно-пружинные стали (60С2 — 50ХГ) имеют высокий предел упругости и предел выносливости, их используют в основном для изготовления пружин и рессор.
Чугун и отличие от стали имеет структуру, в которой углерод находится с связанном и свободном состоянии. Чугун обладает высокой твердостью, низким пределом прочности на растяжение и хорошими демпфирующими свойствами. В машиностроении чаше всего его применяют в виде отливок из серого, высокопрочного, легированного и ковкого чугунов.
Серый чугун содержит свободный углерод в виде пластинок, его применяют для изготовления малоответственных деталей сельскохозяйственных машин.
Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун чистого магния (0,3.. 1 %) и церия (до 0,05 %), что повышает его предел прочности на растяжение. Для повышения прочности и создания специальных чугунов (жаростойких, коррозионно-стойких) их легируют хромом, никелем, читаном, марганцем, медью, алюминием, свинцом и подвергают отжигу, закалке, отпуску. Высокопрочные чугуны применяют в машиностроении для ответственных изделий (корпусов подшипников, картеров коробок передач, коленчатых палов и т.д.).
Ковкий чугун получают длительным отжигом тонкостенных (до 50 мм) отливок из белого чугуна Его не куют, но он достаточно пластичен. Ковкий чугун содержит свободный хлопьевидный графит и по свойствам занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. В машиностроении его применяют как заменитель стали при изготовлении зубчатых колес, звездочек, звеньев цепей.
Особое место среди конструкционных материалов занимают цветные металлы и сплавы, широко используемые в автостроении вместо черных металлов К ним относятся сплавы на основе алюминия, сплавы на основе меди и антифрикционные сплавы.
Для алюминиевых сплавов характерна относительно большая удельная прочность, близкая к характеристикам среднелегированных сталей. Их подразделяют на литейные и деформируемые. Первые имеют хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, малую усадку), хорошо обрабатываются резанием. Вторые обладают удовлетворительной пластичностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются резанием. Большая часть сплавов может упрочняться термообработкой. Деформируемые сплавы в основном применяют для сварных и клепаных соединений элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки, но требующих высокого сопротивления коррозии (бензобаки, емкости, настилы).
Наиболее высокими механическими свойствами обладают сплавы на основе меди: бронза — сплав меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием и другими элементами; латунь — сплав меди с цинком.
Традиционная маркировка имеет следующий вид. Латуни обозначаются буквой Л, бронзы — Бр. Например, Бр04Ц4С17 — бронза литейная, олово — 4%, цинк — 4 %, кремний — 17%, остальное — мель.
Область применения латуни — трубы, полосы, прутки, мелкие поковки, втулки, сепараторы, винты, лопасти, коррозионно-стойкие детали. Бронзу используют для арматуры, пружин, антифрикционных деталей, вкладышей подшипников и т.д.
Латунь и бронза могут быть литейные и деформируемые.
Антифрикционные сплавы применяют для заливки подшипников скольжения. Такие сплавы имеют низкий коэффициент трения, достаточно пластичны и прочны. Их прочность не должна превосходить прочность установленных в подшипник валов. Применяют сплавы на основе олова или свинца (баббиты), меди, алюминия, цинка.
Баббиты обозначаются буквой Б, далее ставится цифра, показывающая процентное содержание олова, или буква, характеризующая специальный элемент, входящий в сплав.
Для изготовления вкладышей подшипников, работающих при высоких давлениях (более 1 ООО МПа), применяют свинцовую бронзу (БрСЗО).
К неметаллическим конструкционным материалам относятся полимерные материалы (органические и неорганические) — пластмассы, композиционные материалы, каучуки и резины, клеи и герметики, лакокрасочные покрытия, стекло, керамика.
