1. Рессорсно-пружинныестали
Пружины,рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформацииматериала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклическихнагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечениевысоких значений пределов упругости, текучести, вынослиости, а такженеобходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.
Стали дляпружин и рессор содержат 0,5–0,75% С, их также дополнительно легируют:
– кремнием(до 2,8%),
– марганцем(до 1,2%),
– хромом(до 1,2%),
– ванадием(до 0,25%),
– вольфрамом(до 1,2%),
– никелем(до 1,7%);
При этомпроисходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления сталималым пластическим деформациям, а следовательно, её релаксационной стойкости.
Широкоеприменение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А. Однако, онимогут подвергаться обезуглероживанию, графитизации, резко снижающимхарактеристики упругости и выносливости материала. Устранение указанныхдефектов, а также повышение прокаливаемости и торможение роста зерна при нагреведостигается дополнительным введением в кремнистые стали хрома, ванадия,вольфрама и никеля.
Лучшимитехнологическими свойствами, чем кремнистые стали, обладает сталь 50ХФА, широкоиспользуемая для изготовления автомобильных рессор. Клапанные прижины делают изстали 50ХФА, не склонной к обезуглерожианию и перегреву, но имеющей малуюпрокаливаемость.
Термическаяобработка легированных пружинных сталей (закалка 850–880°С, отпуск 380–550°С) обеспечивают получениевысоких пределов прочности и текучести. Применяется также изотермическаязакалка.
Максимальныйпридел выносливости получают при термической обработке на твердость HRC 42–48.
Дляизготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) извысокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.
Пружины идругие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистыхмартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитныхнержавеющих (12Х18Н10Т), аустенситно-мартенситных (09Х156Н8Ю) и др. сталей исплавов.
Изготовляютсогласно ГОСТ 14959–79
Сталь: 65,70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г, 55С2, 60С2, 70С3А, 60С2Г, 50ХГ, 50ХГА, 55ХГР,50ХФА, 51ХФА, 50ХГФА, 55С2ГФ, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А, 70С2ХА.
Заменители некоторыхмарок стали:
Сталь 65Г –70, У8А, 70Г, 60С2А, 9ХС, 50ХФА, 60С2, 55С2;
Сталь 50ХФА –60С2А, 60ХГФА, 9ХС.
Назначениерессорсно-пружинной стали:
– 60С2,60С2А – для рессор из полосовой стали толщиной 3 – 16 мм и пружинной лентытолщиной 0,08 – 3 мм; для витых пружин из проволоки диаметром 3 – 16 мм.Обрабатываются резанием плохо. Максимальная температура эксплуатации 250°С.
– 70ЗА –для тяжелонагруженных пружин ответственного назначения. Сталь склонна к графитизации.
– 50ХГ,50ГА – для рессор из полосовой стали толщиной 3–18 мм. Обрабатываетсярезанием плохо.
– 50ХФА,50ХГФА – для ответственных пружин и рессор, работающих при повышеннойтемпературе (до 300°С), для пружин, подвергаемых многократнымпеременным нагрузкам.
– 60С2ХА– для крупных высоконагруженных пружин и рессор ответственного назначения.
– 60С2Н2А,65С2ВА – для ответственных высоконагруженных пружин и рессор, изготовляемых изкалиброванной стали и пружинной ленты.
2.Шарикоподшипниковые стали
Дляобеспечения работоспособности изделий, шарикоподшипниковая сталь должнаобладать высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Этодостигается повышением качества металла: его очисткой от неметаллическихвключений и уменьшением пористости посредством использования электрошлаковогоили вакуумно-дугового переплава.
Приизготовлении деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш),хромистые (Х) стали ШХ15СГ (последующая цифра 15 указывает содержание хрома вдесятых долях процента – 1,5%). ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием имарганцем для повышения прокаливаемости. Отжиг стали на твёрдость порядка 190НВ обеспечивает обрабатываемость полуфабрикатов резанием и штампуемость деталейв холодном состоянии. Закалка деталей подшипника (шариков, роликов и колец)осуществляется в масле с температур 540–560°С. Перед отпускомдетали охлаждают до 20–25°С для обеспечения стабильности их работы (за счетуменьшения количества остаточного аустенита). Отпуск стали проводят при 150–170°С в течении 1–2 ч.
Деталиподшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливаютиз сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей их цементацией и термическойобработкой. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и другихагрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95% С и 18% Сr.
Изготавливаетсясогласно ГОСТ 801–78.
Сталь: ШХ15,ШХ4, ШХ15СГ, ШХ20СГ.
В обозначениимарок стали буквы и цифры означают:
– Ш вначале марки – подшипникова;
– Х –легированная хромом;
– 4, 15,20 – массовая доля хрома (0,4%: 1,5%; 2,0%);
– СГ –легированная кремнием и марганцем;
– Ш вконце марки – полученная методом электрошлакового переплава;
– В вконце марки – изготовленная вакуумированием.
Стальизготовляют круглого, квадратного и прямоугольного сечений в прутках, полосах имотках.
Горячекатанаяи калибрированная сталь по требованиям к качеству поверхности в зависимости отдальнейшей обработки подразделяется на группы:
– ОХ –для холодной механической обработки (обточка, фрезерование, выточка и др.);
– ОГ –для горячей обработки давлением;
– ХВ –для холодной высадки;
– ХШ –для холодной штамповки;
По состояниюматериала:
– безтермической обработки;
– термическиобработанная (отожженная) – О.
Назначение:для изготовления деталей, работающих под воздействием сосредоточенного ипеременного напряжений, возникающих в зоне контакта шариков и роликов сбеговыми дорожками колец подшипников качения.
Основныетребования определяются назначением:
1. Высокаястатическая грузоподъемность, т.е. способность выдерживать высокую нагрузку сминимальной деформацией (
2. Высокаяконтактная усталостная прочность. Зависит, прежде всего, от наличия в сталинеметаллических включений. Они, обладая высокой хрупкостью, разрушаются и даютначало для появления усталостной трещины, поэтому, для повышения стойкостистали против контактной усталости, применяют дополнительную очистку стали отвредных примесей.
3. Высокаятвердость.
4. Высокаяизносостойкость. Эти два требования зависят от содержания карбидов в стали.Наличие карбидов хрома влияет на твердость и износостойкость.
5. Сквознаяпрокаливаемость. Глубина прокаленного слоя – 95% мартенсита. Для повышения прокаливаемостивводят Cr, Mn, Si. Si затрудняет распад мартенсита при отпуске. Это дополнительносохраняет твердость.
3. Автоматныестали
Автоматнаясталь, сталь с повышенным содержанием серы и фосфора, предназначенная дляизготовления деталей на металлорежущих скоростных станках-автоматах иполуавтоматах. Она производится в виде прутков и содержит в процентах:
– углерода– 0,08–0,45;
– кремния– 0,15–0,35;
– марганца– 0,6–1,55;
– серы –0,08–0,30;
– фосфора– 0,05–0,16.
Повышенноесодержание серы приводит к образованию включений (сульфида марганца и др.),расположенных вдоль волокон, что облегчает резание и способствует дроблению илёгкому отделению стружки. Для этих же целей автоматная сталь иногда легируетсвинцом и теллуром. Механические свойства вдоль волокон (в зависимости от маркистали и диаметра прутка) характеризуется следующими показателями: горячекатаныепрутки – предел прочности sв = 420–750 Мн/м2 (42–75 кгс/мм2), относительное удлинение d = 14–22%, дляхолоднотянутых нагартованных прутков sв = 520–840 Мн/м2 (52–84 кгс/мм2), d = 6–17%. Механическиесвойства в поперечном волокну направлении существенно понижены. Пластичность ивязкость автоматной стали, благодаря присутствию серы и фосфора, ниже, чем уобычных углеродистых сталей. Свариваемость плохая. Детали из неё обычноприменяются без термической обработки или только с отпуском для снятиянапряжения. Используются главным образом для изготовления болтов, гаек,некоторых деталей автомобилей, приборов и пр.
Эти сталимаркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержаниеуглерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, тообозначение марки начинается с сочетании букв «АС». Чтобы не проявляласькрасноломкость, в сталях увеличено количество марганца. Добавление в автоматныестали свинца, селена и теллура позволяет в 2–3 раза сократить расход режущегоинструмента.
Улучшениеобрабатываемости достигается модифицированием кальцием (вводится в жидкую стальв виде силикокальция), который глобулизирует сульфидные включения, чтоположительно влияет на обрабатываемость, но не так активно, как сера и фосфор.
Сера образуетбольшое количество сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки.Сульфиды оказывают смазывающее действие, нарушая при этом сплошность металла.Фосфор повышает хрупкость феррита, облегчая отделение стружки металла во времяпроцесса резания. Оба эти элемента способствуют уменьшению налипания на режущийинструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой поверхности.
Однако,необходимо помнить, что повышение содержания серы и фосфора снижает качествостали. Стали, содержащую серу, имеют ярко выраженную анизотропию механическихсвойств и пониженную коррозийную стойкость.
Стали А11,А12, А20 используют для крепежных деталей и изделий сложной формы, неиспытывающих больших нагрузок, но к ним предъявляются высокие требования поточности размеров и чистоты поверхности.
Стали А30 иА40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения.
Свинецсодержащие стали широко применяют для изготовления деталей двигателя.
В автоматныхселено содержащих сталях повышается обрабатываемость за счет образованияселенидов, сульфоселенидов, которые обволакивают твердые оксидные включения итем самым устраняют их истирающее действие. Кроме того, селениды сохраняютглобулярную форму после обработки давлением, поэтому практически не вызываютанизотропии свойств и не ухудшают коррозионную стойкость стали, как сера.Применение этих сталей снижает расход инструмента в два раза и до 30% повышаетпроизводительность.
4. Хромоникелевыестали
Состав исвойства хромоникелевой стали.
Сталь AISI 304. Базовая аустенитнаянержавеющая сталь (аналог 08Х18Н9). Превосходные показатели по свариваемости.При длительном использовании при температуре от 450–850°С в стали можетразвиваться процесс МКК. Данная сталь является основной сталью для пищевойпромышленности.
Сталь AISI 304L. Полный аналог стали AISI 304, но содержаниеуглерода менее 0,03%, что гарантирует минимальную склонность к МКК даже притемпературе 450–850°С. Данная сталь является основной сталью дляпищевой промышленности.
Сталь AISI 321. Аналог стали08Х18Н10Т. При достаточно высоком содержании углерода для защиты от МККприменяется легирование титаном. Возможно длительное использование притемпературе 700–800°С. Данная сталь активно применяется вмашиностроении и нефтехимии.
Сталь AISI 316. Данная стальсодержит 2–3% молибдена, что обеспечивает прекрасную устойчивость противкоррозии в агрессивных средах. При критических температурах (порядка 800°С) возникает опасностьМКК. Данная сталь является основной сталью для пищевой промышленности.
Сталь AISI 316L. Аналог стали AISI 316, но с добавлениемтитана, что обеспечивает защиту от МКК даже в диапазоне критических температур800–850°С. Даннаясталь активно применяется в машиностроении и нефтехимии.
Стальхромоникелевая и хромоникелевая с бором.
Совместноеприсутствие в стали хрома и никеля придает её наилучший комплекс механических итехнологических свойств, в первую очередь высокую прочность, вязкость,прокаливаемость. Однако, из-за дифицитности никеля производство данной сталиуменьшается.
Хромоникелеваясталь (марки 12ХН2, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХНЗА, 20Х2Н4А, 20ХН) и хромоникелеваясталь с бором (марка 20ХНР) применяются после цементации, закалки и низкогоотпуска для изготовления крупных деталей особо ответственного назначения,испытывающих в процессе эксплуатации значительные ударные нагрузки.
Одновременноелегирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкостьцементированного слоя и сердцевины.
Высокаяпрокаливаемость и закаливаемость хромоникелевых сталей позволяет закаливатькрупные детали с охлаждением в масле, что снижает вероятность возникновениякоробления и закалочных трещин. Бор увеличивает прокаливаемость стали марки20ХНР.
Хромоникелеваясталь малочувствительная к перегреву при длительной цементации. С цельюэкономии никеля при изготовлении ответственных деталей небольших размеровпроизводят замену сталей, содержащих 2,75–3,65% никеля (марки 12ХНЗА, 20ХНЗА идр.), более дешевыми сталями марок 20ХН и 20ХНР. Сталь данной группы склонна котпускной хрупкости, имеет ограниченную свариваемость.
Ряд сталейданной группы применяется и без цементации, после закалки и отпуска.
Хромоникелеваясталь (марки 40ХН, 45ХН, 50ХН, 30ХНЗА) высокой прочности, повышенной вязкости иглубокой прокаливаемости применяется после нормализации, улучшения, закалки инизкого отпуска и поверхностного упрочнения ТВЧ для изготовления крупных особоответственных деталей, работающих при наличии ударных и вибрационных нагрузок.Сталь марки 30ХНЗА – ограниченно свариваемая, остальные – трудносвариваемые.
Если сталькроме Cr содержит еще Ni, Mn, Mo, то ее структура из ферритной может изменитьсяна ферритно-аустенитную или даже на чистую аустенитную. Т.е. после охлажденияна воздухе сталь сохраняет аустенитную структуру, которая не меняется ни прикаких вариантах термообработки. При содержании Ni>10% сталь становитьсяаустенитной. Аустенит позволяет получить не только коррозионную стойкость, нотак же и высокие технические свойства. Сталь хорошо поддается обработкедавлением, сварке, сохраняет свойства до 600–700°С, не охрупчивается, нечувствительна к хладколомкости, но сталь склонна к межкристаллитной коррозии иее невозможно упрочнять закалкой. Термообработка: закалка + отжиг.
И послесварки и после отжига структура одинаковая, одинаковые свойства. Закалкеподвергают тонкостенные изделия простой формы и небольшого размера. Температураи закалки, и отжига одинакова и зависит от состава стали. Если сталь содержиттолько Cr, Ni, то температура не должна превышать 950–1000°С. Увеличениетемпературы вызывает резкий рост зерна и снижение характеристик. Охлаждение призакалке должно быть таким, чтобы не попасть в область выделения карбидов Cr. Уменьшение стоимостихромоникелевых сталей можно добиться, если вместо Ni вводить Mn. Для того, чтобыстабилизировать структуру, необходимо, чтобы Cr15%. Если условие невыполняется, то мы получаем сталь с неустойчивым структурным состоянием. Дляполучения стабильной аустенитной структуры Ni заменяют частично(10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4г9). Термообработка принципиально не отличается оттермообработки хромоникелевых сталей. Такой недостаток хромоникелевых сталей,как склонность к росту зерна, можно устранить, используя для сварных деталейстали ферритно-аустенитного класса (15Х22Н5М5Т) или аустенитно-мартенситногокласса (08Х15Н5Д2Т). Стали аустенитно-мартенситного класса обладают повышеннойтвердостью. Чисто аустенитные стали склонны к коррозии под напряжением. Дажесамые лучшие аустенитные стали оказываются недостаточно стойкими при контакте скислотами. Поэтому разработаны коррозийно-стойкие сплавы: Fe – Ni – Cr (04ХН40МДТЮ). Ni – Cr (ХН45В). Ni – Мо (Н70МФ). Cr – Ni – Мо (ХН65МВ).
5. Хромистыестали
Хром вкачестве легирующего элемента получил широкое применение, так как онотносительно дешев и благоприятно влияет на механические свойсва стали.
Хромистаяцементуемая сталь (марки 15Х, 15ХА, 20Х) из-за неглубокой прокаливаемостиприменяется для изготовления деталей небольшого сечения, работающих на износ вусловиях трения при средних нагрузках. По сравнению с углеродистыми хромистыестали имеют более высокую прочность цеменованного слоя и серуевины принесколько меньшей пластичности серцевины. После цементации (900–920°С) стали обычноподвергают закалке и низкому отпуску. Цементация с двойной закалкой, хотя иобеспечивает наиболее высокие свойства сердцевины, на практике применяетсяредко, ибо при данной обработке увеличивается коробление изделий, что требуетправки или повышения припуска на окончательную механическую обработку.
Хромистаяцементуемая сталь несклонна к отпускной хрупкости, хорошо обрабатываетсярезанием и имеет неограниченную свариваемость.
Хромистаяулучшаемая сталь (марки 30Х, 30ХРА, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х) также имеет болеевысокую прочность по сравнению с соответствующей углеродистой. Сталь даннойгруппы склонна к отпускной хрупкости. Стали марок 45Х и 50Х склонны кобразованию трещин при закалке в воде.
Введение вхромистые стали бора увеличивает их прокаливаемость, но несколько повышаетпорог хладноломкости.
Детали изхромистой стали, работающие на износ в условиях трения, подвергаютцианированию.
6. Винтовыемеханизмы и резьбы
Винтовыемеханизмы предназначены для преобразования вращательного движения впоступательное, реже – для превращения поступательного движения вовращательное. Последнее возможно только в том случае, когда угол подъема резьбыдостаточно велик и передача несамотормозящаяся. Основными деталями такихмеханизмов являются винт и гайка.
Обозначим шагрезьбы винта tв.За n оборотов винта гайка,движущаяся только поступательно, пройдёт расстояние S = n*tв.
Если известенпуть гайки Sи требуется определить число n оборотов винта, то n = S/ tв = 25\10 = 2,5 оборота.
Гайку частоделают разрезной – их двух половин, охватывающих винт с двух сторон. Винтыизготовляют из качественной стали, а гайки – из чугуна или бронзы. Коэффициентполезного действия таких пар достигает h = 0,8 – 0,95.
Ещё большийэффект достигается применением шариковых винтов, которые используют длячервяков рулевого управления автомобилей, для механизмов наводки ракет и ходовыхвинтов станков. Канавки шарикового винта 1 и гайки 4 в осевом сечении имеютполукруглую форму. Непрерывный замкнутый поток шариков 2 заполняет винтовоепространство между жалобами по всей длине гайки. Пройдя его, шарики 2 переходятв округленный трубчатый канал 3, по которому они возвращаются в рабочую зонувинтовой пары. Коэффициент полезного действия шариковой винтовой пары намноговыше, чем у обычной, вследствие резкого снижения трения в резьбе.
Понятие орезьбе
Резьба –винтовая поверхность, образованная на телах вращения и используемая длясоединения, уплотнения или обеспечения заданных перемещений деталей машин имеханизмов. Приемы нарезания резьбы и используемый при этом режущий инструмент– определяющие факторы для вида и профиля резьбы. Резьба может бытьоднозаходной, образованной одной винтовой линией (ниткой), или многозаходной,образованной, соответственно, двумя и более нитками. Направление винтовой линиирезьбы определяет их деление на правые и левые. Шаг резьбы представляет собойрасстояние между соседними одноименными боковыми сторонами профиля внаправлении, параллельном оси резьбы. Нарезание наружной и внутренней резьбытребует различного подхода и использования различных методик.
Наиболеераспространенными соединениями деталей машин являются резьбовые. Широкоеприменение резьбовых соединений в машинах и механизмах объясняется их простотойнадёжностью, удобством регулирования затяжки, а также возможностью их разборкии повторной сборки без замены детали.
Нарезаниемрезьбы называется ее образование снятием стружки (а также пластическимдеформированием) на наружных или внутренних поверхностях заготовок деталей.
У всякойрезьбы различают следующие основные элементы:
– профиль;
– угол ивысоту профиля;
– шаг;
– наружный,средний и внутренний диаметр резьбы.
7.Червячные передачи
Червякпредставляет собой винт со специальной резьбой, в случае эвольвенного профиляколеса форма профиля резьбы близка к трапецеидальной. На практике применяютсяоднозаходные, двухзаходные и четырехзаходные червяки.
Червячноеколесо представляет собой зубчатое колесо. В технологических целях червячноеколесо, как правило, изготовляют составленным из двух материалов:
– венец– из дорогого антифрикционного материала (например из бронзы)
– сердечник– из более дешевых и прочных сталей или чугунов.
Входной ивыходной валы передачи скрещиваются, обычно (но не всегда) под прямым углом.
Функционирование
Передачапредназначена для существенного увеличения крутящего момента и, соответственно,уменьшения угловой скорости. Ведущим звеном является червяк. Червячная передачабез смазки и вибрации обладает эффектом самоторможения и является необратимой:если приложить момент к ведомому звену (червячному колесу), из-за сил тренияпередача работать не будет. Передаточные отношения I червячной передачизакладываются в пределах от 8 до100, а в некоторых приложениях – до 1000.
Достоинства инедостатки
Достоинства:
– плавностьработы;
– бесшумность;
– большоепередаточное отношение в одной паре;
– самоторможение;
– повышеннаякинематическая точность.
Недостатки:
– сравнительнонизкий КПД (целесообразно применять при мощностях не более 100кВт);
– большиепотери на трение (тепловыделение);
– повышенныйизнос и склонность к заеданию;
– повышенныетребования к точности сборки, необходимость регулировки;
– необходимостьспециальных мер по интенсификации теплоотвода.
Классификация
Червякиразличают по следующим признакам:
1. По формеповерхности, на которой образуется резьба:
– цилиндрические
– глобоидные
2. Понапралению линии витка:
– правые
– левые
3. По числузаходов резьбы:
– однозаходные
– многозаходные
4. По формевинтовой поверхности резьбы:
– сархимедовым профилем
– сконволютным профилем
– сэвольвентным профилем
Списоклитературы
1. Справочник по машиностроительнымматериалам, т. 1, Москва 1959 г.
2. Детали машин. Расчет и конструирование.Справочник, 3 издание, том 1, Москва, 1969 г.
3. Ассонов А.Д., Технология термическойобработки деталей автомобиля, Москва, 1958 г.
4. Вяткин Г.П. и др. Машиностроительноечерчение. Москва, 1985 г.
5. Решетов Д.Н. Детали машин, 3издание, Москва 1974 г.
6. Технология металлов и сварка. Под ред. Полухина П.И.,Москва 1977 г.
7. Часовников Л.Д. Передачизацеплением, 2 издание, Москва 1969 г.