Неметаллические материалы

Цветные металлы

Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, титан, магний. Для получения сплавов эти металлы легируют различными элементами (Ni, Zn, Si, B, V и др.). Благодаря этому сплавы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Достоинствами цветных сплавов является хорошая электропроводность, сопротивляемость коррозии, обрабатываемость резанием, высокая жидкотекучесть, износостойкость. Недостатками могут служить низкие механические свойства, склонность к образованию трещин.

1.Баббиты – легкоплавкие сплавы на основе свинца, олова, цинка или алюминия. Он хорошо прирабатывается, не окисляет масло, мало изнашивает вал, стоек против заедания. Отрицательными свойствами будет являться сравнительно низкая температура плавления, хрупкость и высокая стоимость [1, с.322].

2. Медь и ее сплавы. Чистая медь имеет ряд ценных технических свойств. Высокая пластичность, высокая электро- и теплопроводность, малая окисляемость – все это обуславливает широкое применение меди. Кроме того, медь является основой важнейших сплавов – латуней и бронз.

Латуни – сплавы меди с цинком. Они обладают хорошей жидкотекучестью, достаточно дешевые, обладают небольшой усадкой. Различают деформируемые и литейные латуни. Поскольку латуни имеют низкие антифрикционные свойства, применение их для изготовления штанги штангельциркуля представляется проблематичным.

Бронзы - все сплавы меди, кроме латуней и медноникелевых сплавов. Бронзы бывают оловянные и безоловяные, в свою очередь эти две группы делятся на обрабатываемые давлением и литейные. Оловянные бронзы обладают высокими механическими, антифрикционными свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, имеют самую низкую линейную усадку, имеется возможность получения отливок сложной формы. Оловянные латуни являются дорогим конструкционным материалом. Безоловянные бронзы: дешевле оловянных, в зависимости от входящих в их состав легирующих элементов обладают широким спектром свойств.

3. Алюминий и его сплавы. Чистый алюминий обладает следующими свойствами: небольшая плотность, низкая температура плавления, низкая плотность. Вследствие этого алюминий и его сплавы широко применяются там, где малая плотность имеет важное значение. Алюминиевые сплавы по технологическому признаку классифицируются на 3 группы: деформируемые, литейные и спеченные. Эти 3 группы делятся на: неупрочняемые термической обработкой, и упрочняемые. У алюминиевых сплавов достаточно широкие области применения.

4. Сплавы на основе титана. Для титана и его сплавов характерны следующие свойства: невысокая плотность, очень высокая удельная прочность, высокая коррозионная стойкость. Недостатками являются: склонность к взаимодействию газами при высоких температурах, не высокие антифрикционные свойства, невысокая обрабатываемость резанием, невысокий модуль упругости (невысокая стойкость конструкции) [2, с. 345].

Неметаллические материалы

Значительное место в промышленности занимают различные неметаллические материалы – пластмассы, керамика, резина. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности невелико. Достоинствами неметаллических материалов является высокая механическая прочность, высокие электроизоляционные характеристики, оптическая прозрачность, высокая эластичность, химическая стойкость, морозостойкость, износостостойкость. Недостатками же является низкая твердость, низкая ударная вязкость, склонность к старению.

Теперь каждую группу материалов рассмотрим с точки зрения применимости для изготовления штанги штангельциркуля и подберем ориентировочный химический состав.

Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов.
Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.

По способу производства различают мартеновскую, бессемеров­скую, томасовскую, кислородно-конвертерную, тигельную и элек­тросталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различа­ют сталь основную и кислую.
По химическому составу различают стали углеродистые и леги­рованные. Углеродистые стали по содержанию в них углерода под­разделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода до­полнительно вводят элементы для придания стали тех или иных свойств.
По назначению стали делят на конструкционные, инструменталь­ные и с особыми физическими и химическими свойствами - специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жа­ростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.

Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% С; машиностроительные цементируемые - от 0,025 до 0,3% С, улуч­шаемые термообработкой – от 0,3 до 0,5% С, пружинные - от 0,5 до 0,8% С, инструментальные - от 0,7 до 1,3% С.

Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.
В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается изношенное содержание вредных примесей, а также газонасыщен­ность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их наплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преиму­щественно используются в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изго­товления металлоконструкций различного назначения.
Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), по­топывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв сп, в полуспокойных — пс, в ки­пящих — кп. Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и полуспокойными производят стали СТ1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4. (таль СтО по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С < 0,23%), серы (S < 0,06%) и фосфора (Р<0,07%). В остальных марках регламентировано содержание С, Mn, Si, S, Р, а также As и Р.
Для всех сталей, кроме СтО, справедлива следующая формула: С(%) 0,07 номер марки. Так, в стали СтЗ содержание 0,07 - 0,21 % (фактически 0,14-0,22%).

Концентрация марганца возрастает от 0,25-0,50% в стали Ст1 до 1,50-0,80% в стали Стб. Три марки стали производят с повышен­ным (0,80-1,1%) содержанием марганца, на что указывает буква Г и марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.
Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: в кипящих - не более 0,05%, у полуспокойных - не более 0,15%, у спокойных - не более 0,30%.

Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а, следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости t₅₀. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпс и СтЗкп он составляет - 10; 10 и 0 соответствен­но. Для этих сталей химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.

Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодо­рожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей подвергают термическому упрочнению.

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкно­венного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и меха­ническими свойствами. Маркируют их двухзначными числами: 08,10,15,20,...,60, обозначающими среднее содержание \ I порода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88).
Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и I мнящие - с индексами соответственно пс и кп. Кипящими про­изводят стали 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными — 0,8 пс,10пс, 15пс, 20пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,03%); в полуспокойных его количество ограничено 0,05-0,17%.
Содержание марганца повышается по мере увеличения концен­трации углерода от 0,25 до 0,80%. Содержание азота для сталей, перерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006%; для остальных сталей-0,008%.
ГОСТ 1050-88 гарантирует механические свойства углеродистых качественных сталей после закалки и отпуска, нагартовки или тер­мической обработки, устраняющей нагартовку, — отжига или высо­кого отпуска.
Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы:
- малопрочные и высокопластичные стали 08,10. Из-за способ­ности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штам­повки различных изделий. Без термической обработки в горя­чекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокла­док, кожухов и других деталей, изготовляемых холодной дефор­мацией и сваркой;

- цементуемые — стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочня­ется слабо. Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при тем­пературе от 40 до +425 °С.

Среднеуглеродистые стали 30,35,40,45,50,55 отличаются боль­шей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглероди­стые.

Наиболее распространенная группа нержавейки A2 = X 5 CrNi 18 10 = углерод-0,05% хром-18% никель-10%.

Вторая по распространенности группа нержавейки A4 = X 5 CrNiMo 17 12 2 = углерод-0,05% хром-17% никель-12% молибден-2%.

Низколегированные инструментальные стали содержат д о 2,5% легирующих элементов, имеют высокую твердость (HRC 62-69), значительную износостойкость, но малую теплостойкость (200-260°С). В отличие от углеродистых сталей их используют для изготовления инструмента более сложной формы.

В низколегированных сталях X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ основной легирующий элемент - хром. Сталь X легирована только хромом. Повышенное содержание хрома значительно увеличивает ее прокаливаемость. Сталь X прокаливается в масле полностью в сечении до 25 мм, а сталь У10 - только в сечении до 5 мм. Применяют сталь X для изготовления токарных, строгальных и долбежных резцов. Сталь 9ХС кроме хрома легирована кремнием. По сравнению со сталью X она имеет большую прокаливаемость – до 35 мм; повышенную теплостойкость - до 250-260°С (сталь X до 200-210°С) и лучшие режущие свойства. Из стали 9ХС изготовляют сверла, развертки, фрезы, метчики, плашки.
Сталь ХВГ легирована хромом, вольфрамом и марганцем; имеет прокаливаемость на глубину до 45 мм. Сталь ХВГ используют для производства крупных и длинных протяжек, длинных метчиков, длинных разверток и т. п.

Сталь ХВСГ - сложнолегированная сталь и по сравнению со сталями 9ХС и ХВГ лучше закаливается и прокаливается. При охлаждении в масле она прокаливается полностью в сечении до 80 мм. Она меньше чувствительна к перегреву. Теплостойкость ее такая же, как у стали 9ХС. Сталь ХВСГ применяют для изготовления круглых плашек, разверток, крупных протяжек и другого режущего инструмента.

В зависимости от химического состава можно использовать 2 группы для изготовления штанги штангельциркуля:

1группа: нержавеющие стали:

- Мартенситная сталь (С1). Состав: углерод(С) - 0,20%, магний (Mn) – 1,5%, кремний (Si) – 1,0%, хром (Cr) – 12,0-14,0%.

- Ферритная сталь (F1). Состав: углерод (С) - 0,08%, магний (Mn) – 1,0 %, кремний (Si) – 1,0%, хром (Cr) – 16,0-18,0%.

- Аустенитная сталь (А1…..А5). Состав: углерод (С) - 0,08%, магний (Mn) – 2,0 %, кремний (Si) – 0,75%, хром (Cr) – 18,0-20,0%.,никель (Ni) – 8,0-10,5%.

2 группа: низколедированные инструментальные стали:

- 9 Х С. Состав: углерод (С) 0,85-0,95%, магний (Mn) 0,30-0,6 %, кремний (Si) 1,20-1,60 %, хром (Cr) 0,95-1,25%.

- ХВГ. Состав: углерод (С) 0,90-1,05%, магний (Mn) 0,80-1,10 %, кремний (Si) 0,15-0,35%, хром (Cr) 0,90-1,20%, вольфрам (W) 1,20-1,60 %,

 

 

5. Уточнение химического состава

Проведем анализ подоброванных вариантов подходящего материала. 1группа: нержавеющие стали:

Мартенситная сталь (20Х13). Этот закалённый металл создан на базе специфической углеродной микроструктуры, характеризующейся максимальной прочностью, дополняемой известным в узких кругах явлением технологической «памяти металла». Эта нержавеющая сталь характеризуется низким содержанием примесей и повышенной износостойкостью. Соответственно мартенситная сталь применяется в изготовлении режущих инструментов, в производстве ответственных несущих конструкций и высокопрочных деталей промышленного оборудования. Исходя из условии работы штанги штангельциркуля и требуемых от нее свойств, этот вид нержавеющей стали считаем наиболее подходящим нашим требованиям в связи с самой низкой стоимостью из всех видов стали.

Ферритная сталь (ЭП 882 ВИ). В основе этого класса металла лежит кубическая объёмноцентровая решётка, созданная на базе твёрдого раствора углерода и легирующих компонентов. Как правило, в этой нержавеющей стали хром составляет около пятой части общего состава. Этот вид нержавеющей стали обладает ярко выраженными магнитными свойствами и высокой сопротивляемостью агрессивным внешним средам, включая кислотные растворы. Нержавейка этой категории широко применяется в химической и тяжёлой промышленности, а также при изготовлении широкого класса отопительного оборудования. Ферритные сплавы выгодно отличаются более низкими ценами, а по количеству потребления занимают второе место, после аустенитной стали, пользуясь высоким спросом в собственной рыночной нише.

Аустенитная сталь (10Х18Н12Т). Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения.

2 группа: низколедированные инструментальные стали:

9 Х С. Применяется для изготовления ножей работающих в условиях малой нагрузки с небольшой производительностью, по материалам, не требующим от ножа износостойкости и качественной работы. Сталь применяется для изготовления инструмента (сверла, развертки, гребенки) выполняющего обработку мягких материалов, на малой скорости. Сталь не дорога и проста в обработке. При закалке достигается твердость поверхности 59-63 HRC. Широко применяется при производстве ножей для деревообработки простой конфигурации (лущильных, шпоночных, дробящих) выполняющих простые операции с малой точностью.

ХВГ. Сталь применяется для изготовления измерительного и режущего инструмента, для которого повышенное коробление при закалке недопустимо. Инструментальная сталь ХBГ применяется для изготовления измерительного и режущего инструмента, калибров резьбовых, протяжек, метчиков длинных, разверток длинных и других видов специального инструмента, холодновысадочные матрицы и пуансоны, технологическая оснастка,шпиндели, бандажи, пружинные кольца амортизаторов, замочные шайбы и многие другие элементы, к которым предъявляют жесткие требования высокой прочности и износоустойчивости. Стали более высокой стоимости по сравнению с нержавеющими сталями.

Полученные результаты занесем в таблицы 2,3.

 

Таблица 2

Состав и свойства материалов, выбранных для изготовления вкладыша подшипника скольжения

Марка материала	Химический состав	Механические свойства	Области применения
С	Mg	Si	Cr	W	Ni	Твердость НВ	σв, МПа
20Х13	0,16 - 0,25	0,8	10,8	12,0-14,0	-	-			применяется в изготовлении режущих инструментов, в производстве ответственных несущих конструкций и высокопрочных деталей промышленного оборудования
ЭП 882 ВИ	0,015	0,5	0,5	16,5-18,5	-	-			применяется в химической и тяжёлой промышленности, а также при изготовлении широкого класса отопительного оборудования
10Х18Н12Т	0,12	1-2	0,75	17,0-19,0	-	11-13			применяют в качествe коррозионно-стойких, жаропрочных, жаростойких, криогенных конструкционных материалов в химических, теплоэнергетических и атомных установках
9 Х С	0,85 - 0,95	0,30-0,60	1,20 - 1,60	0,95-1,25	-	-			для изготовления инструмента (сверла, развертки, гребенки) выполняющего обработку мягких материалов
ХВГ	0,9 - 1,05	0,8 -1,10	0,15 - 0,35	0,90-1,20	1,20-1,60	-			для изготовления измерительного и режущего инструмента, протяжек, метчиков длинных, разверток длинных и других видов специального инструмента, технологическая оснастка.шпиндели, бандажи, пружинные кольца амортизаторов, замочные шайбы и многие другие элементы

 

Таблица 3

Сравнительные характеристики выбранных материалов

Марка	Свойства
Технологические	Прочность	Коррозионная стойкость	Стоимость
С1	Высокая	Низкая	Высокая	Низкая
F1	Высокая	Средняя	Высокая	Меньше чем ХВГ
A1	Высокая	Средняя	Высокая	Меньше чем ХВГ
9XC	Высокая	Высокая	Высокая	Меньше чем ХВГ
ХВГ	Высокая	Высокая	Высокая	Высокая

 

6. Выбор материла

 

Мы выбрали 5 вариантов подходящих для изготовления нашей детали сталей, выделим наиболее подходящий вариант, с учетом условий работы, оптимизации состава и структуры материала.

Для низколегированной инструментальной стали ХВГ характерно содержание дефицитного вольфрам (W), что делает ее значительно дороже нержавеющих сталей. Она более твердая, прочная, соответственно более хрупкая что не желательно для нашего мерительного инструмента.

Низколегированная инструментальная сталь 9ХС очень схожа по своим характеристикам со ХВГ, только не содержит вольфрам, что делает ее немножко дешевле. Зато содержание кремния самое большое из всех выбранных образцов.

Аустенитная сталь 10Х18Н12Т основное их качество коррозионная стойкость, жаропрочность, жаростойкость. В нашей детали эти качества не основополагающие. К тому же эта сталь содержит никель, что делает ее более дорогой в сравнении с двумя другими нержавеющими видами стали.

Ферритная сталь ЭП 882 ВИ обладает необходимыми нам своиствами и характеристиками. Достоинством этой стали является также низкая стоимость. Достаточно широкая область применения. Но по нашему мнению наиболее подходящим вариантом для изготовления штанги штангельциркуля является

аустенитная сталь.

Мартенситная сталь 20Х13 имеет высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Самая недорогая из всех рассмотренных образцов сходных по своим характеристикам. Наиболее подходящий материал для изготовления штанги штангельциркуля.

 

Заключение

При производстве деталей совершается много различных операций, что зависит от формы, размера детали и материала, из которого она изготовлена.

Для того, чтобы правильно выбрать материал необходимо поэтапно: проанализировать условия работы изделия, определить требуемые свойства материала, подобрать методы испытаний материала, определить ориентировочный состав химического состава материала, уточнить химический состав материала и выбрать материал.

В курсовой работе мы рассмотрели состав и структуру штанги штангельциркуля.

Штангенциркуль — один из самых распространенных инструментов измерения благодаря простой конструкции, удобству в обращении и быстроте в работе.

Штанга — это основная деталь штангациркуля, на ней нанесены миллиметровые деления. Конец штанги имеет две неподвижные губки: одну для наружного измерения, другую — для внутреннего. На штангу надета рамка с подвижными, губками и глубиномером.

При написании работы мы решили следующие задачи:

- определили назначение штанги, определили условия работы;

- определили требуемые свойства материала и подобрали методы испытания материала;

- определили ориентировочно химический состав материала;

- пришли к выбору необходимого материала для изготовления штанги штангельциркуля.

На наш взгляд наиболее подходящим материалом является мартенситная сталь 20Х13, которая имеет высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость) и хорошая технологичность. Самая недорогая из всех рассмотренных образцов сходных по своим характеристикам.

Для увеличения срока эксплуатации можно подвергнуть губки штанги термообработке.

Список литературы

1. А.М. Пейсахов «Материаловедение: конспект лекций» Спб.: Изд-во Михайлова В.А., 2000г.-73с
2. Гелин Ф. Д. Металлические материалы: Справ.- Мн.: высш. шк., 1987.- 368 с.
3. Гузенков П. Т. Детали машин: Учеб пособие для студентов втузов.- 3-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. школа, 1982.-351 с., ил.
4. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
5. Иванов М. Н. Детали машин: Учеб. для студентов высш. техн. учеб. заведений.- 5-е изд., перераб.- М.: Высш. шк., 1991.- 383 с.: ил.