Машиностроительные материалы
Цель: изучить классификацию машиностроительных материалов, их маркировку и область применения.
Общие сведения
Правильно выбранный материал в значительной степени определяет качество детали и машины в целом. При выборе материала учитывают следующие факторы: свойства материала, служебное назначение и условия работы детали или конструкции, способ формообразования детали, стоимости и дефицитность материала.
Все машиностроительные материалы можно разделить на 4 большие группы:
I. Черные металлы: стали и чугуны.
II. Цветные металлы: медь, цинк, свинец, олово, алюминий, магний, титан. А также сплавы на их основе: латуни, бронзы, баббиты, силумины, дуралюмины и др.
III. Порошковые материалы.
IV. Неметаллические материалы: дерево, резина, пластмассы, кожа и др.
Ниже рассмотрены химический состав, маркировка и область применения первых трёх групп указанных материалов.
ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ
СТАЛИ
Классификация сталей производится по химическому составу, качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей), а также по назначению. По химическому составу стали делят на две большие группы: углеродистые и легированные.
Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на следующие группы: малоуглеродистые – менее 0,2 % С; среднеуглеродистые – 0,2…0,7 % С; высокоуглеродистые – более 0,7 % С.
Легированные стали в зависимости от введённых элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, марганцевые и многие другие. Их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов: низколегированные – менее 5 %; среднелегированные – 5…10 %; высоколегированные – более 10 %.
Классификация по качеству
По качеству, то есть по способу производства и содержанию вредных примесей, стали и сплавы делятся на следующие группы:
Таблица 1
Содержание вредных примесей в сталях и сплавах
Группа | Сера, % | Фосфор, % |
обыкновенного качества качественные высококачественные особо высококачественные | менее 0,050 менее 0,040 менее 0,025 менее 0,015 | менее 0,040 менее 0,035 менее 0,025 менее 0,025 |
Углеродистые стали
По качеству углеродистые стали делятся на следующие группы:
а) углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94). Изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифра – условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы «кп», «пс», «сп» - степень раскисления («кп» - кипящая, «пс» - полуспокойная, «сп» - спокойная), буква «Г» – повышенное содержание марганца.
Область применения: Ст0 – неответственные и малонагруженные детали (планки, угольники, шайбы, прокладки, стопорные кольца); Ст1, Ст2 – малонагруженные детали (крепёж, кронштейны, заклёпки); Ст3, Ст4 – в строительстве; Ст5 – умеренно нагруженные детали машин (валы, оси, детали строительных конструкций, оправки, штифты); Ст6 – детали машин повышенной твёрдости (валы, оси, коленчатые валы, шпиндели, червяки, крупные поковки, шпонки).
б) углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050-88). Изготавливают следующих марок: 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58(пп), 60. Цифры в марках указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы – степень раскисления: кипящую – «кп», полуспокойную – «пс», спокойную – без индекса.
Область применения: 08 – 35 – малонагруженные детали (трубки, втулки, валики, ключи, шайбы, шпильки, болты, муфты, зубчатые колёса); 40 – 70 – умеренно нагруженные детали (шестерни, зубчатые колёса, рейки, ключи, муфты, шпильки, шпонки, ходовые винты, шпиндели).
в) углеродистые высококачественные стали бывают только инструментальные. В марках этих сталей в конце ставится буква «А», например, У8А, У11А (расшифровку см. ниже).
Область применения: ответственные детали с высокими требованиями к химическому составу и механическим свойствам.
Легированные стали (ГОСТ 4543-71)
Конструкционные легированные стали бывают:
а) качественные: 40Х, 30ХГТ, др.;
б) высококачественные, в конце маркировки ставится буква «А»: 12ХН3А 38ХМЮА;
в) особовысококачественные, в конце маркировки ставится буква «Ш» для сталей электрошлакового переплава и буквы ВД для сталей вакуумно-дугового переплава: 20Ш, 08Х18Н10ВД.
Классификация по назначению
По назначению стали делятся на три группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.
2.1. Конструкционные стали:
1) цементуемые, содержащие 0,10-0,30 % углерода.
Область применения: детали, работающие в условиях износа и ударных нагрузок (шестерни, втулки, оси и др.): 10, 15, 20, 25, 15Х, 20Х – для изделий небольшого сечения и несложной формы; 20ХН, 12ХН3А, 18ХГТ, 30ХГТ – для изделий средних размеров; 12Х2Н4Ф, 18Х2Н4В, 18Х2Н4МА, 20ХГНР, 25ХГМ – для изделий больших размеров.
2) улучшаемые, содержащие 0,35-0,50 % углерода.
Область применения: 35, 40, 45, 50 – для мелких деталей невысокой прочности; 40Х, 45Х, 40ХР, 40ХГ – для средних деталей повышенной прочности (ролики, втулки и др.); 30ХН2МФ, 38ХН3МФ, 40ХНМ – для крупных и сложных по конфигурации деталей (кулачковые муфты, червяки, шестерни и др.).
3) пружинно-рессорные (ГОСТ 14959-79), содержащие 0,50-0,70 % углерода.
Область применения: 65, 70, 75 – для обычных пружин; 50С1, 55С2, 60С2, 70С3А, 60Г, 50ХГ, 60СГ – пружины и рессоры автомобилей, тракторов и железнодорожного транспорта; 70С2ХА – пружины часовых механизмов и приборов; 50ХФА, 60С2Н2А – крупные, особо ответственные пружины и рессоры.
4) шарикоподшипниковые (ГОСТ 801-78), содержащие ≈1,0 % углерода. Обозначаются буквами «ШХ» в начале марки, следующая цифра указывает среднее содержание хрома в десятых долях процента. В конце марки может быть указан вид металлургического переплава: «Ш» – электрошлаковый (ШХ15Ш); «ВД» – вакуумно-дуговой (ШХ15ВД).
Область применения: ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХСГ – кольца, шарики, ролики.
5) строительные, содержащие 0,10-0,20 % углерода – низкоуглеродистые и низколегированные стали (ГОСТ 19281-89 и ГОСТ 19282-72).
Область применения: Ст3, Ст4 – изделия обычной прочности, широкое применение в строительстве; 09Г2, 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 10ХСНД, 15ХСНД – дли изделий, работающих при низких температурах в условиях Севера.
6) автоматные (ГОСТ 1414-75), содержащие 0,08-0,45 % углерода и повышенное содержание серы (0,05-0,30 %), фосфора (0,05-0,16 %) и часто марганца (0,6-1,55 %). В обозначении марки первая буква «А» указывает, что сталь автоматная; цифры в ней показывают содержание углерода в сотых долях процента: А11, А40Г; присутствие свинца обозначает буква «С»: АС35Г2, кальция – буква «Ц»: АЦ45Х, АЦ40Г2, селена – буква «Е»: А35Е, А40ХЕ.
Область применения: шайбы, болты, гайки, шпильки – детали массового спроса, изготавливаемые на станках-автоматах.
7) литейные (конструкционные литейные легированные стали ГОСТ 977-88), содержащие до 0,9 % марганца, до 0,52 % кремния и не более 0,06 % серы и 0,08 % фосфора. В конце марки литейной стали ставится буква «Л».
Область применения: низкоуглеродистые – для деталей, подвергающихся ударным нагрузкам, арматуры, сварно-литых конструкций; среднеуглеродистые – для станин и валков прокатных станов, крупных шестерён, зубчатых колес; 20ФЛ – для крупногабаритных деталей грузовых вагонов; 08ГДНФЛ – для ответственных крупных деталей в судостроении, работающих до – 60 ºС.
2.2. Инструментальные стали:
1) углеродистые (ГОСТ 1435-99). Буква «У» в обозначении марки означает «углеродистая сталь», а цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.
Область применения: У7, У8 – зубила, клейма, ножницы, молотки, штампы; У9, У10, У11 – метчики, свёрла, ножовки, резцы, развёртки (режущий инструмент); У12, У13 – напильники, бритвы, граверный и хирургический инструмент.
2) легированные (ГОСТ 5950-2000).
Область применения: Х, 9ХС, ХВ5, Х6ВФ, ХВГ – режущий инструмент для лёгких условий работы (резцы, напильники, протяжки, зенкеры); Х12М, Х12, Х6ВФ, Х12Ф, Х, Х9 – штампы для холодного деформирования.
3) быстрорежущие (ГОСТ 19265-73). Маркируются буквой «Р», за буквой следует цифра, указывающая на среднее содержание вольфрама в процентах. Далее следуют буквы, указывающие на содержание соответствующего легирующего элемента в процентах.
Область применения: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р6М3 – для режущего инструмента нормальной стойкости (фрезы, свёрла, метчики, протяжки, зенкеры); Р14Ф4 – режущий инструмент повышенной стойкости; Р10К5Ф5, Р9К10, Р9К5, Р18Ф2 – стали повышенной производительности.
4) штамповые.
Область применения: штампы, пуансоны, ролики, валики, матрицы. Х12, Х12ВМ, Х12М, Х12Ф, Х6ВФ – для штампов холодного деформирования, обладающие высокой твёрдостью, сопротивлением истиранию, достаточной ударной вязкостью; 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНТ, 5ХНСВ – для штампов горячего деформирования, обладающих жаропрочностью, красностойкостью, термостойкостью, вязкостью, прокаливаемостью, неслипаемостью; У7, У8, У9 – для штампов, работающих в лёгких условиях.
2.3. Стали и сплавы с особыми свойствами:
1) коррозионностойкие (ГОСТ 5632-72), обязательно содержащие более 12,5 % хрома.
Область применения: 0Х13, 1Х13, 2Х13, 3Х13, 4Х13, Х14 – для изделий бытового назначения; 20Х17, 08Х17Т, 14Х17Н2 – детали паровых и газовых турбин; 15Х25Т, 15Х25 – муфели печей, чехлы термопар, реторты; 12Х18Н8, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 08Х22Н6Т – для изделий широкого потребления, в архитектуре, скульптуре.
2) жаростойкие, способные сопротивляться окислению при высоких температурах 800-1000 ºС.
Область применения: 12Х17, 15Х25Т, 12Х18Н9, 10Х23Н18, ХН32Т, ХН45Т, ХН78Т – печные конвейеры, ящики для цементации, детали газопроводов, аппаратура, задвижки, лопатки паровых турбин.
3) жаропрочные, способные противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах.
Область применения: 12МХ, 12ХМФ, Х5ВФ Область применения: 12МХ, 12ХМФ, Х5ВФ Область применения: 12МХ, 12ХМФ, Х5ВФ – трубы, котлы; Х6С, Х9С2, Х6СМ, Х10С2М – клапаны двигателей автомобилей, тракторов, мотоциклов.
4) износостойкие стали (ГОСТ 5632-72), способные сопротивляться кавитационной коррозии и механическому изнашиванию при значительных ударных нагрузках.
Область применения: 12Х18Н9Т, 30Х10Г10, 0Х14АГ12, 0Х14АГ12М, 110Г13 - лопасти гидротурбин и гидронасосов, крестовин рельсов, щёк дробилок, черпаков землеройных машин, траков.
5) сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами (ГОСТ 10994-74): а) сплав ИНВАР марки Н36 (36 % Ni, остальное – Fe) практически не расширяется в интервале температур от 80 до 100 ºС. Его применяют для изготовления деталей приборов, которые не должны заметно изменять размеры при колебаниях температуры; б) сплав ПЛАТИНИТ марки Н48 (48% Ni, остальное – Fe) коэффициент линейного расширения изменяется незначительно до 400 ºС, а при более высокой температуре сильно увеличивается; в) сплав ЭЛИНВАР марки Н36Х8 (36 %Ni, 8 % Cr, остальное – Fe) наряду с низким коэффициентом линейного расширения сохраняет постоянные упругие свойства до 100 ºС. Применяют для пружин в часах и точных приборах, для камертонов.
6) стали и сплавы с высоким электросопротивлением (ГОСТ 10994-74), содержащие 0,06-0,12 % углерода, обладают высоким сопротивлением 1,06-1,47 мкОм·м и жаростойкостью 1000-1350 ºС.
Область применения: Х13Ю4 (фехраль), 0Х23Ю5 (хромель), 0Х27Ю5А, Х20Н80 (нихром), Х15Н60 (ферронихром) – для деталей и элементов нагревательных приборов, реостатов, резисторов, терморезисторов, тензодатчиков.
7) магнитные стали и сплавы:
а) магнитно-твёрдые (ГОСТ 17809-72) характеризуются высокими коэрцитивной силой, остаточной индукцией и магнитной энергией. Обозначаются буквой «Е», далее указывается буква с цифрой, показывающей содержание хрома в целых процентах – ЕХ2, ЕХ3. Широкое применение в промышленности нашли сплавы типа алнико (высокоуглеродистые сплавы железа, алюминия, никеля и кобальта) – ЮНДК15, ЮН14ДК25А, ЮНЖК31Т3БА.
Область применения: для постоянных магнитов.
б) магнитно-мягкие, характеризуются лёгкой намагничиваемостью в относительно слабых магнитных полях, высокой магнитной проницаемостью, низкой коэрцитивной силой; работают в условиях переменного намагничивания. Марки: технически чистое железо – Э, ЭА, ЭАА; электротехническая кремнистая (3 % Si) сталь – Э11, Э12, Э13, Э21, Э31, Э32, Э42, Э43 – горячекатаная, Э1100, Э1200, Э1300, Э3100, Э3200 – холоднокатаная; пермаллои – 45Н (45 % Ni), 79Н (79 % Ni), 79НМ (79 % Ni, 3 % Mo).
Область применения: сердечники трансформатора.
8) парамагнитные, характеризующиеся немагнитностью и высокой прочностью.
Область применения: 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 55Г9Н9Х3, 40Г14Н9Ф2 – для деталей конструкций в электротехнике, приборостроении, судостроении.
ЧУГУНЫ
1. Серые чугуны (ГОСТ 1412-85). Маркируются буквами «СЧ» и цифрой, соответствующей минимальному пределу прочности при растяжении sВ, кгс/мм2. Углерод в структуре серых чугунов содержится в виде пластинок свободного графита, снижающих прочность чугунов.
Область применения: СЧ10, СЧ15 – умеренно нагруженные детали (корпуса, плиты, шкивы, маховики); СЧ20, СЧ25, СЧ30 – высоконагруженные детали, работающие на износ (зубчатые колёса, шкивы, гильзы, корпуса, станины), отливки сложной формы; СЧ35, СЧ40, СЧ45 – наиболее ответственные детали с массивными стенками, работающие при больших нагрузках (штампы, втулки, крупные коленчатые валы, крупные зубчатые колёса).
2. Ковкие чугуны (ГОСТ 1215-79). Маркируются буквами «КЧ» и двумя цифрами: первая соответствует минимальному пределу прочности при растяжении σВ, кгс/мм2, вторая – относительному удлинению при растяжении d, %. Углерод в структуре ковких чугунов содержится в виде хлопьев свободного графита, получающихся в результате графитизирующего длительного отжига.
Область применения: КЧ30-6, КЧ33-8 – детали, работающие при низких и умеренных нагрузках (хомутики, клапаны, муфты, звенья цепей, держатели); КЧ35-10, КЧ37-12 – детали, работающие при сложных нагрузках (тормоза, кронштейны, втулки, колодки, ступицы, пальцы); КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-2 – детали, работающие при высоких нагрузках и интенсивном износе: ковенвалы, муфты, втулки, звёздочки, храповики, ролики цепей.
3. Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85). Маркируются буквами «ВЧ» и цифрой, соответствующей минимальному пределу прочности при растяжении sВ, кгс/мм2. Углерод в структуре высокопрочных чугунов содержится в виде шаровидного графита, получающегося в результате присадки магния или циркония при плавке.
Область применения: ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 – для деталей ответственного назначения (коленчатые валы, зубчатые колёса, корпуса автомобильных моторов, корпуса паровых турбин, прокатные валки).