Текст книги "Производство заготовок. Трубы"

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/см³ против 7,8 г/см³ для железа и 8,94 г/см³ для 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 8,94.10³ кг/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.

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.

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).

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.

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.