книги из ГПНТБ / Ростовцев Г.Г. Выбор конструкционных материалов

3. Нож для резки неметаллических материалов

а) В сухом воздухе или в безводных растворителях. В этом случае важен высокий предел прочности на изгиб при высокой твердости. Таким требованиям отве­ чает инструментальная сталь (табл. 1) после закалки и

отпуска при 220—250° С (табл. 2 и 3). б) Во влажной среде.

Кроме сказанного выше важна стойкость против кор­ розии. Этому требованию соответствует нержавеющая хромистая сталь марок 4X13 и 9X18 после такой же тер­ мообработки.

4. Ударяющиеся друг о друга стальные детали

При ударе происходит переход кинетической энергии удара в упругую энергию деформации. Чем выше удель­ ная максимальная упругая энергия материала, тем ра­ ботоспособнее деталь, работающая на удар, но при этом важна и ее твердость. Из двух ударяющихся друг о дру­ га деталей более сложная и дорогая должна быть более твердой. В остальном справедливо все сказанное о пру­ жинах.

5. Коленчатый вал

Через коленчатый вал передается вся мощность ма­ шины, на него действуют большие переменные нагруз­ ки от давления шатунов и от центробежных сил. Вал имеет сложную форму и должен изготовляться очень точ­ но. Для изготовления валов применимы конструкционная сталь и нехрупкий чугун. Для упрочнения валы целиком

192

подвергают закалке и высокому отпуску, а поверхности шеек, кроме того, еще и поверхностной закалке с низ­ ким отпуском или цементации и закалке с низким отпус­ ком. Крупные валы мощных высокооборотных машин во избежание коробления при закалке выполняют из воз­ душно закаливаемой стали марок 18ХНВА, 16Х2ГН2ВА и др. (табл. 4), менее крупные валы машин меньшей мощности — из углеродистой стали марок 40 и 45 (табл. 2) или из нехрупкого ковкого (высокопрочного) чугуна.

6. Зубчатые колеса

Зубчатые колеса при работе испытывают циклические нагрузки. Поверхности зубьев подвергаются контактно­ му давлению и истиранию. Изготовляться они должны с большой точностью. Венцы зубчатых колес выполняют из улучшаемой (табл. 4) или цементируемой стали и подвергают закалке и отпуску при 250—270° С до твер­ дости HRC 45—55. Во избежание коробления при закал ке применяют легированную сталь, закаливаемую в масле.

7. Нагруженные болты

Болты воспринимают одностороннюю нагрузку и вы­ полняются из улучшаемой стали.

Они подвергаются закалке и отпуску при 220—270° G для получения твердости HRC 45—50, соответствующей пределу прочности 150—200 кг/мм2 и условному пределу текучести 120—180 кг/мм2 (табл. 2, 3 и 4).

8. Гайки

Гайки работают в более благоприятных условиях, чем болты, и могут быть изготовлены из менее прочных ма­ териалов. Чаще всего для гаек не очень ответственных соединений применяют автоматную сталь (см. стр. 49).

9.Червяки и ходовые винты

По характеру работы червяки и ходовые винты мало отличаются от зубчатых колес и могут изготовляться из таких же материалов, с такой же термической (хи­ мико-термической) обработкой.

10. Червячные колеса

Червячное колесо работает в сложных условиях тре­ ния скольжения и высокого контактного давления о чер­ вяк. Материал колеса должен быть мягче материала червяка, но достаточно твердым, и не задираться о сталь при трении. Для изготовления червячных колес пригод­ ны (в порядке убывания нагрузочной способности): ме­ таллокерамические композиции порошков твердых ме­ таллов с добавками мягких, бронзы, древесные пласт», ки, текстолит, чугун (табл. 6, 11 и 23).

11. Подшипники скольжения

Материал подшипника скольжения должен обеспе­ чивать приработку трущихся поверхностей друг к другу, образование устойчивой пленки жидкой смазки с высо­

194

кой несущей способностью и безопасное для сопряжен­ ной стальной детали разрушение при отсутствии смаз­ ки. Он должен включать в себя компоненты разной твер­ дости, чтобы в момент пуска при отсутствии жидкой смазки мягкий компонент смог сыграть роль твердой смазки. При p - v > 200 кг/см2 м/сек применяют наплавоч­ ные антифрикционные сплавы — баббиты, свинцовистую бронзу и плотные металлокерамические композиции. При меньших значениях р • v могут быть использованы пори­ стые металлокерамические и неметаллические материа­ лы, пропитанные маслом, и антифрикционный чугун (табл. 6). При включении в состав композиции фторо­ пласта-4 при ограниченной мощности трения подшипни­ ки могут работать без смазки. Чистый фторопласт для подшипников непригоден из-за низкой теплопроводно­ сти и резкого возрастания коэффициента трения при перегреве.

12. Фрикционные диски, тормозные колодки

Материал тормозной колодки должен обеспечивать торможение, т. е. превращение энергии движения в ра­ боту трения при условии малого износа, и высокую усталостную прочность. Для фрикционного материала существенно высокое значение коэффициента трения, обусловленное микрошероховатостью поверхности, одна­ ко макрошероховатость — неполное прилегание трущихся поверхностей — недопустима ввиду концентрации нагрева в местах трения.

Фрикционный материал должен быть неоднородным и состоять из мягкой основы и твердых дисперсных час­ тиц, более тугоплавких, чем сталь, но и не имеющих острых кромок. Стойкость его к перегреву обеспечивается

высокой теплопроводностью и содержанием легкоплав­ кого или размягчающегося при нагревании компонента, регулирующего макрооднородность распределения дав­ ления по поверхности трения.

Твердыми компонентами фрикционных материалов являются волокна асбеста, частицы кремнезема, барита и др., мягкими — свинец, размягчающийся каучук и др. Несвариваемость трущихся поверхностей обеспечивается разной природой материалов в композиции.

Для тормозных колодок и фрикционных дисков при небольшой мощности трения используют чугун, а при повышенной — асбесто-органические и металлокерами­ ческие композиции.

13. Цистерна для водного раствора органического вещества, врытая в землю

В данном случае применение стали не требуется, так как давление невелико, и нежелательно, так как в зем­ ле она быстро разрушается от коррозии. Более подхо­ дящим материалом является здесь бетон, но он недоста­ точно герметичен и поэтому должен иметь надежное по­ крытие.

Бетон подбираем по табл. 18. Для обеспечения моро­ зостойкости Ц/В должно быть больше 2. Берем ближай­ шее Ц/В —2,11. При этом Д б /Д ц = 0,9. Если бетон изготов­ ляют на гравии с наибрлыпей крупностью зерен 20 мм, то на 1 мг бетона пойдет цемента 379 кг, воды — 180 л, гравия — 741 дм3 и песка — 284 дм3 (насыпные объемы).

Подходящее покрытие должно быть достаточно, тол­ стым и плотным. Берем пластмассовое покрытие (табл. 30) из жидкой смолы и рубленого стекловолокна, наносимое без подогрева. Возможно применение и дру­

196

гих покрытий: битумной мастики, асбовинила, а при от­ сутствии трещин в бетоне — защитного лакокрасочного покрытия (табл. 28, 29) на основе лака этиноль, камен­ ноугольного и др.

Такие изделия целесообразно производить литьем из чугуна, цветных литейных сплавов и пластмассы (табл. 1). Чугун наиболее дешевый из этих материалов, но он тяжел, хрупок и недостаточно стоек против корро­ зии. Легкие литейные сплавы предпочтительнее, из них лучшими литейными свойствами обладают сплавы с кремнием — силумины. При достаточно большом объеме производства целесообразнее применять пластмассу, для литья которой нужна специальная точная и прочная металлическая форма.

15. Корпус небольшой машины (прибора)

Корпусные детали также можно изготовлять литьем, и сказанное выше применимо и к ним. Однако эти из­ делия требуют много металла, и целесообразнее приме­ нять наиболее дешевый из них — чугун, а когда нужно обеспечить малый вес корпуса — легкий литейный сплав.

16. Травильные ванны

а) Для растворов азотной кислоты с добавками сер­ ной, соляной и фосфорной кислот.

В этих случаях неприменима даже кислотостойкая

197

сталь и ограниченно применим свинец. Стекло неудоб­ но из-за своей хрупкости, а керамика — из-за невозмож­ ности формования ванны на месте ее использования. Наиболее подходящие материалы — кислотостойкий бе­ тон (табл. 17) и пластмассы — винипласт, пентапласт и фторопласты. Для крупных ванн предпочтительнее кисло­ тоупорный бетон, для мелких — пластмассы, из которых самая дешевая и недефицитная — винипласт.

б) Для плавиковой кислоты.

Плавиковая кислота растворяет кремнезем и в ней кислотоупорный бетон -не стоек, но пластмассы к пла­ виковой кислоте значительно более стойки, чем к азот­ ной. Кроме приведенных выше, пригодны полиэтилен, по­ липропилен, полистирол, органическое стекло и фено­ пласты с органическими наполнителями. Из металлов можно применить магний, который образует стойкую пленку MgF2, и медь.

в) Для горячих щелочных растворов.

В щелочах растворяются силикатные материалы, алюминиевые и цинковые сплавы, но стойки к ним сталь всех марок, чистая медь, никелевые сплавы и упомяну­ тые выше пластмассы, кроме фенопластов, разрушае­ мых щелочами. Для крупных ванн предпочтительнее сталь, для мелких — пластмассы.

В подобных случаях применимо большинство мине­ ральных и металлических материалов, а из пластмасс могут использоваться полиэтилен, полипропилен и фто­ ропласты.

198

В настоящей брошюре рассмотрены лишь важнейшие характеристики основных конструкционных материалов, чаще всего определяющие их выбор. Ограниченный объем брошюры не позволил осветить характеристики мате­ риалов, существенные в специальных условиях изготов­ ления и эксплуатации конструкций. Для более глубо­ кого ознакомления с вопросами, относящимися к кон­ струкционным материалам, рекомендуем воспользоваться литературными источниками, список которых приводится ниже.

по деталям машин в двух томах, т. 1. Изд-во «Машиностроение», 196о.

200

для работы при повышенных температурах. Изд-во «Металлургия», 1965.

Ш м ы к о в А. А. Справочник термиста. Машгиз, 1961. «Конструкционные материалы». Изд-во «Советская энциклопе­

дия», т. 1, 1963; т. 2, 1964; т. 3, 1965.

«Материалы в машиностроении», т. 1 и 2. Изд-во «Машинострое­ ние», 1967.

«Неметаллические материалы». Справочник под ред. Н. И. Су­ слова. Машгиз, Москва—Свердловск, 1962.

«Прессованная древесина и древесные пластики в машинострое­

201