Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет НИ Ир

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет (НИ Ир. ГТУ) Осипов Артур Геннадьевич ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КУРС ЛЕКЦИЙ Лекция № 3 Материалы деталей машин

Конструкционные материалы деталей машин К основным свойствам конструкционных материалов следует отнести: физические (плотность, теплопроводность, электропроводность, температура плавления); механические (прочность, Конструкционные материалы, основу которых составляют упругость, металлы и их сплавы, известны давно, однако широкое распространение пластичность, последние получили только в ХVII-м веке с бурным развитием тяжелого машиностроения. твердость); химические (антикоррозионные) и технологические свойства. 2

Успехи металловедения в России неразрывно связаны с именами русских ученых Таких как П. П. Аносов (1797 -1851 гг. ), впервые использовавшего для изучения структуры стали микроскоп и разработавшего состав булатной стали, по прообразу стали Вуда (Индия); русского ученого - отца металлографии Д. К. Чернова (18391921 гг. ), создавшего теорию термической обработки стали и кристаллизации стального слитка, открывшего критические точки фазовых превращений стали, давшего рекомендации по получению Наряду с металлическими конструкционными русских ученых. высокопрочной стали, а также других выдающихсяматериалами для изготовления деталей машин и оборудования применяются неметаллические материалы, представленные, в основном, пластическими массами. К этим материалам относятся также резины, клеи, лаки и краски, древесина, уплотнители, герметики. Замена металла неметаллами значительно снижает трудоемкость и себестоимость машиностроительной продукции. Например, при замене черных металлов пластмассами трудоемкость изготовления деталей уменьшается в среднем в 5 -6, а себестоимость - в 2 -6 раз. При замене пластмассами цветных металлов себестоимость машиностроительной продукции снижается в 4 -10 раз. 3

С развитием машиностроения изменяется и расширяется набор применяемых конструкционных материалов 4 К материалам, применяемым при производстве и восстановлении деталей машин, предъявляют высокие требования. Эти материалы должны надежно обеспечивать статическую и динамическую прочность всех деталей, гарантировать высокую износостойкость их трущихся поверхностей, а в ряде случаев обеспечивать их температурную и коррозионную стойкость.

Три основные вида требований, предъявляемых к конструкционным материалам: Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и оборудования, материал их комплектующих деталей должен иметь высокую конструктивную прочность за счет комплекса механических свойств. Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления и ремонта деталей. Экономические требования сводятся к тому, чтобы конструкционный материал имел невысокую стоимость и был наиболее доступным. 5

6 Чугуны Серые и мо дифициро ванные СЧ 15 Впускные и выпускные трубопроводы двигателей, блоки цилиндров СЧ 18 двигателей (ЗИЛ, Кам. АЗ), цилиндры компрессоров, маховики, корпуса СЧ 20 вентилей, корпуса кранов, картеры и крышки КП и КОМ, детали подземных СЧ 21 гидрантов, нижние крышки вакуумных аппаратов, крышки огнетушителей, СЧ 24 и соединительные хомуты и т. д. др Легирован ные По ТУ заводов Клапанные гнезда, гильзы и поршневые кольца двигателей и мотопомп МП 600, МП 800 Б, МП 1600, распределительные валы, диски сцепления и др. Высокопро чные с Шаровид ным С ВЧ 45 ВЧ 50 ВЧ 60 Коромысла клапанов, коленчатые и распределительные валы двигателей (ВАЗ), картеры коробок передач и редукторов, ступицы колес, тормозные барабаны, башмаки рессор, кронштейны двигателей и подвески транспортных машин, крышки коренных подшипников тепловых двигателей и др. Ковкие КЧ 35 10 КЧ 37 12 КЧЗО 6 Заслонки вакуумных аппаратов, картеры главных передач и задних мостов, чашки дифференциалов, педали, корпуса кранов, ключи гаечные и т. д. Металлоке рамические По ТУ заводов Направляющие втулки впускных и выпускных клапанов двигателей транспортных машин и мотопомп и другие износостойкие детали. Отбелен ные По ТУ заводов Для наплавки тарелок толкателей, распределительных валов двигателей. коромысел клапа нов, кулачков

Конструкционные стали Углеро дистые Ст1, 2 Ст. З Ст4 Ст5, 7, 10 Ст20, 30 Ст40, 45 Крышки, пружины, рукоятки, педали, соединительные муфты, валы вентиляторов и дымососов, скобы, упоры, крюки, ломы, багры, штоки, венцы, зубчатые колеса, шестерни, страховочные карабины, лестницы, валы насосов и вентиляторов, валики КП, РК и КОМ, коленчатые валы и шатуны тепловых двигателей и т. п. Легирован ные и низ колегиро ванные 40 Х 6 С 30 X 13 12 ХНЗА 65 ГХ 18 Н 9 Т Впускные клапаны, полуоси, карданные валы, оси заслонок газоструйных аппаратов, штоки, шпиндели и патроны станков, шестерни коробок передач и коробок отбора мощности, клапанные пружины тепловых двигателей, кольца генераторов и т. п. Высоколе По ТУ гирован заводов ные Корпуса углекислотно бромэтиловых установок, баки для агрессивной среды, отдельные детали карбюраторов бензиновых двигателей. Жаростой кие и жаро прочные 4 Х 9 С 2 ЭПЗОЗ Впускные клапаны, конические пробки распределительных кранов мотопомп, выпускные клапаны тепловых двигателей, заслонки газовых аппаратов, работающих при высоких температурах. Шарикопо дшипнико вые ШХ 6 ШХ 15 СГ Шарики, ролики, кольца подшипников качения валов КП, РК и КОМ, редукторов, генераторов, насосов, вентиляторов, дымососов, механизированного инструмента и т. д. 7

Цветные металлы и сплавы Алюминиевые, цинковые и магниевые АЛ 2 АЛ 4, 5 АК 7 АЛ 9 АЛ 21 ЦАМ 10 МЛ 5 Основные детали карбюраторов, блоки, головки и рубашки цилиндров тепловых двигателей, поршни компрессоров, центрифуги, корпуса и рабочие колеса насосов, корпуса колонок, гидроэлеваторов, смесителей, стволов, вентили углекислотных установок, подшипники скольжения, втулки валов, различные корпусные детали и т. п. На медной и цинковой основе Л 80 Л 90 ЛС 59 1 ЛК 80 ЗЛ Бр. ОФ 7 Бр. Б 2 ЛЦ 40 Мц Соединительные и клапанные коробки дыхательных аппаратов, детали противогазов, радиаторы, бензотрубки, детали распылителей жидкости, предохранительные мембраны, пружины, не искрящий инструмент (молотки), детали узлов трения при ударных нагрузках, корпуса вентилей, детали различных автоматических установок и приборов. 8

9 * Технические характеристики: Углепластик Органопласти к Стеклопласти к Характеристики Лента Жгут Предел прочности, МПа 900 700 1600 Модуль упругости, ГПа 150 130 80 50 Плотность, г/см³ 1. 53 1. 35 2. 2 Применение: Обтекатели, емкости, зеркала антенн, элементы телескопов, ячеистые и сотовые конструкции, элементы специализированного исследовательского оборудования. Армированные материалы для изделий РКТ Автоклавное формование: Габариты рабочего пространства: Диаметр – 3 м, длина – 12 м; Давление: до 14 кг/см 2; Температура: до 200 o. С.

10 * Свойства Материал «АРГОЛОН» TX 2 D 3 D 4 D Плотность, г/см 3 1, 75 -1, 85 1, 3 -1, 6 1, 7 -1, 8 -1, 95 Предел прочности при растяжении, МПа 40 -60 80 -150 50 -120 Предел прочности при сжатии, МПа 110 -180 25 -100 120 -180 100 -140 Теплопроводность, Вт/(м×К) 40 -120 6 -20 20 -140 Теплоемкость, Дж/(кг×К) 680 -2000 ТКЛРх10 -6 К-1 1, 5 -2, 5 1, 5 -2 0, 75 -5 0, 03 -2, 5 Применение: Элементы конструкций специальной техники, работающих в условиях воздействия экстремальных температур, скоростных газовых потоков, жидких металлов, агрессивных сред, механического и эрозионного износа.

* 11 * Патент РФ N 2130509: * Осаждение C-Si. C в объем пористой заготовки из газовой фазы, содержащей монометилсилан CH 3 Si. H 3. * Температура процесса - 600 -850 о. С * Давление - 20 Па - 20 к. Па * Продукты разложения - 87% карбид кремния, 13% водород. Назначение: Изготовление неохлаждаемых насадок ЖРД, камер сгорания ЖРД малой тяги, деталей авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и промышленных газотурбинных установок (ГТУ). Керамокомпозитная (C-Si. C) камера сгорания жидкостного ракетного двигателя ДМТ-МАИ-202. Снижение массы камеры по сравнению с аналогом в 3 -4 раза. Температура работоспособности – 1600 ˚С.

* * Плотность - 1, 35 г/см 3 * Прочность при сжатии - 250 -300 МПа * Твердость HRB - 300 -350 МПа * Температура работы - от -196 до 300 ˚С * Коэффициент трения (при V до 30 м/c, Р до 100 МПа) -0, 06 -0, 12 Назначение: Подшипники скольжения и уплотнения узлов трения для работы при скоростях скольжения до 30 м/с и нагрузке до 100 МПа в различных газовых и жидких средах без применения дополнительной смазки. 12

* * Технические характеристики: * Плотность - 1, 8 -2, 0 г/см 3; * Прочность при изгибе - 120 -140 МПа. * Коэффициент теплопроводности - 0, 58 -0, 62 Вт/м∙К; * Негорюч по ГОСТ 12. 1. 044 -89, нетоксичен при нагреве до 1200°С. Форма и размеры заготовок: Листы - любой формы и размеров Толщина - от 1 мм Панели сложной формы по чертежам заказчика Масса 1 м 2 листа толщиной 3 мм - 6 кг. Применение: Огнезащитные экраны, перегородки и облицовка помещений, вестибюлей и салонов самолетов, судов и вагонов, защитные чехлы термопар в плавильных производствах. Преимущества: Применение негорючего пластика МИНЕПЛЕН обеспечивает пожаробезопасность до температуры 13

14 * Давление до 20 МПа Вместимость до 20 л Масса до 4, 5 кг Баллоны металлокомпозитные со стальным лайнером. Для систем пожаротушения: Для дыхательных аппаратов: Рабочее давление - 15 -30 МПа Рабочее давление - до 30 МПа Вместимость - 50 -100 л Вместимость - 2, 3, 4 и 7 л Диаметр - 300 -360 мм Диаметр - от 100 до 150 мм Длина - до 1560 мм Длина - от 300 до 600 мм Масса: - стеклопластик - до 73 кг - стеклопластик - 2, 5; 3, 3; 4 и 5, 5 кг - органопластик - до 65 кг - органопластик - 2, 2; 3; 3, 6 и 5 кг - углепластик - до 56 кг. - углепластик - 2; 2, 5; 3, 2 и 4, 2 кг.

* * Электроизоляционные низковязкие клеи-компаунды холодного отверждения: * ЭЛК-5 (ТУ 2257 -354 -56897835 -2003), ЭЛК-9 (ТУ 2252 -427 -56897835 -2008), ЭЛК-12 (ТУ 2252 -384 -56897835 -2006). Назначение: Герметизация и изоляция электрических разъемов, элементов РЭА, микросхем, торцов низковольтных катушек, конструкционных деталей, элементов ЭРИ, заливка электрических датчиков в условиях высоких вибрационных и ударных нагрузок (в т. ч. в двигателях рулевого управления самолетов). Рабочие температуры до +125 °С (до 1000 ч) ЭЛК-5, ЭЛК-9 выдерживают пайку до 265 °С (2 мин) Сохранение прочности и электроизоляционных свойств более 12 лет. 15

* 16 * Герметики * ГСУ-149 (ТУ 2257 -381 -56897835 -2005). * Стабильные механические свойства: эластичность и прочность в интервале рабочих температур от - 60 до +120 °С. * Назначение: * Для герметизации и заливки деталей из алюминиевых сплавов (в том числе с покрытиями), стеклопластиков, цветных металлов в любых сочетаниях. Мастики Двухкомпонентная эпоксидная клеевая Мастика «МАКОМ-1» (ТУ 2252 -353 -56897835 -2003) ремонтный состав типа «холодная сварка» . Назначение: Заделка дефектов, усиление поверхности из металлов, керамики, пластиков, пломбировка приборов, работающих в космосе (имеет минимальные показатели газовыделения по ГОСТ Р 50109 -92).

* 17 Назначение: Склеивание алюминиевых, магниевых, титановых сплавов (в том числе с лакокрасочными покрытиями), стекло - , углепластиков, керамики, полиамидной пленки, пенопластов, полиамидов, датчиков давления Область применения: Клей характеризуется высокой вибро - ударопрочностью. Технические и эксплуатационные характеристики: Предел прочности при сдвиге, МПа при 20 °С 25. 0 250 °С 1. 0 при 20 °С 18. 0 250 °С 1. 0 при 20 °С 35. 0 250 °С 1. 0 при 20 °С 30. 0 250 °С 1. 0 (сталь 25 - сталь 25). (АМг 6 – АМг 6) Предел прочности при отрыве, МПа (сталь 25 - сталь 25). (АМг 6 – АМг 6) Интервал рабочих температур от – 196 до +200 °С (не менее 40 мин)

* 18 Назначение: Для склеивания деталей из металлов (сталей, алюминиевых и титановых сплавов) и неметаллических конструкционных материалов: стекло-, углепластиков, керамики в узлах, работоспособных при высоких вибрационных и ударных нагрузках, в том числе в условиях высокой влажности. Область применения: Машиностроение, транспорт, строительство, авиастроение, ремонтновосстановительные работы на трубопроводах, резервуарах, объектах жилищнокоммуникационного хозяйства Технические и эксплуатационные характеристики: Предел прочности при сдвиге клеевых соединений из стали (отпескоструенной), МПа не менее 18, 0 Предел прочности при сдвиге клеевых соединений из алюминиего сплава (отпескоструенного), МПа не менее 22, 0 Разрушающее напряжение при растяжении, МПа при 15 -35 °С не менее 25, 0 Относительное удлинение при растяжении % 3, 0 Эксплуатируется в условиях любой влажности, прочность клеевых соединений из нержавеющей стали сохраняется после выдержки в воде в течение 15 месяцев.

* 19 * * Назначение: Изготовление сотовых конструкций, склеивание деталей из металлов и неметаллов с большими знакопеременными зазорами, для электроизоляции и упрочнение сотовых конструкций путем заливки. Технологические и эксплуатационные характеристики (ПЭК-74, ПЭК-82, ПЭК-БО): Плотность -0, 4 -0, 5 г/см³ Температура отверждения - 15 -25 °С Время отверждения – 48 ч (для ПЭК-74, ПЭК-82); 6 ч (для ПЭК-БО) Жизнеспособность – до 50 мин (для ПЭК-74, ПЭК-82); до 15 мин (для ПЭК-БО) Рабочая температура – от-196 до 200 °С Предел прочности пеноблока на сжатие – 10 МПа Ударная вязкость – 1, 7 к. Дж/м² Удельное объемное электрическое сопротивление ≥ 10¹² Ом·м. Область применения: Для электроизоляции, заливки электрических соединителей, герметизации и защиты радиоэлектронной аппаратуры, изготовления и усиления сотовых конструкций, склеивания деталей из металлов и неметаллов с большими знакопеременными зазорами, выравнивание дефектных поверхностей технологических изделий.

* 20 Технологические характеристики: Жизнеспособность, мин 50 Плотность, г/см 3 0, 12 -0, 20 Интервал рабочих температур, ˚С -196 - +150 Прочность при сжатии, МПа 0, 4 -0, 2 ɛ при 106 Гц 1, 1 -1, 3 tgδ при 106 Гц 0, 004 ρv Ом∙м 4, 0∙ 1013 ρs. Ом 3, 5∙ 1015 Электрическая прочность, к. В/мм > 4, 4 Газовыделение , % ОПМ потеря массы за вычетом воды ЛКВ 4, 0 3, 0 0, 0 Применение: Для заполнения полостей облегченных конструкций с целью повышения их устойчивости к вибрационным нагрузкам.

* Свойства 21 Показатели ЭПК-24 -1 ПК-34 Вязкость, с, по В 3 -4 при температуре 20 -25 о. С, не более 80 40 Интервал рабочих температур, о. С -60 - 120 -60 – 90 Диэлектрическая проницаемость при 106 Гц после отверждения ( при н. у. 20 суток ) 3, 8 2, 8 после прогрева (при 60 о. С 10 ч) 0, 030 0, 035 после отверждения ( при н. у. 30 суток) 0, 031 0, 023 Ρv, Ом∙см (при 60 о. С, 12 ч), не менее 1, 0∙ 1013 (0, 25 -1, 0)∙ 1013 Ρs, Ом (при 60 о. С 12 ч) 3, 8∙ 1013 5, 0∙ 1012 Электрическая прочность, к. В/мм 22 - 24 20 - 23 Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц - Для пропитки трансформаторов (например, торовой и тороидальной формы). Пропиточные компаунды поставляются комплектно в виде двух компонентов.

* Преимущества: хорошая пропитывающая способность при н. у. , высокие электроизоляционные и диэлектрические свойства, возможность пропитки без подогрева (трансформаторы с ферритовыми сердечниками), минимальные показатели газовыделения в вакууме по ГОСТ Р 50109 -92 (ПЭК-34). 22

* 23 Назначение: Склеивание металлов, конструкционных стекло-, углепластиков с теплостойкими листовыми теплозащитными материалами, деталей из силиконовой резины, прорезиненных тканей, теплоизоляционных материалов между собой и в различных сочетаниях. Область применения: Клей характеризуется устойчивостью к циклическим воздействиям температур, вибрациям. Технические и эксплуатационные характеристики: Предел прочности при отрыве, МПа (АМг 6 – АМг 6) Интервал рабочих температур при 20 °С не менее 0. 8 от – 90 до +300 °С

Из искры возгорится пламя… Упорство и труд, все перетрут… *