Автомобильные детали изготавливаются из углеродистых, легированных, специальных сталей, чугунов различной структуры, цветных сплавов, отливаемых на различной основе. Соответственно при их восстановлении используются разнообразные ремонтные материалы. Выбор способов, технологических вариантов и режимов восстановления деталей непосредственно связан со знанием химического состава, структуры, механических, физических и технологических характеристик тех металлов и сплавов, из которых они изготовлены.
В процессе эксплуатации автомобилей рабочие поверхности большинства их деталей подвержены изнашиванию под влиянием сил трения, коррозионных воздействий и других причин. Кроме того, многие детали воспринимают при работе значительные динамические нагрузки, возникающие при сгорании газов в камере сгорания цилиндров двигателей, из-за действия инерционных сил, при нарушении соосности сопряженных агрегатов, механизмов и деталей, в результате частотных колебаний, при торможении автомобиля, ударах колес о препятствия (неровности дороги) и по другим причинам. Многие детали воспринимают систематические переменные нагрузки и поэтому могут подвергаться усталостным разрушениям. К таким деталям в первую очередь следует отнести продольные балки и поперечины рам, рессорные листы, пружины подвески и полуоси и др.
Сопряженные рабочие поверхности автомобильных деталей подвержены различным видам механического и коррозионно-механического изнашивания, в частности абразивному и газоабразивному (клапаны, гильзы цилиндров и др.), усталостному (рабочие поверхности зубчатых венцов шестерен, подшипников качения и т. п.), окислительному (поршни, головки цилиндров, поршневые кольца и др.), изнашиванию при фреттинг-коррозии (рессорные листы), а также комбинированному воздействию перечисленных и других видов изнашивания (гильзы цилиндров, клапаны и др.).
В отношении смазки условия работы сопряжений деталей автомобиля не одинаковы. Лишь подшипники коленчатых валов (коренные и шатунные) работают при установившемся режиме в условиях гидродинамической смазки, работа некоторых деталей (например, подшипников распределительных валов) протекает на границе условий гидродинамической и полужидкостной смазок; большинство же деталей работает при граничной смазке. Таким образом, можно заключить, что соответственно характеру и величинам воспринимаемых нагрузок, видам трения и условиям смазки сопряжения узлов и агрегатов автомобилей работают в сложных условиях.
Особенности использования автомобилей не позволяют при разработке их конструкций с целью повышения надежности и увеличения ресурса идти по пути увеличения сечений, габаритных размеров и массы деталей. Поэтому к материалам, применяемым при их производстве и восстановлении, предъявляются высокие требования. Они должны надежно обеспечивать статическую и динамическою прочность изготовляемых из них деталей, гарантировать высокую износостойкость трущихся поверхностей, а в ряде случаев также температурную и коррозионную стойкость.
Указанным требованиям хорошо отвечают легированные стали. В нормализованном и особенно улучшенном состоянии они обеспечивают при ограниченных сечениях необходимую прочность изготовляемых из них деталей, а в результате химико-термической обработки с последующими закалкой и низкотемпературным отпуском — высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей при больших удельных нагрузках. За счет соответствующего подбора легирующих компонентов у изготовляемых деталей достигаются пружинящие свойства, коррозионная стойкость, жаропрочность и другие специальные качества. В автомобилестроении широко распространены легированные стали при большом разнообразии используемых групп, марок и химического состава.
Однако нельзя не учитывать, что стоимость легированных сталей намного превышает стоимость качественных углеродистых сталей. Поэтому наряду с легированными при изготовлении автомобильных деталей применяются более дешевые низколегированные и качественные углеродистые стали. Они применяются во всех случаях, когда это не вызывает снижения надежности и ресурса соответствующих деталей, а следовательно, и тех агрегатов и узлов, в конструкцию которых они входят. Например, такие детали, как полуоси, шкворни поворотной цапфы, поршневые пальцы у грузовых тяжелых машин, изготовляются, как правило, из легированных сталей; у легковых автомобилей и грузовиков невысокой грузоподъемности для производства аналогичных деталей обычно используются качественные углеродистые стали марок сталь 40 и сталь 45 (при поверхностной закалке ТВЧ).
В качестве заготовок автомобильных деталей используются поковки, штамповки, черное и цветное литье. Первые два вида заготовок отличаются наиболее благоприятной структурой металла, и следовательно, и наилучшими механическими свойствами изготовляемых из них деталей. Поэтому в конструкциях автомобилей кованых и штампованных деталей большинство. Исходным материалом для изготовления поковок и штамповок является металлопрокат. Однако из-за относительно высокой стоимости металлопроката и сложности операций обработки металлов давлением в тех случаях, когда нагрузки деталей ограничены, целесообразно вместо поковок использовать отливки (при изготовлении кронштейнов, педалей, корпусов и т. д.). При изготовлении деталей особенно сложной формы литье часто является единственно возможным способом изготовления заготовок (блоков двигателей, головок блока, картеров коробок передач, картеров редукторов и других деталей). Наиболее дешевым видом черного литья, но вместе с тем наименее прочным является чугун с пластинчатым графитом. Механические качества чугуна могут быть повышены за счет его модификации, легирования, специальной термической обработки. В связи с этим в автомобильной промышленности широко применяются чугуны с шаровидным графитом, легированные и ковкие чугуны. Ковкие чугуны обеспечивают наивысшие механические качества изготовляемых из них деталей, однако дороги и сложны по технологии их термической обработки. Чугуны с шаровидным графитом по своим механическим качествам приближаются к ковким, но значительно дешевле и проще по технологии изготовления заготовок. Поэтому в последние годы в автомобильной промышленности материал ряда деталей, прежде изготовлявшихся из ковкого чугуна, заменен на чугун с шаровидным графитом.
Для дальнейшего повышения динамических качеств автомобилей большое значение имеет максимально возможное снижение массы. Этому в значительной мере способствует изготовление автомобильных деталей из сплавов на алюминиевой, цинковой, магниевой основе, а также синтетических материалов, область применения которых с годами непрерывно увеличивается.
Для обеспечения высоких и стандартных качеств автомобильных деталей и одинаковых условий их обрабатываемости стали, чугуны и цветные металлы должны обладать постоянными механическими и технологическими свойствами, не меняющимися существенно в зависимости от партии или плавки. Поэтому при изготовлении ответственных деталей автомобилей часто применяют качественные углеродистые стали, в которых колебание содержания углерода ограничено до 0,05 % против 0,09 % в тестированных сталях. По этой же причине находят применение чугуны и цветные металлы заводских марок с несколько измененным процентным содержанием отдельных компонентов по отношению к стандартным маркам. В некоторых случаях в автомобилестроении находят применение марки легированных сталей и других металлов и сплавов, не предусмотренные ГОСТом.
Химический состав влияет на механические, физические и технологические свойства металлов и сплавов. На свойства сталей в первую очередь оказывает влияние процент содержания в них углерода. Для производства автомобильных деталей применяют, как правило, мало- и среднеуглеродистые качественные и высококачественные стали, содержащие до 0,5 % углерода. При изготовлении пружин и рессор применяют высокоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,70 %. Кроме того, высокоуглеродистые стали широко используются в автостроении и авторемонтном производстве при изготовлении режущего инструмента.
С повышением содержания углерода в стали увеличивается ее временное сопротивление и предел текучести, твердость в нормализованном и отпущенном состоянии и уменьшаются относительное удлинение и ударная вязкость. Кроме того, с увеличением содержания углерода в стали снижается ее свариваемость и возрастает твердость после закалки и отпуска. Практически закалке подвергают углеродистые стали с содержанием углерода от 0,40 % и выше (некоторые легированные стали принимают закалку при меньшем процентном содержании углерода). Малоуглеродистые стали (углеродистые и легированные) с содержанием углерода до 0,30 % и ниже с целью придания им высокой поверхностной твердости при сохранении вязкой и прочной сердцевины часто подвергают химико-термической обработке с последующей закалкой и низкотемпературным отпуском.
На свойства чугунов в первую очередь оказывает влияние форма графитизированного в них углерода (содержание последнего в автомобильных деталях обычно колеблется в пределах 2,2-3,8 %). Наилучшей прочностью и пластичностью обладают ковкие чугуны с округлыми (глобулярными) включениями графита; худшими качествами обладают серые чугуны с пластинчатым графитом.
Механические и другие характеристики сталей и чугунов могут быть значительно повышены за счет введения в их состав легирующих компонентов.
Механические характеристики металлов и сплавов определяются экспериментально на образцах при различных видах их нагружения. Обычно испытания образцов проводят на растяжение, изгиб, ударную вязкость, усталостную выносливость и поверхностную твердость. Чугуны испытывают также на сжатие. Существуют и другие виды испытаний, однако для конструкционных автомобильных материалов они используются редко.
Под технологическими характеристиками обычно понимают способность металлов и сплавов подвергаться тем или иным технологическим операциям с целью получения изделий с необходимыми свойствами. К технологическим характеристикам относят жидкотекучесть, деформируемость, прокаливаемость, свариваемость, обрабатываемость резанием и др. Применительно к авторемонтным и автотранспортным предприятиям наибольшее практическое значение имеют такие технологические характеристики металлов и сплавов, как свариваемость и механическая обрабатываемость.