Материаловедение и технология конструкционных материалов

Вопрос 1. Антифрикционные металлические и неметаллические материалы. Требование к свойствам, маркировка, применение. Ответ Антифрикционные материалы обладают небольшим коэффициентом трения, надежно работают при различных нагрузках и характеризуются малым износом.Они находят применение во всех областях техники, в том числе и в судостроении для подшипников скольжения и деталей, работающих в условиях трения. К металлическим антифрикционным материалам в судостроении относятся баббиты, бронзы оловянистые и безоловянистые алюминиевые и латуни.

Баббиты применяют для заливки вкладышей подшипников.Основные требования, предъявляемые к антифрикционным сплавам баббитам 1. Они должны иметь достаточную твердость, но не очень высокую, чтобы не вызвать сильного износа вала 2. Сравнительно легко деформироваться под влиянием местных напряжений, т.е. быть пластичными 3. Удерживать смазку на поверхности 4. Иметь малый коэффициент трения между валом и подшипником. Кроме того, температура плавления этих сплавов не должна быть высокой, и сплавы должны обладать хорошей теплопроводностью и устойчивостью к коррозии.

Баббитами оловянистыми и свинцовистыми называют подшипниковые сплавы на основе олова или свинца. Оловянистые баббиты, помимо олова, содержат сурьму и медь. Баббиты по структуре состоят из пластичной основы и распределенных в ней твердых металлических частиц соединения олова с сурьмой и медью.Твердые кристаллы SnSb и Cu6Sn5 играют роль опорных частиц, воспринимающих основную нагрузку вала. В основе баббита при работе трущихся частей образуются микрокапиллярные каналы, обеспечивающие равномерный подвод смазки к трущимся поверхностям.

В судостроении применяют оловянистый баббит Б83, свинцово-никелевый БН и свинцовистый Б16. Химический состав и условия работы баббитов приведены в Табл. 1. Табл. 1 Химический состав, ГОСТ 1320-74 и условия работы оловянистых и свинцовистых баббитов Марка баббитаSbCuCdNiAsSnPbХарактер нагрузкиУдельная нагрузка P, кгссм2Скорость скольжения V, мсне болееБ8310 135,5 6,5 Остальное Спокойная405Ударная253БН13 151,2 21,3 1,70,75 1,750,5 0,11ОстальноеСпокойная405Ударная253Б1615 171,17ОстальноеСпокойная252 Оловянистый баббит Б83 применяется для заливки вкладышей подшипников, работающих при высоких удельных нагрузках, больших окружных скоростях и с высокой напряженностью свинцово-никелевый баббит БН для заливки подшипников, работающих в более легких условиях.

Баббит Б16 при комнатной температуре хрупок, при ударных нагрузках дает трещины.

Он используется для вкладышей неответственных подшипников в условиях низких нагрузок и малых окружных скоростей.Бронзы оловянистые и алюминиевые, используемые в качестве антифрикционных материалов, допускают более высокие удельные нагрузки, чем баббиты, но по напряженности PV произведение удельной нагрузки на скорость скольжения и допустимой рабочей температуре на поверхности скольжения уступают баббитам.

Из бронзы изготавливают подшипниковые втулки, вкладыши, червячные шестерни, венцы зубчатых колес, облицовки гребных валов и валов вспомогательных механизмов.Условия применения бронз в узлах трения приведены в Табл. 2. Табл. 2 Условия работы антифрикционных бронз Марка бронзыХарактер нагрузкиУдельная нагрузка P, кгссм2Скорость скольжения V, мсНапряженность работы PVДопустимая температура, 0Cне болееБрОФ10-1Спокойная80540060Ударная605 30060БрОЧ10-2Спокойная151015040БрОЦСН3-7 -51Ударная40520060БрОЦС5-5-5Спокойная503 15060БрАМ410-2Спокойная50310060БрАЖ9-4Уд арная3527060БрС30Спокойная901085085Ударн ая701050085 Латуни ЛМ458-2, ЛК80-3Л, ЛС59-1 ограниченно используют для изготовления малонагруженных втулок и подшипников механизмов с ручным приводом и обильной смазкой.

Металлические антифрикционные материалы в ряде случаев заменяют неметаллическими такими, как специальная резина 8130, 8075 и 1626, слоистый пластик ДСП-А и ДСП-Б, бакелит, текстолит, капрон и полиамидная смола, применяемые для подшипников, работающих в воде например, для дейдвудных подшипников.

Эти материалы допускают удельные нагрузки до 2,5 кгсм2, скорость скольжения до 10 мс и рабочую температуру на поверхности подшипников до 400С. Вопрос 2. Сварочные напряжения и деформации. Технологические и конструктивные способы их уменьшения.

Ответ В сварочных конструкциях в результате неравномерного нагрева и последующего охлаждения металл возникают значительные внутренние, или сварочные, напряжения, которые разделяют на временные и остаточные.К временным относят напряжения, действующие только в определенный момент сварки при изменении температуры. К остаточным относят напряжения, остающиеся после сварки и охлаждения сварной конструкции.

Сварка вызывает напряжения растяжения, сжатия, изгиба, среза и кручения. При сварке конструкций из малоуглеродистой стали механические свойства наплавленного металла зависят от вида сварки.Так, предел прочности при газовой сварке составляет 340 420 МНм2, при дуговой с качественными покрытиями и автоматической под флюсом 470 500 МНм2. Сварочные напряжения снижают работоспособность конструкций. Кроме того, сварочные напряжения приводят к деформации деталей.

Остаточные напряжения и деформации при сварке получаются вследствие неравномерного нагревания и охлаждения металла, литейной усадки наплавленного металла, структурных изменений наплавленного и основного металла в зоне термического влияния.При неравномерном нагревании и охлаждении возникают термические напряжения. Если нагреть незакрепленный металлический стержень, то при охлаждении он примет первоначальные размеры.

Если стержень закрепить, то он не сможет свободно изменить размеры. Деформация стержня вызовет термические напряжения. При сварке всегда имеется жесткая конструкция, т.к. нагревается только небольшой участок металла. Свободному расширению и сокращению детали препятствуют соседние холодные участки металла. Усадка наплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое вызывает продольные и поперечные напряжения.Структурные изменения наплавленного и основного металлов в зоне термического влияния могут сопровождаться изменением объема.

Напряжения, возникающие вследствие изменения структуры металла, имеют большое значение только для сталей, склонных к закалке особенно легированных, т.к. образование мартенсита при закалке сопровождается увеличением объема металла. Величина деформаций и напряжений в значительной степени зависит от формы деталей, их размеров и зоны нагрева при сварке.Для предотвращения напряжений, возникающих при сварке, необходимо применять предварительный подогрев изделий перед сваркой для уменьшения разности температур в изделии, а также замедления скорости его охлаждения отжиг стальных изделий при 550 6500 C легкую проковку шва ударами молотка для многослойных швов. При этом могут образоваться мелкие трещины, которые завариваются последующей наплавкой слоев металла.

Для предотвращения деформаций металла при сварке рекомендуется обратноступенчатый порядок нанесения швов, при котором шов делится на участки длиной 150 200 мм и сварка ведется отдельными участками, что препятствует концентрации тепла в одном месте и уменьшает зону разогрева изделия деформирование детали перед сваркой в направлении, обратном деформированию при сварке этот способ обычно применяют для изделий с несимметричным расположением швов уравновешивание деформаций, т.е. выбор такого порядка наложения швов, чтобы последующий шов вызывал деформации, обратные тем, которые образовались при наложении предыдущего шва усиление отвода тепла от свариваемого изделия погружением в воду или применением медных подкладок, что уменьшает объем нагретого металла и соответственно его деформацию жесткое закрепление деталей в специальных приспособлениях это уменьшает деформацию, но увеличивает внутренние напряжения последующим отжигом внутренние напряжения устраняются.

Вопрос 3. Технология хонингования назначение, инструмент, технологическая схема обработки.

Ответ Хонингованием называют технологический метод отделки поверхностей заготовок мелкозернистыми абразивными брусками, установленными в хонинговальной головке, которая вращается и одновременно возвратно-поступательно перемещается вдоль своей оси. Обрабатываемая заготовка в этой схеме неподвижна. Этот метод применяют, главным образом, при отделке сквозных цилиндрических и реже при обработке ступенчатых и глухих отверстий.

При сочетании выше указанных движений S и V головки на обрабатываемой поверхности появляется косая сетка микроскопических винтовых царапин от абразивных зерен, что способствует удержанию смазки на поверхности.

Обработку хонингованием выполняют при обильной подаче около 50 лмин смазывающе-охлаждающей жидкости в зону резания, для чего применяют керосин или смесь керосина и веретенного масла.На Рис. 1 приведены схемы отделки цилиндрического отверстия хоном а и развертки обрабатываемой поверхности б. Механизм станка обеспечивает длину хода хонинговальной головки вдоль оси с перебегом брусков на некоторую величину за верхний и нижний торцы изделия.

Перебегом брусков исключают неполную выработку материала у концов отверстия и получают одинаковый диаметр по всей глубине. Вращательное движение передается головке шарнирным соединением, что способствует самоустановке головки по отверстию. Рис. 1. Схема отделки цилиндрических отверстий хонингованием.Для предварительного хонингования используются бруски 6-4, а для окончательного М28 М14 при обработке стали брусками из белого электрокорунда и при обработке чугуна брусками из карбида кремния на керамической связке.

Также используются бруски с зернами из синтетических алмазов, что существенно повышает качество обработки. Хонинговальные головки имеют число абразивных брусков кратное трем, т.е. шесть, девять и двенадцать, которые крепят в держателях при помощи ацетоноцеллулоидного клея. Их изготавливают с механическим, пневматическим и гидравлическим устройством для разжима брусков.Во время обработки бруски самоустанавливаются и плотно прижимаются к поверхности изделия с постоянным давлением 495 981 КНм2 независимо от величины их износа. Износ брусков не влияет на формирование размера отверстия.

Припуск на обработку хонингованием оставляют для стали 0,01 0,06 мм, для чугуна 0,02 0,2 мм. Хонингованием можно довести точность обработки отверстия до 1-го класса, а шероховатость поверхности до 11-го класса чистоты.Этим методом исправляют овальность, конусность и другие дефекты формы, но не исправляют увод оси, полученный при предыдущей обработке. Хонингованием обычно обрабатывают отверстия после чистового растачивания, развертывания, протягивания и тонкого растачивания.

Вопрос 4. Свариваемость металлов. Особенности сварки чугуна и цветных металлов. Ответ Под свариваемостью понимают способность металла образовывать сварное соединение с требуемыми физико-химическими и механическими свойствами. Сваривать чугун очень трудно вследствие высокого содержания углерода и низкой пластичности.Чугун сваривают в горячем и холодном состоянии.

При горячей сварке изделие предварительно подогревают до 600 6500 C и поддерживают эту температуру в течение всего процесса сварки. Горячая сварка чугуна может быть осуществлена электрической дугой или газовым пламенем с общим или местным подогревом изделия. После окончания сварки деталь накрывают асбестом или засыпают углем для медленного остывания.В качестве присадочного материала применяют чугунные стержни с содержанием до 3,6 Si. При газовой сварке чугуна горячим способом в качестве флюса применяют прокаленную буру или смесь 50 буры, 47 двууглекислого натрия и 3 кремнезема.

Сварочное пламя должно быть науглероживающим или с небольшим избытком ацетилена. Мощность пламени определяют в зависимости от толщины металла на 1 мм толщины 0,1 - 0,12 м3г ацетилена. Горячая сварка чугуна электрической дугой обычно осуществляется на постоянном токе металлическим или угольным электродом.Металлические электроды изготавливают из чугунных стержней диаметром 12 мм, покрытых специальными обмазками.

Более распространенным методом сварки чугуна является холодная сварка электрической дугой, при которой не требуется предварительный нагрев изделия. В качестве электродов применяют чугунные или стальные стержни со специальной обмазкой, стрежни из сплавов меди с никелем и др. Процесс сварки необходимо вести коротким швом. Для медленного охлаждения шов покрывают листовым асбестом.Сварку ковкого чугуна выполняют более просто, т.к. он обладает некоторой вязкостью, что исключает появление трещин при сварке.

Сварку высокопрочных чугунов осуществить значительно сложнее, т.к. чугуны обладают повышенной склонностью к закаливаемости и отбеливанию. Кроме того, трудно обеспечить высокие механические характеристики сварного соединения. Дефекты чугунного литья можно исправить газовой сваркой с применением электродов из магниевого чугуна.Заварка небольших дефектов в отливках из чугуна осуществляется электродуговой сваркой с железоникелевыми электродами.

При сварке алюминия и его сплавов возникают трудности. Алюминий легко окисляется, и на его поверхности образуется тугоплавкая пленка Al2O3 с температурой плавления 6580 C и кипения 18000 С. Эта пленка защищает поверхность металла от дальнейшего окисления, но препятствует сварке, поэтому ее следует перед сваркой удалить. При нагревании алюминия до температуры плавления часто образуются прогибы, изломы и провалы в свариваемых изделиях.Алюминий в жидком состоянии хорошо растворяет водород.

При понижении температуры выделяется и располагается по границам зерен в виде мельчайших пузырьков, ослабляющих прочность шва и околошовной зоны. При затвердевании алюминия и его сплавов получается большая усадка, для уменьшения которой применяют прутки и электроды специального состава.Перед сваркой алюминия и его сплавов кромки изделия и присадочные прутки очищают от грязи, обезжиривают бензином или раствором каустической соды и подвергают травлению, после которого детали промывают в холодной и горячей воде. При газовой сварке алюминия и его сплавов, ввиду их интенсивного окисления, применяется пламя с небольшим избытком ацетилена.

Для растворения пленки окиси алюминия на свариваемых деталях и удаления ее из сварочной ванны применяют порошкообразные флюсы или пасты специального состава.Сварку алюминиевого литья ведут с предварительным подогревом до 250 2600 C. Для получения мелкозернистого строения шва и устранения внутренних напряжений иногда его подвергают отжигу при 300 3500 C. При электродуговой сварке металлическим электродом применяют специальную обмазку, в состав которой входит до 15 хлористого натрия, до 50 хлористого калия и до 35 криолита. Сварку алюминия и его сплавов ведут при постоянном токе обратной полярности короткой дугой при силе тока 25 30 А на 1 мм диаметра электрода.

Электродуговую сварку алюминия угольным электродом осуществляют с присадочным металлом и флюсом того же состава, что и при газовой сварке, шлак после сварки удаляют горячей водой.

Атомно-водородную сварку алюминия и его сплавов применяют для ответственных конструкций при соединении деталей толщиной 1,5 10 мм. Аргоно-дуговую сварку плавящимся электродом применяют для деталей толщиной 4 100 мм и более, а неплавящимся электродом 0,5 15 мм. Эта сварка рекомендуется для ответственных конструкций, испытывающих большие нагрузки или требующих плотных швов. Сплавы магния с марганцем, цинком и алюминием обладают достаточно высокими механическими свойствами.

Температура плавления сплавов магния 460 6500 C. При газовой сварке магниевых сплавов возникают трудности, связанные с их легкой воспламеняемостью. Затрудняет сварку также низкая температура плавления магниевых сплавов и образование на поверхности сварочной ванны очень тугоплавкой 25000 C окиси магния. Сварка магниевых сплавов осуществляется так же, как и сварка алюминиевых сплавов.При газовой и электродуговой сварке магниевых сплавов обычно применяют флюсы того же состава, что и при сварке алюминия.

При сварке меди и ее сплавов необходимо учитывать, что теплопроводность меди в 5,6 раза больше теплопроводности железа. При нагревании меди свыше 4000 C в окислительном пламени получается закись меди Cu2O, которая легко восстанавливается водородом с образованием водяного пара, практически не растворяющегося в твердой меди и при нагревании создающего внутреннее давление в металле, являясь причиной трещин водородная болезнь.При газовой сварке меди применяют присадочные прутки из чистой электролитической меди. При сварке меди обычно применяют флюс, содержащий 70 буры, 10 борной кислоты и 20 хлорида натрия.

Мощность горелки при сварке меди вследствие ее большой теплопроводности должна быть в 1,5 2 раза больше, чем при сварке стали. Изделия с большой толщиной во время сварки подогревают второй горелкой.Сварочный шов после сварки рекомендуется проковать при 400 5000 C для повышения его механических свойств изделие после сварки подвергают отжигу.

При сварке меди открытой дугой применяют присадочные прутки из фосфористой меди с обмазкой, в состав которой входят бура, фосфорнокислый натрий, кремниевая кислота и древесный уголь. При сварке меди закрытой дугой применяют специальные флюсы. Латунь сваривают в основном ацетилено-кислородным нормальным пламенем и угольной дугой. Бронзу сваривают газовой, дуговой и аргоно-дуговой сварками.Вопрос 5. Описать различные способы установки обрабатываемых деталей на токарных станках в зависимости от операции и формы заготовки, дать эскизы, перечислить необходимую оснастку.

Ответ На токарных станках можно выполнять точение в центрах, в патроне и на планшайбе, растачивание, торцовое точение, отрезку и подрезку, нарезание винтовой резьбы, точение конусов, фасонных поверхностей и другие виды работ с применением соответствующих инструментов и приспособлений.Рис. 2. Обработка деталей в центрах центр состоит из конуса 1, на котором устанавливается обрабатываемая деталь с центровыми отверстиями, и конического хвостовика 2 Рис. 2. Хвостовик переднего центра должен точно соответствовать коническому отверстию шпинделя передней бабки станка, а заднего центра пиноли задней бабки. Передний центр вращается вместе со шпинделем и обрабатываемой деталью, тогда как задний центр неподвижен.

При обтачивании деталей на больших скоростях, а также тяжелых деталей работа на неподвижном центре задней бабки приводит к быстрому износу центра и разработке центрового отверстия детали.Для уменьшения износа его оснащают твердым сплавом, но в подобных случаях лучше применять вращающиеся центры.

Для передачи вращения от шпинделя к обрабатываемой детали применяют поводковый патрон 1, навинченный на шпиндель станка и хомутик 2, закрепленный винтом 3 на обрабатываемой заготовке 4, 5 пиноль задней бабки Рис. 3. Свободный конец хомутика захватывается пальцем патрона и приводит обрабатываемую деталь во вращение.Некоторые детали втулки, заготовки шестерен, имеющие отверстия, устанавливают в центрах на специальных центровых оправках.

Рис. 3. При наружном обтачивании деталей длиной L 4D их закрепляют только в патронах. Для закрепления используют трех- и четырехкулачковые патроны, навинчиваемые на шпиндель. Трехкулачковый самоцентрирующий патрон Рис. 4а применяют для закрепления симметричных деталей.Кулачки 2, 3, 4 могут радиально перемещаться к центру или от него. Перемещение осуществляется зубчатым коническим колесом 5 с нарезанной плоской спиральной впадиной на торцевой стороне и тремя коническими зубчатыми колесами 6. Эти колеса вмонтированы в корпус 1 патрона и получают вращение от торцового ключа.

Выступы кулачков совершают перемещение в радиальных пазах корпуса, захватывая деталь. Четырех кулачковые патроны Рис. 4б применяют для установки и закрепления деталей сложной и несимметричной формы.В них имеется независимое перемещение кулачков 7, 8, 9, 10, закрепленных в планшайбе 11. При массовом и крупносерийном производстве применяют патроны с пневматическим и гидравлическим зажимами. Рис. 4. Токарные патроны.

Рис. 5. Крепление детали на планшайбе. Точение на планшайбе Рис. 5 при обработке несимметричных деталей и деталей сложной формы применяют планшайбу 1, навинчиваемую на шпиндель. Деталь укрепляют на планшайбе болтами. Закрепленная деталь 3 уравновешивается противовесом 2. При растачивании внутри отверстия с применением расточных резцов детали укрепляют в кулачковых патронах или на планшайбе.При торцовом точении, отрезке и подрезке подрезными резцами деталь также закрепляют в кулачковых патронах или на планшайбе.

Для обтачивания наружных поверхностей валы, оси с отношением длины к диаметру LD 10 12 для предохранения от прогиба применяют направляющие приспособления люнеты они могут быть неподвижными и подвижными. Подвижный люнет крепят на каретке суппорта и вместе с ней перемещают вдоль обрабатываемой детали.Неподвижный люнет Рис. 6 ставят на направляющие станины 1, планкой 9 и болтом с гайкой 8 закрепляют между передней и задней бабками станка.

Обрабатываемая деталь охватывается тремя регулирующими упорами-кулачками 7. Рис 6. Точение в центрах с неподвижным люнетом. Конусные детали большой длины обрабатывают при помощи копировальной конусной линейки, которую располагают на кронштейне, прикрепленном к станине станка.При обработке фасонных поверхностей при продольном точении используют те же копировальные приспособления, что и при обработке конусов, но копировальную линейку заменяют фасонным копиром.

Нарезание резьбы на токарных станках производят резьбовыми резцами, а также метчиками и плашками при их установке с помощью патрона в пиноли задней бабки станка. Если требуется обеспечить нестандартный шаг резьбы или необходимо нарезание резьбы повышенной точности, настройку станка производят с помощью набора сменных зубчатых колес гитары. Рис 7. Схема обработки заготовки зубчатого колеса на карусельном станке.Обработку тяжелых заготовок большого диаметра и малой длины маховики, диски турбин, бандажи, зубчатые колеса и т.п. производят на токарно-карусельных станках Рис. 7, на которых ведут многоинструментную обработку одновременно нескольких поверхностей.

Использование различных приспособлений позволяет делать нарезание резьбы, обработку фасонных поверхностей по электрокопиру, фрезерование пазов и бобышек, шлифование плоских поверхностей и другие работы.Установка для обработки зубчатого колеса 2 большого диаметра на круглом горизонтальном столе-планшайбе с вертикальной осью вращения облегчает выверку и крепление заготовки.

Литература 1. Кнорозов Б.В. и др. Технология металлов М 1974. 2. Лахтин Ю.М, Леонтьева В.П. Материаловедение М 1980. 3. Геллер Ю.А Рахштадт А.Г. Материаловедение М 1989. 4. Беньковский Ф.Ф Сторожев В.П. и др. Технология судоремонта М 1986. 5. Шмыков А.А. Справочник термиста М 1977. 6. Общетехнический справочник М 2000. 7. Методические указания по материаловедению и технологии металлов СПб, 2004. 8. Акимов П.П. Судовые силовые установки М 1979. 9. Полухин П.И. Технология металлов М 1980.