Застосування сталей в машинобудуванні

0
228

Машинобудування – велика сфера діяльності по створенню різного ступеня складності механізмів. Машинобудування настільки різноманітне і багатогранне, що для класифікації виявилося зручним умовно розбити його на кілька великих груп, кожна з яких включає в себе до 10 і більше напрямків:

  • важке машинобудування об’єднує виробництво обладнання для видобувних галузей (видобуток нафти, газу, вугілля, руди), обладнання для металургійної промисловості (ліній, печей та ін.), важкої будівельної, вантажно-розвантажувальної, підйомної техніки, військової техніки;
  • загальне машинобудування охоплює виробництво верстатів для самих різних галузей промисловості, виробництво авіаційного транспорту (вантажного і пасажирського); легкових, вантажних автомобілів і сільгосптехніки, будівництво вагонів, тепловозів, електровозів, морських і річкових суден та ін.
  • середнє машинобудування займається випуском деталей для різних галузей машинобудування, виробництвом верстатів, сільськогосподарського обладнання, деталей для автомобілів, випуском інструментів і приладів, виробництвом устаткування для хімічної, харчової та легкої промисловості;
  • точне машинобудування  включає виробництво точних деталей для автомобілебудування, ракетобудування, а також сюди входять такі галузі, як радіотехніка, електроніка.

Машинобудування – це, перш за все, метал

В створенні верстатів, машин, літаків та ін. техніки і обладнання  використовується різний метал – чавун, вуглецеві і леговані сталі, кольорові метали і сплави (перелік сталей можна розглянути на сайті https://metinvest-smc.com/ua/steel/ ). Розглянемо застосування сталей в машинобудуванні.

У цій галузі використовується конструкційна сталь, у всій сортаментній різноманітності прокату, тобто у вигляді прутків, сортового і фасонного прокату, дроту, листової сталі.

Сама назва «конструкційна» говорить про те, що сталь призначена для виготовлення особливих конструкцій, до яких пред’являються певні вимоги. Вироби повинні витримувати різні  навантаження (динамічні, статичні, вібраційні та ін.) І володіти особливими властивостями по жорсткості, міцності, зносостійкості, стійкості до дії агресивних середовищ. Конструкційна сталь може бути вуглецева або легована.

Вуглецеві сталі в машинобудуванні

У хімічному складі вуглецевих сталей, через особливості технології, присутні в незначній кількості шкідливі домішки, серед яких найбільш значущими є сірка і фосфор. Саме ці елементи погіршують пластичність і здатність до зварювання металу. Залежно від їх кількості, вуглецеві сталі поділяються на:

  • сталі звичайної якості – містять домішок, в процентному вираженні, не більше 0.05%;
  • якісні сталі – вміст шкідливих домішок не більше 0.035%;
  • високоякісні сталі – шкідливих домішок не більше 0.025%;
  • особливо високоякісні сталі – домішок не більше, ніж 0.015%.

Також вуглецеві сталі, в залежності від вмісту в хімічному складі вуглецю, розрізняють, як низьковуглецеві (вуглецю до 0.25%), середньовуглецеві (вміст вуглецю від 0.24% до 0.6%) і високовуглецеві (більше 0.6%).

З вуглецевих сталей звичайної якості випускається значна частина прокату, з якого, в свою чергу, виготовляються мало- і середньонавантажені деталі:

  • прокладки, шайби, кожухи – сталь Ст0;
  • малонавантажені деталі машин – Ст2 кп, Ст2пс, Ст2сп;
  • ціанові деталі (з особливо твердою поверхнею і невисокою твердістю серцевини – кільця, циліндри, шатуни, гаки кранів) – Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп;
  • деталі з невисокими вимогами по міцності (вали, осі, тяги, болти, гайки, гаки) – Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп;
  • деталі з підвищеними вимогами по міцності (осі, зірочки, зубчасті передачі, шатуни, вали та ін.) – Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс;
  • деталі з високою міцністю (шпинделі, муфти, фрикційні і кулачкові ланцюга) – Ст6пс, Ст6сп.

До вуглецевих якісних сталей відносяться:

  • машинні сталі – 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. З них виробляються як малонавантажені вузли та деталі (шестерні, копіри, валики, осі, траверси, упори, важелі та ін.), так і конструкції, які зазнають значних навантаженнь (шпинделі, коленвали, зубчасті колеса, храповики і т.д.);
  • автоматні стали – А12, А20, А30 використовуються для виготовлення невідповідальних деталей масового виробництва на верстатах з ЧПУ;
  • котельна сталь – 20 кп. З цієї сталі роблять ємності і котли, які піддаються дії високого тиску і високих температур (до + 450 °).

Конструкційні леговані сталі в машинобудуванні

Основними технічними документами, що регламентують випуск легованої сталі є:

  • ГОСТ 4543-71 «Прокат з легованої конструкційної сталі»;
  • ГОСТ 5058-65 «Сталь низьколегована конструкційна»;
  • ГОСТ 19281-89 «Прокат із сталі підвищеної міцності».

Сталевий легований прокат класифікується: за хімічним складом і фізико-механічними властивостями (якісна, високоякісна і особливо високоякісна сталь), за якістю поверхні (три групи – 1-ша, 2-га і 3-тя), за видами обробки і станом матеріалу.

За кількістю легуючих елементів сталь розрізняють:

  • низьколеговану – зміст добавок не менше 2,5%;
  • середньолеговану – добавок в межах від 2,5% до 10%;
  • високолеговану – містить від 10% до 50% добавок.

За допомогою легуючих добавок хрому, нікелю, титану, молібдену, ванадію, вольфраму, кобальту, алюмінію, кремнію та ін. домагаються посилення таких властивостей металу, як:

  • твердість;
  • міцність;
  • корозійна стійкість;
  • стійкість до хімічних агресивних середовищ;
  • відсутність крихкості, тобто пластичність;
  • стійкість до ударних, динамічним, вібраційних, різноспрямованим навантажень;
  • стійкість до зусиль на стиск і розтяг;
  • необхідний рівень в’язкості і плинності.

Конструкційна легована сталь(15Х,20Х, 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Г, 12ХН, 20ХН, 40ХН, 14ХГН, 19ХГН, 20ХГНМ, 30ХМ та ін.) – не самий ідеальний матеріал для зварювання, відповідно і застосування вона знаходить у виготовленні деталей і вузлів, що не потребують зварювання –  деталей, яким притаманні підвищені фізико-механічні властивості.

З неї роблять ресори і різного роду пружини (важко навантаженні, відповідальні зі змінними навантаженнями) – сталі 60С2ХА, 50ХФА, 60С2, 70С3А та ін .;

  • втулки, плунжери, копіри, шпинделі, кулачкові муфти та ін. – сталь 20Х;
  • зубчасті колеса, вали черв’ячні і лицьові, вали в підшипниках кочення для верстатів і машин – сталі 45Г2, 50Г2, 38ХА, 45Х, 40Х та ін .;
  • деталі, що працюють на великих швидкостях і важко навантажені деталі – сталі 18ХГТ, 20ХГР;
  • деталі високої міцності – стали: 40ХС, 15ХФ, 40ХФА.

Низьколеговані марки сталей: 09Г2, 09Г2С, 0ХСНД, 17Г1С, 16Г2АФ, 10ХНДП, 15ХНДП, 0ХСНД, 15ХСНД і т.д. відрізняються властивостями:

  • стійкістю до механічного старіння;
  • високим порогом плинності;
  • низькою межею хладноламкості;
  • задовільною пластичністю;
  • гарну зварюваність.

Відповідно до перелічених вище властивостей, низьколегована сталь застосовується для виготовлення турбін, моторів, корпусів вагонів (метро, вантажних і пасажирських, трамвайних та тролейбусних), для створення несучих і допоміжних конструкцій верстатів, локомотивів, тягачів, вантажно-навантажувальних транспортних засобів у важкому і загальному машинобудуванні. Але основна сфера застосування низьколегованої сталі – там, де потрібно зварювання поверхонь, осей, рам та ін.

Застосування сталей в машинобудуванні – тема для не одного десятка томів. У даній оглядовій статті ми дали загальні характеристики і загальну картину затребуваності сталі для створення механізмів і машин, всюди присутніх в нашому житті.