Материаловедение. Технология конструкционных материалов

         Износостойкость является одной  из важнейших характеристик чугуна. При трении наряду с упругими деформациями происходят пластические и разрушаемые деформации — смятие и срез, а иногда и вырывание частиц. При трении подшипников о поверхность вала соприкасающиеся точки проходят серийно повторяющийся цикл, что вызывает контактную усталость и соответствующий износ.

         Картер распределительных шестерен имеет износ при трении со смазкой (нижняя часть картера). Большое значение для износостойкости при трении со смазкой имеют количество, форма и расположение графита в структуре. Наилучшими формами являются среднепластинчатая, компактная и шаровидная. С размельчением графита износ увеличивается. Очень мелкие шаровидные включения уступают по своему влиянию на износостойкость среднему по величине пластинчатому графиту в сером чугуне.

         При статическом  нагружении чугун испытывает  упругие деформации матрицы и обратимые деформации полостей, занятых графитом, причем интенсивность этих деформаций возрастает с увеличением нагрузки. Кроме упругих деформаций происходят остаточные деформации, которые обязаны своим происхождением пластичной матрице и полости графита. Эта деформация особенно резко проявляется на поверхности образцов, где она  приводит к образованию трещин. Серый чугун имеет вязкий излом, происходящий по зернам (темный излом) и хрупкий. Но чаще комбинированный (частично вязкий, частично хрупкий).

         Характерным  дефектом картера распределительных  шестерен являются трещины, обломы, срывы резьб в резьбовых отверстиях и износ посадочных поверхностей в отверстиях под подшипники. Иногда наблюдаются случаи износа поверхности картера торцом блока шестерен заднего хода[6].

          Очаг  разрушений обычно возникает  вблизи поверхности, которая как  наиболее  нагруженная часть детали претерпевает микродеформацию, я затем образуется микротрещина. В чугунах включения графита, сульфида, фосфата не разрушаются, а служат препятствием для дальнейшего распространения трещины, выполняя функцию ингибирования, и требуют дополнительной энергии для своего разрушения или вырывания. Форма графита и его распределение в чугуне определяют отличие в поведении чугуна от стали при разрушении[8].

          Самый  большой износ картера шестерен  — это деформация поверхностей. Несоосность осей посадочных отверстий подшипников в картере можно объяснить деформацией картера, происходящей вследствие действия реакций в опорах, возникающих при передаче окружных усилий шестернями.

 

        1.2 Обоснование выбора материала для изготовления детали

        Отливка картера  шестерен двигателя СМД-14Б получается  методом литья в земляную форму. Для получения качественной отливки необходимо применять материал с высокими литейными свойствами. Кроме того, материал отливки должен необходимые эксплуатационные требования. Для картера шестерен,  испытывающего при работе статические нагрузки, наиболее подходящим является серый чугун.

         Серый ферритный  чугун СЧ 15 применяется в двигателе СМД-14Б,

СЧ 18 в двигателе СМД-60 и СЧ 20 в двигателе трактора ТТ-4[9].

          За рубежом в тракторостроении применяется серый чугун G 20 (США)[7].

          При выборе оптимальной марки чугуна необходимо исходить из требований, которым должен удовлетворять серый чугун: достаточная механическая прочность, способная противостоять статическим нагрузкам; хорошие литейные свойства, позволяющие получить отливку сложной формы; хорошая обрабатываемость резанием, допускающая механическую обработку на автоматических линиях в массовом производстве; невысокая стоимость чугуна и входящих в него компонентов. В соответствии с перечисленными требованиями необходимо при выборе оптимального чугуна провести сравнительный анализ СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20 и G 20 по химическому составу, механическим и технологическим свойствам.

         В таблице  1.1 показан химический состав серых чугунов, применяемых для изготовления картера шестерен[10].

        Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими Fe, C, Si, Mn и небольшие примеси серы и фосфора.

         В небольших количествах в  серые чугуны могут попасть  из руды Cr, Ni, и Cu. Так в СЧ 15 на ХТЗ находится 0,058% Cr, в СЧ 15 отлитом на ЛТЗ – 0,17% Cr и 0,2% Ni[7].

Таблица 1 – Химический состав рекомендуемых серых чугунов  для изготовления картера шестерен

Марка чугуна	Массовая доля элементов
	C	Si	Mn	P	S	Другие
СЧ 15	3,5…3,7	2,0…2,4	0,5…0,8	0,2	0,15	–
СЧ 18	3,4…3,6	1,9…2,3	0,5…0,7	0,2	0,15	–
СЧ 20	3,3…3,5	1,4…2,2	0,7...1,0	0,2	0,15	–
G 20	3,45	2,0	1,3	0,1	0,01	0,15 Cr 0,15 Ni

         Содержание углерода в СЧ 15 от 3,5 до 3,7% и кремния от 2,0 до 2,4%, в  СЧ 18 меньше  (3,4…3,5% C и 1,4...2,2% Si)  еще   меньше в СЧ 20   (3,3…3,5% C и 1,4…2,2% Si). В СЧ 20 находится до 1% марганца. В чугуне G20 содержание углерода и кремния находится на уровне СЧ 20, но марганца повышено до 1,3%, а серы и фосфора снижено до 0,1%.

         Надежность  и  долговечность картера шестерен зависит от механических и технологических свойств материала, из которого он изготовлен. В таблице 1.2 показаны механические свойства чугунов при сжатии, растяжении, изгибе и кручении[7].

         Прочностные свойства чугуна (σв, σс, τв, σu ) определяются характером его структуры, которая в свою очередь, зависит от химического состава и ус-

ловий охлаждения чугуна в литейной форме.

Таблица 1.2 – Механические свойства чугунов

Марка чугуна	При растяжении
	σв, МПа	HB			Е • ,МПа			δ, %			,МПа
СЧ 15	117	163...229			70			0,2...1,0			60
СЧ 18	176	170...241			80			0,2...1,0			70
СЧ 20	196	170...241			85			0,4...0,6			90
Марка чугуна	При сжатии								При кручении
	, МПа		φ, %			, МПа			, МПа			, МПа
СЧ 15	600		40			80			280			70
СЧ 18	800		35			90			300			80
СЧ 20	850		30			120			300			100
Марка чугуна	При изгибе						КСU, Дж/			φ, % при вибрации под нагрузкой
	, МПа			, МПа
СЧ 15	300			62			60			30...32
СЧ 18	360			66			50			30...33
СЧ 20	400			67			40			30

        

 Прочность серого чугуна определяется, прежде всего, его металлической основой. Такие свойства как σв, ударная  вязкость (КСU), длительная прочность зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитных включений.

          Прочность серого чугуна зависит от вида нагружения: при растяжении σв имеет наименьшее значение; наибольшее значение прочности серые чугуны имеют при сжатии. При кручении τв и изгибе σu ниже, сжатии, но выше чем при растяжении. Усталостная прочность характеризуется по пределам выносливости (σ-1, τ-1, σ-1С и σ-1u), значения которых почти равны при различных видах нагружения (таблица 1.2). От предела выносливости зависит долговечность картера шестерен.

         Пластические свойства  ферритных  чугунов СЧ 15 и СЧ 18 зависят от  вида нагруженного состояния:  при сжатии φ наиболее высокое,  при кручении и изгибе пластичность меньше и при растяжении еще меньше (δ = 0,2...1,0).

         Ударная вязкость выявляет склонность к хрупкому разрушению и определяется работой распространения трещины, чем больше KCU, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. Ударная вязкость серого чугуна зависит от пластичности[2].

          Твердость чугуна почти полностью зависит от структуры металлической основы, а модуль упругости зависит от графита[10].

         Физические свойства серого чугуна (плотность, тепловые свойства) зависят от состава и структуры, а именно от марки чугуна (таблица1.3). Наименьшая плотность у СЧ 15 и большая и СЧ 20. Это объясняется тем, что у СЧ 20 уменьшается содержание углерода и графита. В жидком состоянии плотность можно принять для серого чугуна γ = 6,7..7,1 г/ .

         Коэффициент линейного расширения (α), теплоемкость (с) и теплопроводность (λ) зависят также от состава и структуры чугуна, но главным влияющим фактором является температура, с повышением которой  с и α увеличиваются, а λ понижается[6].

         Таблица 1.3 –  Физические свойства серых чугунов, применяемых для изготовления картера шестерен

Марка чугуна	γ, г/	, 1/ºC	, калл/(см•с•ºC)	, Дж/кг•ºC	tл, ºС
СЧ 15	7,0	10...11	0,11...0,13	586...628	1160...1200
СЧ 18	7,2	10...11	0,11...0,13	586...628	1160...1200
СЧ 20	7,0...7,2	10...11	0,10...0,12	586...628	1200...1240

        Коррозионная стойкость серого чугуна повышается по мерее измельчения графита и уменьшения его количества, при однофазной структуре матрицы, а также при уменьшении Si, S и P. В чистой атмосфере металла составляют 0,025 мм/год, в городской атмосфере – 0,125 мм/год, в воде – < 0,125 мм/год, в почве – 0,13...0,60 мм/год. Термостойкость серого чугуна определяется механическими свойствами, теплопроводностью и коэффициентом расширения. Чем больше α, δ и σв, меньше Е, тем выше термостойкость[6].

         Технологические свойства – обрабатываемость чугуна определяются его составом и структурой. Обрабатываемость серого чугуна связана с его твердостью НВ обратной зависимостью. Присутствие графита при механической обработке делает структуру ломкой и давление на инструмент уменьшается. Обрабатываемость оценивается стойкостью инструмента или по эквивалентной скорости резания. При 150 НВ – Vэкв = 1,0; при 180 НВ – Vэкв = 0,65 и при 200 НВ – Vэкв = 0,55[6].

         Литейные  свойства характеризуются по  жидкотекучести, которая определяется по спиральной пробе, отливаемой в песчаной форме. Жидкотекучесть (λж) повышается с увеличением углеродного потенциала и температуры заливки. Чем ниже марка чугуна и выше содержание P, тем больше λж. При высоком значении λж уменьшается вероятность образования спаев, газовых раковин, усадочной пористости[6].

         На механические свойства влияют графитные включения. Наличие пластинчатого графита в сером чугуне делает его практически не чувствительным к надрезам, что позволяет ему конкурировать с более прочной сталью по сопротивлению усталости и пределу выносливости.

         Графитные  включения оказывают сильное влияние на прочность при изгибе. Благодаря большому количеству надрезов металлической основы графитными включениями серый чугун имеет хорошую демпфирующую способность, возрастающую с повышением числа включений графита. Углерод в виде графита оказывает большое влияние на поведение картера шестерен при трении и на величину износа.

         Необходимая  прочность и твердость серого  чугуна достигается изменением содержания углерода и кремния. Структура серого чугуна в первую очередь зависит от суммарного содержания углерода и кремния. Углерод и кремний способствуют графитизации чугуна. Чем меньше содержание углерода, тем меньше графита и выше прочность чугуна. При увеличении содержания связанного углерода увеличивается σв, НВ, Е. При увеличении содержания Si общая твердость чугуна уменьшается[7].

         Марганец  положительно влияет на механические  свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию.