Глава 1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

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.

1.1. Требования, предъявляемые к металлам и сплавам

В процессе эксплуатации автомобилей рабочие поверхности боль-1шнства 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 изна1Ш1вания (ГОСТ 23.002-78), в частности абразивному и газоабразивному (клапаны, гильзы щшиндров 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 изнахш!-вания (гильзы цилиндров, клапаны и др.).

в отношении смазки условия работы сопряжений деталей автомобиля не Ьдинаковы. Лишь подшшшики 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 попужидкостной 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 динамическую 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 химике-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 от-

личаются наиболее благоприятной структурой металла, а 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 про* ным является чугун с пластинчатым графитом. Механические качества чугуна могут быть повышены за счет его модификации, легирования, специальной термической обработки. В связи с зтим 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. Позтому 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 гостированных 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.

1.2. Химический состав, механические, физические и технологические характерисшки металлов и сплавов

Условные обозначения легирующих компонентов для сталей и сплавов приведены в табл. 1.1*.

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. Хя 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 повьпиением 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 вЬше (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, близки к ним по структуре и свойствам высокопрочные чугуны, модифицированные магнием; затем идут модифицированные чугуны, получаемые с использованием других модификаторов; 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. Влияние наиболее распространенных легирующих добавок на структуру и свойства сталей и чугунов указано в табл. 1.2.

Механические характеристики металлов и сплавов определяются зкспериментально на образцах при различных видах их нагружения.

* Таблицы расположены в конце разделов.

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. Основные механические характеристики металлов и сплавов, их содержание и расчетные формулы для вычислений приводятся в табл. 1.3.

К основным физическим характеристикам металлов и сплавов следует отнести плотность (по системе СИ кг/м), коэффициент линейного расширения [ а - 10* мм/(мм - С)], температуру плавления в градусах Цельсия (или К) и температурные точки фазовых превращений аустенита в перлит (Аг) и феррит (Аг) и перлита (Ас) и феррита (Ас ) в аустенит. Указанные физические характеристики в значительной степени определяют рациональные температурные режимы плавки, ковки и термической обработки металлов и сплавов, их технологические свойства.

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 обрабатьшаемость.

Механическую обрабатываемость металлов и сплавов обычно оценивают по износу режущей части инструмента, выполненного из быстрорежущей стали Р18 или твердого титанокобальтового сплава Т5К10. За эталон при этом чаще всего принимают нормализованную качественную углеродистую сталь 45 (НВ 170-180). Существуют и другие методы оценки механической обрабатываемости металлов, в частности по силе резания. В зтом случае полученные результаты обычно сравнивают со значением сиЛы резания, возникающей при обработке стали А12 (ГОСТ1414-75).

Свариваемость определяет способность металлов и сплавов получать при оптимальной технологии прочный и износостойкий шов или наплавленный металл без существенного > снижения эксплуатационных качеств восстановленной или изготовленной детали или сварного узла. Обычно свариваемость оценивается терминами хорошая (без ограничений), вполне удовлетворительная , удовлетворительная , ограниченная (затрудненная), весьма затрудненная и др. Указанные термины устанавливаются согласно накопленному производственному опыту и по результатам лабораторных исследований.