«Материаловедение. Технология конструкционных материалов» (стр. 3 из 8)

Прочность детали, и особенно усталостная, в значительной степени зависит от состояния поверхности и наличия в ней концентраторов напряжений. Надежность — свойство детали сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

Долговечность — свойство детали сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности ее дальнейшей эксплуатации). Долговечность зависит от усталости, износа, коррозии детали[2].

Следовательно, существует комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей зависимости с эксплуатационными свойствами картера распределительных шестерен. К таким свойствам, повышающим предел выносливости, сопротивление контактной усталости, сопротивление износу, коррозии. К наиболее важным технологическим свойствам чугунных картеров относятся герметичность картера, износостойкость, работоспособность. Они определяют поведение чугуна при работе картера под давлением валов и шестерен[2,6].

Сопряженные поверхности картера с другими деталями должны иметь высокую износостойкость, минимальный коэффициент трения. Кроме того, картер распределительных шестерен должен иметь низкую себестоимость, а это связано с технологическими свойствами — литейные свойства и обрабатываемость резанием[7].

Износ, который определяет долговечность детали, представляет собой процесс удаления материала в результате многократного нарушения фрикционных связей, и поэтому, как правило, носит усталостный характер, особенно для деталей, находящихся в соприкосновении друг с другом. Эти разрушения происходят, несмотря на статические давления[6].

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.