Конструкционные материалы в Автомобилестроении

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 боль­шинства, их деталей подвержены изнашиванию под влиянием сил трения, коррозионных воздействий и других причин. Кроме того, многие детали воспринимают при работе значительные динами чес кие 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 н полуоси и др.

Сопряженные рабочие поверхности автомобильных деталей подвер­жены различным видам механического и коррозионно-механического изнашивания, в частности абразивному и газоабразивному (клапаны, гильзы цилиндров 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 изнаши­вания (гильзы цилиндров, клапаны и др.).

В отношении смазки условия работы сопряжений деталей автомоби­ля не одинаковы. Лишь подшипники 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 полужидкостной 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 химико-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 отличаются 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 проч­ным является чугун с пластинчатым графитом. Механические качества чугуна могут быть повышены за счет его модификации, легирования, специальной термической обработки. В связи с этим 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. Поэтому 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 тестированных 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.