Технологические испытания.

Технологические свойства металлов характеризуют поведение ма­териалов в процессе изготовления из них деталей. Под технологич­ностью следует понимать легкость проведения технологических опе­раций. Это означает, что уровень технологических свойств опреде­ляет возможность применения той или иной технологии. Низкая технологичность материала может являться причиной брака или вызывает снижение производительности обработки.

Основные технологические процессы, применяемые при изго­товлении деталей: литье, обработка давлением, обработка реза­нием, сварка.

Для оценки возможности проведения обработки с определенной степенью деформации применяют различные технологические испытания (пробы), имитирующие процесс холодной пластической деформации.

В зависимости от сортамента металла используют следующие технологические пробы: на загиб, на перегиб, на скручива­ние, на вытяжку сферической лунки.

Испытания на загиб производятся в специальном приспособлении, металл может быть в холодном и нагретом со­стояниях. Их применяют для листового, полосового и фасонного материалов. Цель — определение способности метал­ла принимать заданный по форме и раз­мерам загиб.

Толщина образца должна быть рав­ной толщине материала, ширина — двойной толщине, но не менее 10 мм. Различают три вида загиба: загиб до определенного угла (рис. 20, а); загиб вокруг оправки до параллельности сто­рон (рис. 20, б), при этом толщина оп­равки регламентируется техническими условиями в зависимости от требований к пластичности; загиб вплотную до со­прикосновения сторон образца («дубли­рование») (рис. 20, в).

Отсутствие в образце трещин, надры­вов, расслоений или излома является свидетельством того, что металл выдер­жал испытания.

 

Ошибка! Ошибка связи.

 

Рисунок 20 – Схема испытаний на загиб.

 

Испытания на перегиб служат для оп­ределения способности металла выдер­живать повторный загиб и разгиб. Ис­пытанию подвергают полосовой и ли­стовой материалы толщиной не более 5 мм и проволоку (прутки) диаметром 0,8—7 мм. Образец, зажа­тый одним концом (рис. 21), подвергают попеременному загибу влево и вправо.

За один перегиб считается загиб и разгиб на 90°. Испытания ве­дутся до разрушения. Число перегибов до разрушения задается, исходя из технических требований.

 

Рисунок 21 – Схема испытаний на перегиб.

 

Испытания на вытяжку сферической лунки (метод Эриксена) про­водятся на листе и ленте с толщиной 0,1—2,0 мм для выяснения способности материала к холодной штамповке. Испытание заклю­чается в вытяжке сферической лунки в образце, зажатом по конту­ру между матрицей и прижимным кольцом, путем вдавливания пунсона соответствующей формы (рис. 22).

Испытание прекращается при появлении мелких трещин на стороне, противоположной вдавливанию, которые обнаружива­ются с помощью зеркала. Мерой способности металла к вытяжке является глубина  вытянутой лунки. Так, для сталей марок 05КП, 08КП, 08ПС и 10КП при толщине листа 0,5 мм глубина выдавли­вания должна быть не менее: 9,0 мм для стали весьма глубокой вытяжки (ВГ); 8,4 мм для стали глубокой вытяжки (Г); 8,0 мм для стали нормальной вытяжки (Н).

 

 

Ошибка! Ошибка связи.

Рисунок 22 – Схема испытаний на вытяжку сферической лунки.

 

Испытания на осадку характеризуют способность стали прини­мать холодную высадку. Их проводят на образце, высота которого равна удвоенному диаметру, а торцевые плоскости перпендику­лярны оси. Испытания состоят в осаживании в холодном состоя­нии до определенной высоты, задаваемой техническими условия­ми (до 1/2 или 1/4 длины образца). На торцах и боковых поверхно­стях осаженного образца не должно быть трещин и надрывов.

 

 

Испытание на скручивание проводится для проволоки диамет­ром до 10 мм. Для проволоки создается определенное натяжение (2% от разрывного усилия), скручивание проводят с равномерной скоростью до разрушения. Показателем пластичности является ко­личество скручиваний (это полный оборот на 360°).

 

Чугуны.

Чугун – сплав железа с углеродом содержащий постоянные примеси, иногда легирующие элементы , при содержании углерода более 2.14% (обычно до 4%, максимум – 6,7%).

Получение чугуна осуществляется в доменных печах и заключается в восстановлении железной руды коксом. При горении кокса выделяется тепло, необходимое для всех последующих реакций и происходит образование окиси углерода СО, являющейся восстановителем. При взаимодействии с окисью углерода происходит восстановление и науглероживание железа. Образующиеся капли расплава железа стекают вниз доменной печи, науглероживаются до 4 – 4,5% с образованием чугуна.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочно­сти, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны широко применяются в машиностроении. Детали машин, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем детали. изготовленные обработкой реза- нием из горячекатаных стальных профилей или из поковок и штамповок. Хорошая жидкотекучесть чугунов и их способность к образованию малой усадочной раковины позволяют получать из них достаточно качественные отливки сложной формы даже при малой толщин стенок.

Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь по классической схеме руда—чугун—сталь. В процессе переплавки из чугуна путем окисления удаляется некоторое количество серы и фосфора.

Классификацию чугунов проводят по виду и форме углеродосодержащей структурной составляющей, т.е. по наличию и форме графита.

По виду структурной составляющей выделяют чугуны без графита — белые чугуны, в которых практически весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита.

Чугуны с графитом в зависимости от формы последнего разделяют на серые, ковкие и высокопрочные. Серыми называют чугуны, в структуре которых графит имеет пластинчатую форму. В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму, в высокопрочных чугунах — шаровидную. К числу высокопрочных относят также чугуны с графитом вермикулярной (греч. — червячок) формы, которые по свойствам (ГОСТ 28394—89) занимают промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом.

Механические свойства чугуна обусловлены главным образом ко­личеством и структурными особенностями графитной составляющей. Влияние графитных включений на механические свойства чугуна мож­но оценить количественно (ГОСТ 3443—87). Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень их изолированности, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Наиболее высокую прочность обеспечивает шаровидная форма гра­фитной составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства. Чугун с пластинчатым графитом мож­но рассматривать как сталь, в которой графит играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу.

Применяемые для отливок чугуны в среднем имеют следующий состав: 2...4% С, 1,5...4% Si, 0,6...1,25% Мп, 0,1...1,2% Р и менее 0,06% S.

Углерод определяет количество графита в чугуне: чем выше его содер­жание, тем больше образуется графита и тем ниже механические свойства. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жид-котекучести) должно быть не меньше 2,4% С.

Кремний оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов, так как величина температурного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от его содержания. Чем больше содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур. Таким образом, кремний способствует процессу графитизации, дей­ствуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изме­няя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния, а с другой — скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна.

Сера и марганец являются вредными технологическими примесями, со­держание которых в чугунах ограничивают. Сера ухудшает механические и литейные свойства. И сера, и марганец препятствуют графитизации.

Фосфор не влияет на графитизацию, а при повышенном (до 0,4...0,5%) содержании увеличивает износостойкость чугунов, так как образуются твер­дые включения фосфидной эвтектики.

Белый чугун.

Такое название он полу­чил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Эти чугуны имеют большую твердость (НВ 450—530); из-за присутствия в них большого количества цементита; как следствие они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Обладают высокой износостойкостью. Имеет очень низкую обрабатываемость резанием. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помо­щью графитизируюшего отжига.

Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12—30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевина — серого чугуна. Высокая твердость, поверхности такой отливки позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойства отбеленного чугуна применяются для изготовления валков лис­товых прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок и многих других деталей, работающих в условиях истирания.

Маркировка белого чугуна не установлена.

Серый чугун.

Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической ос­новы с вкрапленным в нее графитом пластинчатой формы. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в от­ливке. Причем чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации с образованием графитной эвтектики. При низком со­держании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминия, кальция, церия).

Модифицирование металлов — введение в металлические расплавы модификаторов, т.е. веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долей процента) способствуют созданию дополнительных ис­кусственных центров кристаллизации и, следовательно, образованию струк­турных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.

Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металличес­кой основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков.

Металлическая основа серых чугунов формируется из аустенита при эвтектоидном распаде и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Образование перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Для получения ферритного белого чугу­на используют изотермическую выдержку при 690...650°С, в результате которой цементит перлита распадается на феррит и пластинчатый графит.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металли­ческой основы и главным образом от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости.

Марки серых чугунов согласно ГОСТ 1412—85 состоят из букв СЧ и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растя­жении σ_в, МПа/10. Чугун СЧ10 - ферритный; СЧ15, СЧ18, СЧ20 -ферритно-перлитные чугуны; начиная с СЧ25 до СЧ 45— перлитные чугуны.

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80% общего производства чугунных отливок. Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются резанием и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для изготовления неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобиле­строении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тор­мозные барабаны и др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров, гиль­зы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют в основном для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена. Из серого чугуна, содержа­щего фосфор (0,5%), изготавливают архитектурно-художественные изделия.

Ковкие чугуны

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их специальному графитизирующему отжигу. Графитизирующий отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий.

Первая стадия (950...1050°С) подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс графитообразования облег­чается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным.

На второй стадии графитизирующего отжига при температуре эвтек-тоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугу­на. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в интервале 760...720°С или изотермическая выдержка при 720...700°С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлическую основу. Для получения в модифи­цированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинча­тый графит в области температур эвтектоидного превращения.

Ковкие чугуны с перлитной металлической основой обладают высо­кими твердостью (235...305 НВ) и прочностью (а_в = 650...800 МПа) в сочетании с небольшой пластичностью (8 = 3,0...1,5%). Ковкий ферритный чугун характеризуется высокой пластичностью (δ = 10... 12%) и относительно низкой прочностью (σ_в= 370...300 МПа).

Существенными недостатками графитизирующего отжига чугунов явля­ются длительность отжига отливок (24—60 ч) и ограничение толщины их стенок.

Ковкие чугуны согласно ГОСТ 1215—79 маркируются буквами КЧ — (ковкий чугун) и двумя группами цифр. Первые две цифры в обозначе­нии марки соответствуют минимальному пределу прочности при растя­жении σ_в, МПа/10, цифры после тире — относительному удлинению при растяжении, δ%. Чугуны марок КЧ30-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, имеющие повышенное значение удлинения при растяжении, относятся к ферритным, а марок КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1,5 — к перлитным чугунам.

Ковкие чугуны, обладая высокими пластическими свойствами, находят применение при изготовлении разнообразных тонкостенных (до 50 мм) де­талей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (фланцы, муф­ты, картеры, ступицы и др.). Масса этих деталей составляет от нескольких граммов до нескольких тонн.

Для повышения твердости, износостойкости и прочности изделий из ковкого чугуна иногда применяют нормализацию или закалку. За­калка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита.

Высокопрочные чугуны.

Высокопрочный чугун (ЧШГ — чугун с шаровидным графитом) по­лучают модифицированием жидкими присадками (0,1...0,5% магния от массы обрабатываемой порции чугуна и 0,2...0,3% церия, иттрия и не­которых других элементов). При этом перед вводом модификаторов не­обходимо снизить содержание серы до 0,02...0,03%.

Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна (2,7...3,7% С; 0,5...3,8% Si) выбирается в зависимости от толщины стенок отливки — чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния. Чтобы избежать образования в высокопрочных чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Продолжительность такого отжига благодаря повышенному содержанию графитизирующих элементов (углерода, крем­ния) значительно короче, чем при отжиге белого чугуна.

Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической основы (феррита, перлита) и включений графита шаровидной формы. Шаро­видный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинча­тый графит, и не является активным концентратором напряжений.

Ферритные чугуны имеют σ₀₂= 220...310 МПа, δ = 22... 10%, 140...225 НВ; перлитные - σ₀₂= 370...700 МПа, δ = 7...2% и 153...360 НВ.

Марки высокопрочных чугунов согласно ГОСТ 7293—85 состоят из букв ВЧ и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении, σ_в, МПа/10 и после тире – относительному удлинению при растяжении.: ВЧ38 - 17, ВЧ42 - 12, ВЧ45 - 16 — ферритные чугуны; ВЧ50 - 7, ВЧ60 - 2, ВЧ80 - 2, ВЧ120 – 2 - перлитные чугуны.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потреби­тельскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и др.). Они используются для мас­сивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей — цилинд­ров, шестеренок, коленчатых и распределительных валов и др.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обра­ботке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску). Рекомендуется под­вергать чугунные изделия объемной закалке. Образование мелкоиголь­чатого мартенсита в закаленном поверхностном слое изделий повышает их износостойкость в 3 раза и более. Для повышения износостойкости применяется также азотирование (или азотирование с последующей «обдувкой дробью»), при котором в поверхностных слоях изделий созда­ются благоприятные сжимающие напряжения.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: