И форме графитовых включений

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 15Следующая ⇒

3.2.2 Примеси в чугуне. Обычный промышленный чугун содержит те же примеси, что и углеродистая сталь, т.е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и. следовательно, структуру и свойства чугуна.

Кремний особенно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0, 3-0, 5 до 3-5%. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре – от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым) или высокопрочного (с шаровидным графитом).

Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации, или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает его литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть). Поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья – 0, 08 %; для более крупного (когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть) – до 0, 1 – 0, 12% S.

Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор – полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть.

Белый чугун.

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны в зависимости от содержания углерода могут быть доэвтектическими (перлит + ледебурит), эвтектическими (ледебурит) и заэвтектиче-скими (первичный цементит + ледебурит). Эти чугуны отличаются большой твердостью ( 450—550НВ ) из-за присутствия в них большого количества цементита. Поэтому они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются.

Отливки из белого чугуна служат для последующего изготовления ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. В дальнейшем он применяется для изготовления деталей повышенной усталостной прочности: коленчатых и распределительных валов, седел клапанов, зубчатых колес масляного насоса, суппортов дискового тормозного механизма и др.

Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои ( 12–30мм ) со структурой белого чугуна, а сердцевину – со структурой серого чугуна. Высокая твердость поверхности такой отливки повышает ее стойкость к истиранию. Поэтому отбеленный чугун применяют для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, тормозных колодок и многих других деталей, работающих в условиях повышенного изнашивания.

Серый чугун.

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Структура чугуна состоит из металлической основы и графита (в форме пластин), и свойства его зависят от этих двух составляющих.

Графит по сравнению со сталью имеет низкие механические свойства, поэтому в некотором приближении можно считать, что места, которые он занимает, – это пустоты и трещины. С увеличением числа пустот механические свойства чугуна резко ухудшаются. При растягивающих напряжениях легко образуются центры разрушения на концах графитных включений. Значительно лучше ведет себя чугун при сжатии и изгибах.

Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими железо, углерод, кремний, марганец и примеси, такие, как сера и фосфор. Последний частично растворяется в феррите (примерно 0, 3 %) и, кроме того, входит в тройную эвтектику ( Fе–С–Р ) с температурой плавления 950°С. Это существенно улучшает литейные свойства чугуна.

Сера – вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугунов и повышает склонность к образованию в них трещин.

Кремний входит в состав серых чугунов ( 1–3% ) как основной химический элемент и увеличивает выделение графита при затвердевании и разложении выделившегося цементита.

Марганец ( 0, 2–1, 1% ) положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию. Таким образом, можно сказать, что степень графитизации напрямую зависит от количества углерода ( 2, 2–3, 7% ) и кремния ( 1–3% ) в чугуне.

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды хром, никель и медь, которые тоже влияют на условие графитизации. Количество графитных включений и структура основы влияют на свойства серого чугуна.

По структуре металлической основы серые чугуны делят на три группы:

1) серый перлитный со структурой перлит + графит (количество связанного углерода составляет примерно 0, 8% );

2) серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит + графит (количество связанного углерода меньше 0, 8% );

3) серый ферритный со структурой феррит + графит (весь углерод в виде графита).

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и ее количества, формы и размеров графитных включений (пустот).

Маркировка. По ГОСТ 1412–85 в обозначение чугуна входит сочетание букв и цифр, например СЧ15. СЧ обозначает серый чугун, цифры показывают значение временного сопротивления при растяжении. Стандарт предусматривает следующие марки чугуна: СЧ10; СЧ15; СЧ18; СЧ20; СЧ21; СЧ24; СЧ25; СЧЗО; СЧ35; СЧ40; СЧ45.

Значения показателей некоторых серых чугунов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Механические показатели некоторых серых чугунов

Марка чугуна	σ _в, МПа	НВ	Структура металлической основы
СЧ15		163-229	Феррит
СЧ25		180-250	Феррит + перлит
СЧ40		207-285	Перлит
СЧ45		229-289	Перлит

Наличие графита способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна.

Ферритные серые чугуны марок СЧ10 и СЧ15 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, суппортов, тормозных барабанов, ведущих дисков сцепления и т. д.

Ферритно-перлитные серые чугуны марок СЧ20 и СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоков цилиндров двигателя, поршней цилиндров, барабанов сцепления, станин станков и др.

Перлитный чугун применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны. Такие чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок – ферросилиция ( 0, 3–0, 6% от массы шихты) или силикокальция ( 0, 3–0, 5% от массы шихты). К таким чугунам относят чугуны марок СЧ40 и СЧ45, которые обладают более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений. Эти чугуны применяют для изготовления корпусов насосов, компрессоров и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны, которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.

Ковкий чугун.

Ковким чугун называется потому, что его можно подвергать обработке давлением, хотя чугуны не куют, а детали из чугуна получают лишь методом литья в связи с тем, что ковкий чугун имеет более высокую пластичность по сравнению с серым.

Ковкий чугун получают путем графитизирующего отжига отливок из белого доэвтектического чугуна. В составе ковкого чугуна не должно быть большого количества марганца, так как он при отжиге препятствует процессу графитизации, а также большого количества углерода и кремния, что приводит к затруднению получения отливок из белого чугуна, потому что при кристаллизации графит начинает выделяться в виде пластинок. Поэтому химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий чугун, имеет ограничения по содержанию: 2, 5–3, 0%С; 0, 7–1, 5% Si; 0, 3 – 1, 0%Мn; менее 0, 12%S; менее 0, 18%Р.

Толщина сечения отливки не должна превышать 40–50мм, так как при большей толщине в сердцевине образуется пластинчатый графит, что делает чугун непригодным для отжига.

Отжиг проводится в две стадии. На первой стадии отливки из белого чугуна медленно нагревают до температуры 930–1050°С и выдерживают в течение 15ч при этой температуре. При этом происходит распад цементита, входящего в высокотемпературный ледебурит, и из выделившегося углерода образуется хлопьевидный графит.

На второй стадии отливки охлаждают до температуры 700–760°С, соответствующей эвтектоидному превращению, и выдерживают при этой температуре до 30ч, либо очень медленно охлаждают. При этом происходит распад цементита, входящего в перлит. После окончания второй стадии структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита. Такой чугун называют ферритным ковким чугуном.

Если охлаждение было недостаточно медленным в районе температур, соответствующих эвтектоидному превращению, или недостаточной была выдержка на второй стадии графитизации, то распад цементита, входящего в перлит, произойдет не полностью. При этом структура чугуна будет состоять из феррита, перлита и хлопьевидного графита. Такой чугун называют феррито-перлитным ковким чугуном.

Если охлаждение в интервале температур было ускоренным, то распада цементита, входящего в перлит, не произойдет. При этом структура чугуна будет состоять из перлита и хлопьевидного графита. Такой чугун называется перлитным ковким чугуном.

Маркировка. Ковкий чугун согласно ГОСТ 1215–79 маркируется буквами «КЧ» и двумя числами: первое указывает временное сопротивление при растяжении; второе – относительное удлинение (в %).

Значения механических показателей некоторых ковких чугунов приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – Механические показатели некоторых ковких чугунов

Марка чугуна	σ _в, МПа	δ, %	НВ	Структура металлической основы
КЧЗ0-6			100-163	Феррит+ 10–3 % перлита
КЧ37-12			110-163	То же
КЧ60-3			200-269	Перлит + 20–0% феррита
КЧ80-1, 5		1, 5	270-320	То же

Ковкий чугун идет на изготовление деталей повышенной прочности и вязкости: картеров, редукторов, коробок передач, кронштейнов рессор и др.

Высокопрочный чугун.

Высокопрочным называют чугун с шаровидной формой графита, получаемой в процессе кристаллизации отливки. Такая форма графитовых включений имеет меньшую поверхность по сравнению с пластинчатой и хлопьевидной при одинаковом объеме, уменьшает концентрацию напряжений.

Шаровидную форму графита получают введением в жидкий чугун магния, или магния с никелем, или ферросилиция.

Под действием модификаторов графит в процессе кристаллизации принимает шаровидную форму. Чугуны с шаровидной формой графита имеют более высокие механические свойства по сравнению с другими чугунами.

Высокопрочные чугуны близки по свойствам к литой углеродистой стали, но обладают лучшими литейными свойствами, хорошо обрабатываются резанием, сохраняют высокую износостойкость. Для повышения пластичности и вязкости отливки из высокопрочного чугуна подвергают термической обработке: отжигу, нормализации, закалке и отпуску. Одновременно с повышением пластичности при термической обработке снижаются остаточные напряжения в отливках, что повышает их работоспособность.

Маркировка. Высокопрочный чугун согласно ГОСТ 7293–85 обозначается аналогично ковким чугунам: буквами «ВЧ» и числами: первое указывает величину временного сопротивления, второе – относительное удлинение (в % ).

Стандарт предусматривает следующие марки чугунов: ВЧ35-22; ВЧ40-15; ВЧ45-10; ВЧ50-7; ВЧ60-3; ВЧ70-2; ВЧ80-2; ВЧ100-2. Химический состав высокопрочного чугуна: 3, 2–3, 6 % С; 1, 6–2, 9 % Si; 0, 3–0, 7 % Мn; не более 0, 02 %S; не более 0, 1 %Р. Высокопрочные чугуны на ферритной основе (ВЧ35-22, ВЧ40-15, ВЧ45-10) имеют δ от 22 до 10 %, 140-225 НВ; на перлитной основе (ВЧ50-7, ВЧ60-3, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ 100-2) – δ от 7 до 2 %, 153-360НВ.

Высокая прочность и пластичность высокопрочных чугунов позволяют использовать их для изготовления коленчатых валов автомобильных дизелей и других деталей, работающих в узлах трения при повышенных нагрузках.

Антифрикционные чугуны.

Антифрикционные чугуны – специальные серые и высокопрочные чугуны с повышенными антифрикционными свойствами. Эти чугуны обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Отливки из антифрикционного чугуна ( ГОСТ 1585–85 ) применяют для изготовления деталей, работающих в подшипниковых узлах трения.

Маркировка. Существуют следующие марки антифрикционного чугуна: АЧС1; АЧС2; АЧСЗ; АЧС1; АЧВ2; АЧК1; АЧК2. Буквы «АЧС» обозначают антифрикционный серый чугун; «АЧВ» – антифрикционный высокопрочный чугун; «АЧК» – антифрикционный ковкий чугун.

Антифрикционные серые чугуны – перлитные чугуны АЧС-1 и АЧС-2 и перлитно-ферритный чугун АЧС-3 – обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита.

В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Антифрикционные серые чугуны используют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготовляют из чугунов марок АЧС-1 и АЧС-2, а для работы в паре с термически валами применяют чугун АЧС-3.

Антифрикционные высокопрочные (с шаровидным графитом) чугуны изготовляют с перлитной структурой – АЧВ-1 и ферритно-перлитной ( 50% перлита) — АЧВ-2. Чугун АЧВ-1 используют для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленным или нормализованным валом.

Главное достоинство антифрикционных чугунов по сравнению с антифрикционными бронзами – низкая стоимость, а основной недостаток – плохая прирабатываемость, что требует точного сопряжения трущихся поверхностей.

Контрольные вопросы:

1. В чем разница между чугунами и сталями?

2. По каким признакам классифицируют чугуны?

3. Какие примеси есть в чугунах, их влияние на свойства чугунов?

4. Почему чугуны называют «белыми»?

5. Почему чугуны называют «серыми»?

6. Как маркируют серые чугуны?

7. Какие чугуны считаются ковкими и как их маркируют?

8. Как маркируют высокопрочные чугуны?

9. Как маркируют антифрикционные чугуны, область их применения?

Легированные стали

3.3.1 Классификация легированных сталей. Легированными называют стали, содержащие легирующие добавки, искусственно (специально) введенные в состав сталей при их изготовлении для получения е свойств и улучшения механических, физических и химических свойств.

В качестве легирующих химических элементов используют:

· хром;	· кремний;	· ванадий;	· алюминий;
· никель;	· вольфрам;	· кобальт;	· медь
· марганец;	· молибден;	· титан;	и др.

Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения, повышает ее прокаливаемость.

Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладоломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений, повышает прокаливаемость. В результате повышается сопротивление стали хрупкому разрушению. Так, при введении 1% никеля снижается порог хладоломкости стали на 60–80°С, а при введении 3% никеля обеспечивается ее глубокая прокаливаемость.

Марганец, подобно хрому и никелю, увеличивает прокаливаемость стали, но кроме этого уменьшает и вязкость феррита. Марганец используют для частичной замены никеля с целью получения необходимого сочетания механических свойств стали и ее стоимости, с учетом меньшей стоимости марганца.

Кремний широко используют при выплавке стали как раскислитель. Легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Так, сталь, в состав которой входит 5% хрома и 1% кремния, в среде печных газов по жаростойкости аналогична стали с 12% хрома. Содержание кремния в стали ограничивают, так как он повышает склонность к тепловой хрупкости.

Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие химические элементы вводят в сталь вместе с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения ее свойств.

Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость стали (особенно в присутствии никеля), способствуют измельчению зерна и подавлению отпускной хрупкости. Легирование стали молибденом приводит к значительному улучшению ее механических свойств после цементации.

При введении в сталь ванадия, титана, ниобия и циркония образуются труднорастворимые в аустените карбиды, что вызывает измельчение зерна, снижение порога хладноломкости, уменьшение чувствительности стали к концентраторам напряжений.

Однако этот эффект проявляется лишь при малом содержании этих легирующих химических элементов в стали (до 0, 15 %). При большем количестве они вызывают снижение прокаливаемости и сопротивления стали хрупкому разрушению.

Положительное влияние бора на повышение прокаливаемости и прочности стали проявляется лишь при микролегировании бором ( 0, 001–0, 005% ). При повышенном содержании бора сталь становится хрупкой.

Все легирующие элементы уменьшают рост зерна аустенита. Исключение составляют марганец и бор, которые способствуют росту зерна. Остальные химические элементы, измельчающие зерно, оказывают различное влияние. Так, никель, кобальт, кремний, медь относительно слабо влияют на рост зерна; хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно (элементы перечислены в порядке роста силы их действия).

При отпуске стали легирующие химические элементы замедляют процесс распада мартенсита.

Некоторые элементы, такие как никель или марганец, оказывают незначительное влияние, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) – весьма заметное.

Легированные стали классифицируют:

1) по равновесной структуре:

· доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный перлит;

· эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру;

2) структуре после охлаждения на воздухе:

· перлитные;

· мартенситные;

· аустенитные;

3) составу:

· никелевые;

· хромистые;

· хромоникелевые;

· хромомолибденовые и т. п.;

4) назначению:

· конструкционные;

· инструментальные;

· коррозионностойкие;

· жаростойкие;

· жаропрочные;

· электротехнические и др.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒