1.2.2 Формирование в чугунах фаз и структурных составляющих в процессе охлаждения в литейной форме

Конечная структура литого чугуна, все разнообразие его типов определяется, прежде всего, особенностями протекания первичной и вторичной кристаллизации. Если первичная кристаллизация чугуна протекает согласно метастабильной диаграмме состояния Fe-Fe₃C с образованием аустенитно-цементитной эвтектики (ледебурита), то в отливке формируется структура белого чугуна (Рис. 1.2.7). Если первичная кристаллизация реализуется согласно стабильной диаграмме состояния Fe-C_гр с образованием аустенитно-графитной эвтектики, то в отливке формируется структура серого чугуна (Рис. 1.2.8). Если же первичная кристаллизация сплава происходит по смешанному варианту, то получается половинчатый чугун, в котором одновременно присутствуют эвтектический графит и эвтектический цементит (Рис. 1.2.9).

Особенности протекания вторичной, эвтектоидной кристаллизации определяют фазовое состояние металлической матрицы. При полной её реализации по метастабильной диаграмме металлическая матрица состоит только из перлита (См. Рис. 1.2.1). Если же она протекает исключительно по стабильной диаграмме состояния, то в чугуне формируется ферритная матрица (См. Рис.1.2.8). При смешанном варианте её протекания в чугуне, как и в стали (См. Рис.1.2.2) формируется феррито-перлитная металлическая матрица (Рис. 1.2.10) с различным соотношением каждой из фаз. Легированные (никелем) чугуны могут иметь аустенитную матрицу, поскольку не претерпевают эвтектоидное превращение.

При обработке жидкого чугуна перед кристаллизацией магнием, кальцием или РЗМ графитная эвтектика формируется с шаровидными выделениями графитных включений (Рис. 1.2.11). При этом ЧШГ, как и СЧ, может в зависимости от характера реализации вторичной, эвтектоидной кристаллизации иметь ферритную, перлитную или феррито-перлитную металлическую матрицу.

Если же белый чугун отжигать при температурах выше эвтектоидной, но ниже эвтектической (практически это 900-1000 ⁰С), то цементит первичной кристаллизации распадается на аустенит и графит отжига (Рис. 1.2.12) и получается ковкий чугун. При этом металлическая матрица у КЧ также может получаться ферритной, перлитной или феррито-перлитной в зависимости от того, как реализуется вторичная, эвтектоидная кристаллизация.

Таким образом, в чугунных отливках могут присутствовать следующие структурные составляющие:

1) при кристаллизации из жидкого состояния - аустенит, феррит и перлит, цементит первичный и ледебурит, графит первичный, эвтектический и эвтектоидный;

2) при закалке и нормализации - мартенсит и бейнит, троостит и сорбит;

3) при отпуске – мартенсит, троостит, сорбит и перлит отпуска;

4) при отжиге – графит отжига.

2. Основы технологии производства стальных отливок

2.1. Классификация литейных сталей, предъявляемые к ним требования. Влияние химического состава на структуру и свойства. Выбор легирующих элементов. Структурная диаграмма Шеффлера

2.1.1 Классификация литейных сталей, предъявляемые к ним требования.

Требования к стальным отливкам регламентируются ГОСТ 977-88 «Отливки стальные. Общие технические условия» и ГОСТ 21357-87 «Отливки из хладостойкой и износостойкой стали. Общие технические условия».

Отливки из стали классифицируют по пяти основным признакам: химическому составу, структуре и назначению (Табл. 2.1.1), а также способу выплавки стали и требованиям к детали.

По химическому составу они делятся на 4 группы:

1) отливки из углеродистой нелегированной стали, которые по содержанию углерода в свою очередь подразделяют на отливки из низкоуглеродистой (<0,2 %C), среднеуглеродистой (0,2-0,4 % С) и высокоуглеродистой (>0?4 %) стали;

2) отливки из низколегированной стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 3.5 %;

3) отливки из среднелегированной стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов находится в пределах 3,5-10,0 %;

4) отливки из высоколегированной стали при суммарном содержании легирующих элементов свыше 10,0 %.

По структуре стальные отливки подразделяют на классы.

Отливки из углеродистых и легированных конструкционных сталей, которые имеют ферритную, феррито-перлитную и перлитную структуру, относят соответственно к ферритному, феррито-перлитному и перлитному классам.

Отливки из высоколегированных сталей со специальными свойствами подразделяют на 6 структурных классов:

1) мартенситных сталей;

2) мартенситно-ферритных сталей;

3) ферритных сталей

4) аустенитно-мартенситных сталей;

5) аустенитно- ферритных сталей;

6) аустенитных сталей.

Перечисленные структуры в легированных сталях формируются в зависимости от концентрации легирующих элементов и углерода, а также режима термической обработки.

По назначению или служебным свойствам стальные отливки подразделяют на 3 основные группы:

1) отливки из конструкционных нелегированных углеродистых сталей;

2) отливки из легированных конструкционных сталей;

3) отливки из высоколегированных сталей со специальными свойствами – жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких, износостойких и инструментальных.

Многие легированные стали обладают комплексом основных свойств:

 высокую коррозионную стойкость и высокую прочность при нормальной температуре – стали 09Х16Н4БЛ и 09Х17Н3СЛ;

 коррозионную стойкость и жаропрочность – стали 20Х12ВНМФЛ, 10Х18Н11БЛ, 10Х18Н12М3ТЛ, 12Х18Н12БЛ, 15Х18Н22В6М2РЛ и 20Х21Н46В8РЛ;

 коррозионную стойкость и жаростойкость – стали 15Х25ТЛ, 12Х25Н5ТМФЛ, 35Х23Н7СЛ, 40Х24Н12СЛ, 10Х18Н9Л, 0Х18Н9ТЛ, 55Х18Г14С2ТЛ и 20Х25Н19С2Л;

 коррозионную стойкость, жаростойкость и жаропрочность – стал и 45Х17Г13Н3ЮЛ и 35Х18Н24С2Л;

Таблица 2.1.1 Классификация стальных отливок по ГОСТ 977-88

Марка стали	Признаки классификации
	По химическому составу	По назначению	По структуре (Класс стали)
15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л	Нелегированные	Конструкцион-ные	Ферритные, перлитные и феррито- перлитные
20ГЛ, 35ГЛ, 20ГСЛ, 30ГСЛ, 20Г1ФЛ, 20ФЛ, 30ХГСФЛ, 45ФЛ, 32Х06Л, 40ХЛ, 20ХМЛ, 20ХМФЛ, 20ГНМФЛ, 35ХМЛ, 30ХНМЛ, 35ХГСЛ, 35НГМЛ, 20ДХЛ, 08ГДНФЛ, 13ХНДФТЛ, 12ДН2ФЛ, 12ДХН1МФЛ, 23ХГС2МФЛ, 12Х7Г3СЛ, 25Х2ГНМФЛ, 27Х5ГСМЛ, 30Х3С3ГМЛ, 03Н12Х5М3ТЛ, 03Н12Х5М3ТЮЛ	Легированные	Конструкцион-ные
20Х13Л, 08Х14НДЛ, 09Х16Н4БЛ, 09Х17Н3СЛ, 10Х12НДЛ	Высоколегиро-ванные со специальными свойствами	Коррозионно-стойкие	Мартенситные
20Х5МЛ, 20Х8ВЛ, 40Х9С2Л		Жаростойкие
20Х12ВНМФЛ		Жаропрочная
85Х4М5Ф2В6Л (Р6М5Л), 90Х4М4Ф2В6Л (Р6М4Ф2Л)		Быстрорежу- щие
15Х13Л		Коррозионно-стойкая	Мартенситно-ферритный
15Х25ТЛ		Коррозионно-стойкая	Ферритный
08Х15Н4ДМЛ, 08Х14Н7МЛ, 14Х18Н4Г4Л		Коррозионно-стойкие	Аустенитно-мартенситные
12Х25Н5ТМФЛ, 16Х18Н12С4ТЮЛ, 10Х18Н3Г3Д2Л		Коррозионно-стойкие	Аустенитно- ферритные
35Х23Н7СЛ, 40Х24Н12СЛ, 20Х20Н14С2Л		Жаростойкие
10Х18Н9Л, 12Х18Н9ТЛ, 10Х18Н11БЛ, 07Х17Н16ТЛ, 12Х18Н12М3ТЛ		Коррозионно-стойкие	Аустенитные
55Х18Г14С2ТЛ, 15Х23Н18Л, 20Х25Н19С2Л, 18Х25Н19СЛ. 45Х17Г13Н3ЮЛ		Жаростойкие
35Х18Н24С2Л, 31Х19Н9МВБТЛ, 12Х18Н12БЛ, 08Х17Н34В5Т3Ю2РЛ, 15Х18Н22В6М2РЛ, 20Х21Н46В8РЛ		Жаропрочные
110Г13Л, 110Г13Х2БРЛ, 110Г13ФТЛ, 130Г14ХМФАЛ, 120Г10ФЛ		Износостойкие

 коррозионную стойкость, кислотоупорность и жаростойкость – сталь 18Х25Н19СЛ;

 коррозионную, кавитационную и эрозионную стойкость – стали 10Х12НДЛ и 10Х18Н3Г3Д2Л;

 коррозионную стойкость и малую магнитную восприимчивость – сталь 07Х17Н16ТЛ;

 жаростойкость и жаропрочность – сталь 40Х9С2Л;

 высокую износостойкость и теплостойкость – стали 85Х4М5Ф2В6Л (Р6М5Л) и 90Х4М4Ф2В6Л (Р6М4Ф2Л).

Особую группу образуют отливки их хладностойких сталей, сталей, которые предназначены для деталей машин и металлоконструкций, эксплуатируемых при температурах до минус 60 ⁰С. Технические требования к таким отливкам регламентируются ГОСТ 21357-87 «Отливки из хладостойкой и износостойкой стали. Общие технические условия», где предусмотрены следующие марки хладностойких сталей:

~ 08Г2ДНФЛ, 12ХГФЛ, 14Х2ГМРЛ,

~ 20ГЛ, 20ФТЛ, 20ХГСФЛ, 25Х2НМЛ, 27ХН2МФЛ, 27ХГСНМДТЛ,

~ 30ГЛ, 30ХГ2СТЛ, 30ХЛ, 35ХМФЛ, 35ХМЛ,

~ 110Г13Л, 110Г13ХБРЛ.

К отливкам из хладностойких сталей предъявляют повышенные требования по содержанию серы и фосфора (до 0,02 % каждого). Кроме того, они экономно легированы ванадием, молибденом, хромом, никелем или бором, а также дополнительно обработаны РЗМ в количестве 0,02-0,05 % (Стали марок 08Г2ДНФЛ, 27ХГСНМДТЛ и 30ХГ2СТЛ).

Стандартом не оговаривается, но в промышленности применяют стальные отливки, производимые в соответствии с требованиями отраслевых технических условий. К ним, в частности, относятся отливки из сталей с особыми свойствами – немагнитных и магнитных, с высоким и низким электросопротивлением, радиационностойких и др.

По способу выплавки различают 4 группы отливок:

1) отливки из электростали, выплавленной в дуговых и индукционных печах с основной и кислой футеровкой;

2) отливки их сталей, полученных специальными методами плавки – электрошлаковой, электронно-лучевой, вакуумно-дуговой и др.;

3) отливки из мартеновской стали, выплавленной кислым и основным процессом;

4) отливки из стали кислородно-конвертерной плавки.

На отливки из электростали приходится до 90 % всего стального литья. Специальные методы плавки используют, как правило, для получения отливок из сталей со специальными и особыми свойствами. Доля отливок из мартеновской стали невелика, причем она постоянно снижается за счет соответствующего возрастания доли отливок из электростали.

По требованию к литой стальной детали отливки делятся на 3 группы:

1) отливки общего назначения, у которых конфигурация и размеры определяются только конструктивными и технологическими соображениями и потому контролируются только внешний вид, размеры и химический состав;

2) отливки ответственного назначения, которые рассчитываются на прочность и работают при статических нагрузках, ввиду чего у них кроме внешнего вида, размеров и химического состава контролируются также механические свойства – предел текучести или временное сопротивление и относительное удлинение;

3) отливки особо ответственного назначения, которые рассчитываются на прочность и работают при циклических и динамических нагрузках, ввиду чего у них кроме перечисленных выше показателей дополнительно контролируется ударная вязкость (KCU или KCV).

Отливки в зависимости от химического состава, требований к структуре и свойствам могут подвергаться различной термической обработке – отжигу, нормализации, нормализации и отпуску, закалке, закалке и отпуску. Отливки категории прочности «К» поставляются в отожженном, нормализованном и отпущенном состоянии, а категории прочности «КТ» - после закалки и отпуска.

По требованию потребителя в число дополнительных контролируемых показателей могут быть включены: твердость, излом, механические свойства отливок при пониженных и повышенных температурах, герметичность, микроструктура, плотность, коррозионная стойкость, жаростойкость, стойкость против межкристаллитной коррозии, загрязненность неметаллическими включениями и другие.

Обозначение стальных отливок в технических требованиях чертежа регламентировано стандартом.

Принадлежность отливок к 1-й, 2-й или 3-й группе обозначают следующим образом:

Отливки 1-й (2-й или 3-й) группы ГОСТ 977-88.

Технические требования к марке стали обозначают следующим образом:

Сталь 25Л ГОСТ 977-88.

Если отливки подлежат приемке представителем заказчика, то дополнительно указывают категорию прочности К или КТ:

Сталь 30ХГСФЛ К40 ГОСТ 977-88 или Сталь 30ХГСФЛ КТ 60 ГОСТ 977-88,

где численное значение при К (40) означает требуемый предел текучести в отожженном, нормализованном или отпущенном состоянии, а при КТ (60) – то же после закалки и отпуска.

Технические требования к хладностойкой марке стали обозначают следующим образом:

Сталь 12ХГФЛ ГОСТ 21357-87.