1.1 Технологические требования, предъявляемые к сплаву

Для того чтобы выбрать состав сплава для детали, нужно, прежде всего, учесть все технологические требования и свойства. В первую очередь сплав должен относиться к специальному виду, требуется его способность противостоять разрушению в специальных условиях нагружения значит, сплав должен быть износостойким (К_u≥5.) и коррозионностойким (К<1 мм/год). Главными рабочими свойствами являются предел прочности, который должен быть около 350-700 МПа, твердость 220-310 HB и относительное удлинение, которое должно быть не выше 20 %, упругость, плотность не менее 7 г/см³. Далее иметь такие свойства: низкий коэффициент трения (μ<1), хорошая прирабатываемость к сопрягаемой детали, так как деталь будет находиться в устройствах для прокатки листов, поэтому сплав должен иметь такие свойства, чтобы она не деформировалась и не разрушалась в процессе эксплуатации. Сплав должен быть литейным и обладать следующими свойствами: хорошая жидкотекучесть, достаточно высокая температура плавления, не большая усадка (до 2 %), чтобы отливки из такого сплава можно было получить различными способами, которые затем подвергаются механической обработке.

2 Выбор основы сплава

Железные сплавы. Чистое железо – металл серебристо – белого цвета. Температура плавления железа 1539ºС.

Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называют сталью; сплавы содержащие более 2,14% углерода – чугуном.

Для изготовления детали прокатного валка больше всего подходят сплавы на основе железа (сталь или чугун), так как свойства таких сплавов соответствуют заданным.

У сплавов на основе железа коэффициент износостойкости (К_u≥5 ед.) и корозионностойкости (К<1 мм/год), и так же остальные свойства, коэффициент трения, предел прочности 250-900 МПа, твердость 207-652 HB, плотность 7-8,1 г/см³, относительное удлинение отвечают заданным не выше 20%.

В нашем случае мы возьмем чугунные сплавы, потому что дешевле выйдет и обладает требуемыми механическими свойствами, а стальные сплавы нам обойдутся дороже.

3 Выбор легирующих элементов

Легирование — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических или химических свойств основного материала.

Легирование производится в основном введением расплав или шихту дополнительных химических элементов улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

Так как мы выбрали сплав, основой которого является железо, выясним, какие по заданным свойствам нужны легирующие элементы.

Медь способствует графитизации углерода, увеличивает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость сплава. При содержании в сплаве 1 % меди прочность при растяжении повышается до 40%, а текучесть до 50% и соответственно при 2% меди—до 65% и 7%. Содержание меди более 2% препятствует образованию в структуре сплава шаровидного графита.

Хром. Повышение содержания хрома в чугунных отливках приводит к росту их твердости и прочности, однако наиболее явно этот процесс прослеживается у модифицированного чугуна. Способность хрома замедлять графитизацию делает его карбидообразующим элементом. Тонкие сечения при увеличении вхождения хрома демонстрируют более явное увеличение твердости, нежели толстые.

Марганец имеет обыкновение замедлять графитизацию, легировать феррит, размельчать перлит и способствовать появлению свободных карбидов. При взаимодействии с серой этот элемент нивелирует ее вредное воздействие. Именно по этой причине процентное содержание марганца в чугуне бывает продиктовано содержанием серы. Малосернистые чугуны, соответственно, содержат меньший процент марганца.

Никель. Данный элемент способен нивелировать механические характеристики чугунных отливок различной толщины. В случаях, когда процентное содержание никеля в чугуне превышает 3%, отливки демонстрируют одинаковые показатели прочности при толщине стенок в диапазоне 22-88 мм. С увеличением вхождения никеля на 1% показатели твердости чугуна растут примерно на 10 НВ. Одновременно растет способность чугуна противостоять коррозии и агрессивным щелочным средам. Важно и то, что никель способствует улучшению обрабатываемости чугуна и его герметичности (благодаря ему графит обретает благоприятную форму с одновременным уменьшением величины зерен). Влияет на тепло- и электропроводность, а также на жаростойкость сплава. С увеличением содержания никеля эти свойства повышаются.

Кремний оказывает точно такое же влияние на процесс графитизации, как и углерод. Но при этом он способен кардинальным образом изменять механические свойства чугуна, т. к. образует твердое соединение с ферритом и повышает его твердость, уменьшает вязкость. С повышением содержания кремния возрастает предел прочности при растяжении, при дальнейшем увеличении содержания - уменьшаются предел прочности при растяжении и относительное удлинение.

Совокупный эффект кремния позволяет варьировать механические характеристики чугуна, и увеличение его концентрации в сплаве приводит к росту графитовых включений и объема феррита. При этом уменьшаются показатели прочности чугуна и его пластичность (из-за образования силикоферрита). Что же касается твердости – по мере увеличения процента вхождения кремния она вначале понижается, затем снова возрастает благодаря образованию силикоферрита.