3.8. Чугуны

На диаграмме фазового равновесия Fe – Fe3C (рис. 2.1) были рассмотрены чугуны, в состав которых углерод входил только в виде твёрдых растворов или химического соединения (цементита). Такие чугуны в месте разрушения имеют блестящий белый излом. Именно поэтому они получили название белый чугун. В условиях производства белый чугун может получиться при ускоренном охлаждении при заливке в металлические формы или при низком содержании кремния. Детали со структурой белого чугуна практически не применяются, т. к. не поддаются обработке резанием, НВ = 400 … 500. Применяются чугуны с от-

беленной поверхностью для деталей, работающих на истирание (шары мельниц, прокатные валки и т. п.): верхний слой – белый чугун, сердцевина – серый чугун. Большое количество отливок из белого чугуна используется для передела путём длительного отжига в ковкий чугун. Об этом подробнее будет сказано ниже. В других видах чугуна большая часть углерода присутствует в виде графита и их излом имеет серый цвет. Различают серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Они имеют металлическую основу со структурой стали (ферритной, перлитной или феррито-перлитной), содержащей включения графита. 27

Серые чугуны получают при медленном охлаждении расплава или при содержании Si > 1,5 %. Углерод коагулируется в виде пластинчатого графита (рис. 3.2). Маркировка: СЧ15 (σв > 150 МПа), СЧ18 и т. д. (всего 11 марок по ГОСТ). Серый чугун хорошо работает на сжатие, нечувствителен к концентраторам напряжений, гасит вибрации, имеет высокие антифрикционные свойства и хорошую жидкотекучесть, хорошо обрабатывается резанием, имеет малую усадку 0,9 … 1,3 %, σв = 150 ... 350 МПа, δ = 2 ... 6 %.

Ковкий чугун получают из белого посредством графитизирующего отжига, во время которого цементит распадается и углерод выделяется в свободном состоянии в виде хлопьевидного графита (рис. 3.1, б, в). Маркировка: КЧ37-12 (σв > 370 МПа; δ > 12 %), КЧ60-3 (всего 11 марок по ГОСТ, σв = 350 ... 500 МПа, δ= 4... 12 %.). Износостойкий, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам и обрабатывается резанием.

Рис. 3.1. Микроструктуры белого (а) и ковкого (б, в) чугунов

Высокопрочный (модифицированный) чугун получают путем присадки в ковш с жидким чугуном магния, церия и других элементов. В результате выделяется углерод в виде шаровидного графита, повышаются механические свойства: износо-, коррозионно-, жаро- и хладостойкость. σв = 350 ... 1000 МПа,δ = 2 ... 6 %. Применяется для изготовления ответственных деталей (коленчатые валы, поршни и др). Маркировка: ВЧ 45-5 (σВ > 450 МПа; δ > 5 %) (всего 10 марок по ГОСТ). Чугуны имеют хорошие литейные свойства, но непригодны для обработки давлением и плохо свариваются.

Рис. 3.2. Микроструктуры серого чугуна:

а – ферритного; б – перлито-ферритного; в – перлитного;

1 – феррит, 2 – графит, 3 − перлит

3.9. Цветные металлы и сплавы

(примеры материалов и их применения)

Алюминий – легкий металл, ρ = 2700 кг/м3, tпл = 658 °С, после прокатки и отжига σв = 58 МПа, δ = 40 %. Высокая пластичность, невысокая прочность, хорошая свариваемость, коррозионная стойкость, на воздухе не окисляется за счет оксидной пленки, высокая электро- и теплопроводность. Деформируемые термически не упрочняемые сплавы систем Al-Mn(AМц), Al-Mg(АМг). Деформируемые термически упрочняемые сплавы систем Al-Cu-Mg: дуралюмины Д16 … Д18 и силумины АК6 … АК8, после ТО – высокая пластичность и прочность. Литейные сплавы с 10 … 13 % Si – АЛ2, АЛ4, АЛ9 – применяются наиболее

широко. Сплавы с медью и марганцем АЛ7, АЛ19 обладают повышенной прочностью. Сплавы с магнием Mg = 9,5 … 11,5 %, АЛ8, АЛ13 имеют хорошую коррозионную стойкость. Алюминий применяют также для приготовления спеченных алюминиевых сплавов (САС) и алюминиевых пудр (САП), обладающих коррозионной стойкостью, прочностью или пористостью. Магний – легкий металл, ρ = 1740 кг/м3, tпл = 651 °С, на воздухе окисляется, хорошо сваривается и обрабатывается резанием, после прокатки и отжига σв =

180 МПа; δ = 15 %. Деформируемые неупрочняемые ТО сплавы – МА2, МА8. Высокопрочные, упрочняемые ТО – МА5. Жаропрочные с добавками циркония, никеля и др. литейные сплавы МЛ6, МЛ3 имеют невысокий модуль упругости (Е = 4300 МПа) и вследствие этого хорошие демпфирующие свойства (гасят колебания конструкции), но низкую коррозионную стойкость, поэтому отливки оксидируют, покрывают лаком и т. д. Магний химически активен к кислороду, поэтому применяется в качестве раскислителя при плавке стали и цветных металлов, при получении трудно восстанавливаемых металлов (Ti, V, циркония, урана и др.), для получения высокопрочного модифицированного чугуна. В химической промышленности Mg применяется для обезвоживания органических веществ (спирта, анилина и др.), в порошкообразном виде и в виде ленты горит ослепительно белым пламенем (фотовспышка, пиротехника, ракеты и зажигательные бомбы). Сплавы магния хорошо поглощают вибрации, немагнитны, не дают искры при трении и ударах. Удельная жесткость при изгибе и кручении у них на 20 % выше, чем у алюминиевых сплавов и на 50 %, чем у стали, удельная вибрационная прочность в 100 раз больше, чем у дуралюмина и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Стружка и пыль магния взрывоопасны. Медь: ρ = 8900 кг/м3, tпл = 1083 °С, высокая тепло- и электропроводность, пластичность, хорошая коррозионная стойкость, жидкотекучесть, ковкость, 29 свариваемость. Чистая медь: σВ = 250 ... 270 МПа, δ = 40 ... 50 %. Примеси ухудшают качество меди, особенно сера и кислород, образующие соединения Cu2S и Cu2O. Латуни – основной легирующий компонент – цинк. Латуни деформируемые– Л96, Л59. Литейные латуни – ЛАЖМц 66-6-3-2. Указан состав меди и др. элементов, остальное – цинк. Бронзы – сплавы меди с оловом (4 … 33 %), свинцом (до 30 %), Al (5 … 11 %), Si (4 … 5 %), сурьмой и фосфором. Имеют высокую антифрикционность (стойкость против истирания за счет низкого коэффициента трения),

малую усадку, хорошую жидкотекучесть, высокую химическую стойкость. Литейные оловянистые бронзы – Бр.ОЦС5-5-5 и безоловянистые –Бр.АЖН10-4-4 (алюминиевые), Бр. Б2 (бериллиевая – для пружин), Бр. С30 (свинцовистая – для подшипников). Деформируемые бронзы – Бр. АЖ9-4. Медноникелевые сплавы специальные, например, мельхиор, константан. Титан: ρ = 4500 кг/м3, tпл .= 1672 °С, на воздухе коррозионно стоек за счет оксидной пленки TiO2, легкий, прочный, тугоплавкий, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии и сваривается, но плохо обрабатывается резанием (вязок). Чем чище по примесям, тем ниже прочность и выше пластичность. Сплавы ВТ4, ВТ18 и др. легированные, в основном Al, термически не упрочняются, после ОМД подвергают отжигу, σВ = 650 ... 880 МПа; δ = 15 ... 40 %. ВТ6, ВТ14 и др. содержат Al, W, Mo, более высокая прочность за счет закалки и старения: σВ = 800 ... 1150 МПа; δ = 8 ... 15 %. Титановые сплавы применяются в химической промышленности, авиации, судостроении, медицине, пищевой промышленности, в криогенной технике (аммиачные компрессоры, холодильные установки, емкости для хранения жидких газов).

Подшипниковые сплавы и материалы (антифрикционные).

К этим материалам предъявляется ряд требований, обеспечивающих наилучший режим эксплуатации для опор подшипников скольжения: низкий коэффициент трения, хорошая прирабатываемость, высокая теплопроводность и теплоемкость, способность удерживать смазку, малая способность к «схватыванию», устойчивость против коррозии. В основном используются металлические сплавы на основе легкоплавких металлов Sn, Pb, Zn, Al (баббиты), а также некоторые бронзы и антифрикционные чугуны. Баббиты обладают неоднородной структурой (мягкая основа с твердыми включениями), что обеспечивает быструю приработку, высокую сопротивляемость износу и сеть микроскопических каналов для смазки. Например, баббиты оловянно-сурьмянистые Б83 и Б89. Основа – олово, 7,25 … 10 %

Sb и 2,5 … 6,5 % Cu, tпл. = 380 и 342 °С. Коэффициент трения подшипниковых сплавов f = 0,005 … 0,009.