2.1 Черные металлы

К черным металлам относят чугун и сталь, которые представляют собой сплавы железа и углерода.

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%.

Чугун - дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали. Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.

Помимо углерода в сплав могут входить некоторые количества кремния, марганца и других элементов в небольших количествах. В зависимости от технологических свойств различают несколько видов чугунов: серый, высокопрочный, ковкий и легированный.

Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).

Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ. Серый чугун маркируют буквами СЧ и цифрами, указывающими его прочность при растяжении.

В зависимости от химического состава и назначения чугуны подразделяют на легированные, специальные, или ферросплавы, ковкие и высокопрочные чугуны.

Высокопрочный чугун получают в результате добавления при плавке в серый чугун 0,3-1,0 % магния и до 0,5 % церия. Маркируют этот чугун буквами ВЧ и цифрами, указывающими его прочность при растяжении.

Ковкий чугун отличается высокой вязкостью. Он обозначается буквами КЧ и двумя цифрами, первая из которых обозначает предел прочности на растяжение, а вторая - относительное удлинение в процентах. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т.д.

Легированные чугуны получают введением легирующих элементов (хрома, кремния, алюминия, марганца и др.). Эти чугуны маркируют буквами и цифрами (например, ЧХ1, ЧХ9Н5 и т.п.), где буква Ч обозначает чугун, буквы X и Н - легирующие элементы, а цифры - содержание этих легирующих элементов в процентах. Легированный чугун наряду с обычными примесями содержит элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность, износостойкость. Различают хромистые, титановые, никелевые чугуны. Их применяют для изготовления деталей машин с повышенными механическими свойствами, работающих в водных растворах, в газовых и других агрессивных средах.

Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун специальных добавок. Он применяется для изготовления более ответственных изделий, заменяя сталь (коленчатых валов, поршней, шестерен и др.). Маркируется высокопрочный чугун также двумя буквами и двумя числами, например ВЧ 450-5. Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун, а числа имеют то же значение, что и в марках ковкого чугуна

Стали также представляют собой сплавы железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами.

В состав углеродистой стали кроме углерода входит небольшое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, Р), попадающих в нее при выплавке. Главным элементом, определяющим свойства углеродистой стали, является углерод. Он повышает твердость, упругость, прочность, уменьшает пластичность и сопротивление ударным нагрузкам,.

Кремний и марганец в небольшом количестве особого влияния на свойства стали не оказывают. Сера и фосфор считаются вредными примесями. Сера вызывает красноломкость, хрупкость при высоких температурах, уменьшает коррозионную стойкость. Фосфор увеличивает хрупкость и хладноломкость стали, т.е. хрупкость при обычных температурах. Однако в определенных дозах они необходимы для получения специальных свойств стали.

Углеродистая сталь, в свою очередь, подразделяется по назначению и качеству. По назначению она делится на конструкционную и инструментальную.

Конструкционная углеродистая сталь содержит до 0,6% углерода (как исключение допускается содержание углерода до 0,85%).

По качеству конструкционная углеродистая сталь делится на сталь обыкновенного качества и качественную.

На металлургических заводах для различения этих сталей на торцах стальных прутков выбивают клеймо марки, условным цветом окрашивают торцы или наносят метки по окружности прутка

Инструментальная углерод и стая сталь содержит углерода 0,7% и более. Она отличается твердостью и прочностью. В легированной стали наряду с обычными примесями имеются один или несколько специальных элементов, улучшающих ее свойства: хром, вольфрам, молебден и др., а также кремний и марганец в сравнительно большом количестве.

Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали:

 хром повышает твердость и коррозионную стойкость;

 вольфрам увеличивает твердость и красностойкость;

 молибден увеличивает красностойкость, прочность и сопротивление окислению при высоких температурах;

 марганец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износостойкость, стойкость против ударных нагрузок.

По назначению легированная сталь делится на три группы: конструкционную, инструментальную и сталь с особыми физическими и химическими свойствами.

Широкое применение в металлообработке имеет один из видов инструментальной легированной стали - быстрорежущая сталь. Главные достоинства этой стали - твердость и красностойкость (она не теряет твердости до 600°С). Легирующими элементами в ней служат вольфрам (в количестве не менее 6%), хром (не менее 4%), а также кобальт, ванадий, молибден. Содержание углерода 0,7-1,1%. Наиболее распространенные марки быстрорежущей стали: Р9, Р18, Р6МЗ, Р6М5.

К сталям с особыми физическими свойствами относятся: магнитная и немагнитная стали, сталь, обладающая высоким электрическим сопротивлением, и сталь с особыми тепловыми свойствами.

Стали и сплавы с особы ми химическими свойствами - коррозионностойкие, нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные.

Особые физические и химические свойства сталей достигаются главным образом благодаря введению в них различных легирующих элементов. Например, стойкость против коррозии обеспечивается введением в нержавеющую сталь не менее 12% хрома.