3.2.3 Тема 1.3. Сплавы на основе железа
Диаграмма состояния железо – углерод (см. схему 2) дает представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.
Схема 2 Диаграмма фазового состояния Fe – Fe3C
Содержание углерода в диаграмме Fe – C (цементит) ограничивается 6,67%, т.к. при этой концентрации образуется химическое соединение – карбид железа (Fe3C) или цементит, который и является вторым компонентом данной диаграммы.
Точка А (15390С) отвечает температуре плавления железа, точка D (15000C) – температуре плавления цементита, точки N (13920C) и G (9100С) соответствуют полиморфному превращению Feα – Feγ.
В системе (Fe – C) имеются две большие группы сплавов: стали и чугуны. Сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С; сплавы с большим содержанием углерода от 2,14% до 6,67% называются чугунами. [4]
Углеродистые стали классифицируются:
По содержанию углерода на низкоуглеродистые (до 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3 – 0,7% С) и высокоуглеродистые (более 0,7% С).
По назначению на конструкционные и инструментальные.
По качеству на обыкновенного качества, качественные, высоко-качественные.
По степени раскисления на кипящие (Si менее 0,07%), спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием (более 0,12%) и полуспокойные, которые занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
Ракисление – это процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
По структуре в равновесном состоянии стали делятся на доэвтек-тоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Влияние постоянных примесей на углеродистые стали.
В зависимости от способа выплавки стали различаются содержанием примесей. Основные из них следующие:
1) марганец в виде оксида MnO2 – пиролюзит;
2) кремний в виде соединения SiO2 – кремнезем;
3) вредные примеси – фосфор и сера. Эти элементы оказывают существенное влияние на механические, технологические и др. свойства стали, поэтому их количество строго регламентируется в различных марках сталей;
4) при выплавке и разливке стали в нее из окружающей атмосферы попадают кислород, азот, водород и др. газы
Включения оксидов MnO, SiO2 и Al2O3, а также некоторые других элементов могут образовывать в стали как продукты реакций раскисления на определенном этапе, а также попасть в нее из футеровки печей. Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее механические свойства.
Чугуны.
Чугуны – более дешевый материал, чем сталь. Содержание углерода в них больше 2,14%. Они обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки более сложной формы, чем из сталей.
В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.
Белый чугун имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Имеет большую твердость, очень хрупкий, для изготовления машин не используется. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. Высокая твердость поверхности такой отливки позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойства отбеленного чугуна применяются для изготовления деталей, работающих в условиях износа.
Серый чугун по виду излома имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида.
Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры или группы цифр показывающих предел прочности (временное сопротивление) при растяжении и изгибе (кгс/мм2). Показателями механических свойств серых чугунов является прочность при статическом растяжении.
Серые чугуны имеют разнообразное применение от слабонагруженных деталей до изготовления отливок для станин мощных станков.
В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. Их получают путем модифицирования магнием. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокую прочность и при этом некоторую пластичность.
Маркируются высокопрочные чугуны по пределу прочности (Ϭпр) и относительному удлинению (δ), например ВЧ45–5, где 45 кгс/мм2 – предел прочности, 5% – относительное удлинение.
Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечнопрессовое оборудование, коленчатые валы и др. детали, работающие при циклических нагрузках и в условиях сильного износа.
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают в результате специального графитизирующего отжига (томление) белого чугуна. Ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью.
Маркировка ковких чугунов КЧ и цифрами (как высокопрочных чугунов)
Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, авто-мобильном и текстильном машиностроении, в судо- и котло-, вагоно- и дизелестроении. Этот чугун идет на изготовление деталей высокой прочности, которые подвержены сильному истиранию и ударным знакопеременным нагрузкам.
Недостаток ковкого чугуна – высокая стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига. [3]