8. Какими показателями оценивают жаростойкость чугуна?

9. Перечислите основные группы жаростойких чугунов.

10.Какими особыми свойствами обладают никелевые чугуны?

11.Какие легирующие элементы применяют для получения коррозионностойких чугунов и в чем заключается механизм защиты от коррозии этими элементами?

12.Какую структуру имеют немагнитные чугуны?

13.Классификация, маркировка и области применения антифрикционных чугунов.

14.Что такое синтетический чугун?

15. Почему при одинаковом составе свойства синтетических чугунов отличаются от свойств обычных чугунов?

16.В каких случаях целесообразно применять синтетические чугуны?

3. ЛИТЕЙНЫЕ СТАЛИ

Литейные стали представляю т собой м ногоком понентны е железоуглеродистые сплавы. Сталь может содержать до 2 % С, но в большинстве случаев его содержание не превышает десятых и даже сотых долей процента.

Наряду с углеродом в сталях в тех или иных количествах всегда присутствуют Mn, Si, Al, S, Р, N, Н, О. Первые три элемента вводят в

сталь специально, как технологические добавки - раскислители при плавке, а остальные попадают из шихтовых материалов или из печной атмосферы и остаются как нежелательные, но неизбежные примеси.

Для придания сталям особых свойств в них вводят легирующие добавки, такие как Cr, Ni, Мо, У, Си, Mn, Si и др.

Сталь является наиболее универсальным конструкционным материалом. В ней удачно сочетаются высокая прочность, твердость и пластичность. Литая сталь несколько уступает по свойствам деформированной, но, тем не менее, широко применяется во всех отраслях современного м аш иностроения для деталей, заготовки которых экономически или технически целесообразно получать методом литья.

3.1.Классификация литейных сталей

♦Литейные стали классифицируют по четырем признакам.

♦По химическому сост аву стали делят на 4 класса: углеродистые;

♦низколегированные, содержащие не более 2,5 % легирующих элементов;

♦ среднелегированные, содержащие от 2,5 до 10 % легирующих элементов;

♦ высоколегированные стали, содержащие более 10 % добавок.

По ст р укт ур е углеродистые и легированные стали классифицируют раздельно. Углеродистые стали могут иметь ферритную или перлитную структуру, и соответственно они относятся к сталям ферритного и перлитного класса. Легированные стали делят на шесть классов: ферритные, мартенситные, аустенитные и промежуточные мартенситно-ф ерритны е, аустенитно-ферритные и аустенитно­ мартенситные. Особую группу составляют графитизированные стали, в структуре которых присутствует свободный углерод в виде графита.

Классификация легированных сталей на классы по структуре требует некоторого пояснения. Дело в том, что она произведена не по равновесной структуре, а по структуре, полученной после охлаждения на воздухе, т.е. с более высокой скоростью, чем равновесная.

В общем случае при охлаждении на воздухе можно получить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный и аустенитный. По мере увеличения содержания легирующих элементов растет устойчивость аустенита в перлитной области и понижается температура мартенситного превращения (рис. 3.1).

У углеродистых и малолегированных сталей линия скорости охлаждения на воздухе пересекает область перлитного распада, т.е. при такой скорости охлаждения будет получена перлитная структура (или более мелкодисперсные сорбит, троостит).

Рис. 3.1. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей перлитного (а),

мартенситного (б) и аустенитного (в) классов

У высоколегированных сталей, под действием легирующ их элементов, область перлитного распада сдвигается вправо. Аустенит здесь переохлаждается до температур мартенситного превращения, где и происходит образование мартенсита.

Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента сдвигает не только область перлитного распада вправо, но и температуру мартенситного превращения в минусовую область. В этом случае сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохранит аустенитную структуру или аустенитно-мартенситную, если превращение произойдет частично.

В малоуглеродистых легированных сталях при охлаждении на

подразделяют на две большие группы: отливки общего назначения из конструкционной стали и отливки из сталей со специальными свойствами. В соответствии с этим и стали можно поделить на конструкционные и стали со специальными свойствами. Первую группу составляют преимущественно углеродистые и низколегированные сплавы. Стали второй группы обычно имеют специальное название в зависимости от физических, химических и других свойств: нержавею щ ие, ж аропрочны е, износостойкие, кислотостойкие, жаростойкие и др. В отдельную группу иногда выделяют инструментальные стали.

По способу выплавки различают стали, выплавленные в печах с кислой или основной футеровкой. Их, соответственно, называют кислыми или основными. Преобладают стали, выплавленные в кислых печах. Основные печи применяют реже для сталей с низким содержанием серы

ифосфора. Себестоимость такой стали выше, чем кислой.

Взависимости от вида плавильного агрегата различают сталь конвертерную, мартеновскую, электросталь и сталь, выплавленную специальными методами. Более 90 % всей стали для отливок сейчас получают в электрических печах.

Эти стали получили наибольшее распространение. Из них изготовляют « 7 0 % стальных отливок. По технологичности литая сталь уступает чугуну. Стальное литье более трудоемкое, имеет повышенный брак и, следовательно, более дорогое, чем чугунное. Но высокие показатели прочности, пластичности и вязкости обусловливают надежность и долговечность машин и конструкций, поэтому стальное литье почти не сдает своих позиций.

3.2.1.Состав и механические свойства

ВГОСТ 977-88 включено девять марок нелегированных конструкционны х сталей. Химический состав сталей по основным элементам приведен в табл. 3.1.

Стандартные стали отличаются одна от другой главным образом концентрацией углерода. Его среднее содержание в сотых долях процента и определяет марку стали. Стали, содержащие до 0,2 % С, называют низкоуглеродистыми. Среднеуглеродистые стали содержат от 0,2 до 0,45 % С, а высокоуглеродистые - свыше 0,45 % С.

Во всех литейных сталях присутствуют кремний и марганец которы е, как указы валось, используются при плавке в качестве раскислителей. Остаточное содержание кремния в сталях колеблется от 0,20 до 0,52 %. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но снижает пластичность. Содержание марганца несколько выше, чем кремния (до 0,9 %), так как он используется не только как раскислитель, но и как нейтрализатор вредного влияния серы. В углеродистых сталях

ограничивается и содержание таких элементов, как хром, никель, медь - по 0,3 % каждого. Обычно они попадают в сталь при плавке из стального лома, содержащего легированные стали.

В зависимости от назначения и предъявляемых требований отливки из углеродистой стали делятся на три группы : общ его назначения (I группа), ответственного назначения (II группа) и особо ответственного назначения (III группа). Для каждой группы отливок стандарт предписы вает свой объем контроля. В I группе контролируются: внешний вид, размеры и химический состав стали. Допускаю тся отклонения по содержанию С, Мп и Si. Во II группе добавляется контроль м еханических свойств: предела текучести, предела прочности и относительного удлинения. В III группе контролирую т ещё и ударную вязкость. При поточно-м ассовом конвейерном производстве разделение отливок по группам не производится. Группа назначения отливок указывается при маркировке стали. Например: "Сталь ЗОЛ-1 ГОСТ 977-88" (сталь для отливок I группы); "Сталь 35Л-И ГОСТ 977-88" (сталь для отливок II группы); "Сталь 45Л ГОСТ

Таблица 3.2

Допустимое содержание вредных примесей в различных группах отливок из углеродистых сталей в зависимости от способа плавки, % (не более)

977-88" (сталь для конвейерного производства).

Как видно из табл. 3.2, чем ответственнее назначение отливки, тем более жесткие требования предъявляются к содержанию в ней вредных примесей.

Сера в стали образует по границам зерен сетку из легкоплавких эвтектик Fe-FeS или FeO-FeS, что приводит к красноломкости стали и повышает склонность к образованию горячих трещин.

При повышенном содержании марганца он связывает серу в более тугоплавкие сульфиды MnS, которые выделяются в виде неметаллических включений внутри зерна, если при плавке не были созданы условия для их удаления из стали.

Фосф ор растворяется в феррите, а при кристаллизации обогащает границы зерен и может образовать фосфидную эвтектику. Фосфор снижает пластичность стали при нормальных и, особенно, при низких температурах. Сталь становится хладноломкой. В отливках сложной конфигурации и в толстостенных возможно местное увеличение концентрации вредных примесей за счет ликвации, поэтому для таких отливок целесообразно ограничивать содержание серы до 0,035 %, а фосфора до 0,03 %.

Механические свойства углеродистых сталей в первую очередь зависят от содержания углерода. С его повышением растет предел прочности, но снижаются пластичность и ударная вязкость. На рис. 3.2

. показана зависимость механических свойств углеродистых сталей от содержания углерода в отливках после нормализации и отпуска, а в табл. 3.3 приведены механические свойства отливок из углеродистых сталей при двух вариантах термической обработки.

в

Рис. 3.2. Влияние углерода на механические свойства (а) и колличество феррита и цементита в стали (б)

Условно-истинная жидкотекучесть (1_ж) определяется при одинаковом перегреве над линией ликвидуса. С увеличением содержания углерода 1ж понижается, что связано с расширением интервала кристаллизации.

Практическая жидкотекучесть (6к) определяется в условиях постоянной температуры разливки. С увеличением содержания углерода до 0,1 % она уменьшается, а затем существенно возрастает из-за преобладающего воздействия перегрева по сравнению с расширением интервала кристаллизации. На жидкотекучесть особенно отрицательное влияние оказывают неметаллические включения. Кремний и марганец проявляют свое влияние как раскислители: чем больше этих элементов, тем полнее раскислена сталь, тем меньше в ней окисных неметаллических включений и тем лучше жидкотекучесть. Содержание серы и фосфора в допустимых пределах не оказывает существенного влияния на жидкотекучесть.

Линейная усадка (8д) заметно уменьшается при повышении содержания углерода до 0,25 %. В интервале от 0,25 до 0,40 % С она остается практически постоянной (« 2,2 %), а начиная с 0,40 % С возрастает. Усадка сталей довольно велика по сравнению с усадкой других литейных сплавов, особенно чугуна. В реальных условиях литья затрудненная (литейная) усадка меньше свободной (линейной) усадки. В тонкостенных отливках сложной конф игурации она составляет 1,25-1,5 %, а в толстостенных остается на уровне 2,0-2,3 %, т.е. усадка чувствительна к колебаниям размеров, конфигурации отливок и к технологии литья.

Горячеломкость (Г) более свойственна малоуглеродистым сталям, что объяснется 5 —► у превращением, происходящим с изменением объема, и большим интервалом кристаллизации. Наибольшую горячеломкость имеют стали перитектического состава (0,18-0,20 % С). У среднеуглеродистых сплавов (до 0,45 % С) горячеломкость несколько понижается, а затем снова возрастает.

Особенно отрицательное влияние на трещиноустойчивость оказывает повышение содержания серы.

В углеродистых сталях возможны все виды ликвации, но чаще других наблюдается зональная ликвация, особенно в толстостенных отливках. Главными ликвирующими элементами являются сера, углерод и фосфор. Так, при среднем содержании серы в отливке 0,03 %, в осевой зоне её содержание может достигать 0,1 %.

Плохие литейные свойства затрудняют получение качественных отливок без усадочных раковин, пористости, горячих и холодных трещин. Необходимо устанавливать массивные прибыли, создавать направленное затвердевание. Трещины располагаю тся в наименее прочных (разогретых) местах. Образование их можно предотвратить установкой холодильников, усилением отливки технологическим и рёбрами, улучшением податливости формовочных и стержневых смесей.

3.2.3. Особенности структуры литых углеродистых сталей

Свойства отливок существенно зависят от структуры, которая формируется при первичной кристаллизации. Стали, содержащие « 0,2% С, склонны к образованию столбчаты х кристаллов (транскристаллизации). По мере возрастания концентрации углерода транскристаллизация уменьш ается, что объясняется изменением интервала кристаллизации и теплофизических свойств. Первичную структуру стальных отливок можно регулировать изменением перегрева стали, скорости охлаждения и модиф ицированием. Высокие перегревы и температура заливаемого металла приводят к огрублению структуры. После полного затвердевания при высокой температуре образуются очень крупные зерна аустенита. При охлаждении до температуры Аз начинается выделение феррита в виде вытянутых острых пластинок, пересекающихся под различными углами в пределах аустенитного зерна. При температуре Ai оставшийся аустенит превращается в перлит. Такое крупнозернистое грубое строение литой стали получило название видманштеттова структура по фамилии ученого, описавшего ее впервые. Стали с видманштеттовой структурой (рис. 3.4) имеют пониженные пластические свойства и малую ударную вязкость. В связи с этим верхний уровень температуры заливки определяют, как правило, только исходя из условий заполнения полости формы и не допускают излишних перегревов. Улучшение литой структуры

достигается путем термической обработки.

Наиболее распространенным видом термической обработки отливок из углеродистой стали является нормализация. Это разновидность отжига, отличающаяся тем, что охлаждение идет не в печи, а на воздухе. При нормализации существенно измельчается литая структура, повышаются пластичность, ударная вязкость и общая прочность отливок. Особенно благоприятно нормализация влияет на ударную вязкость, она возрастает в несколько раз. После нормализации рекомендуется проводить отпуск для снятия внутренних напряжений при температурах 550-675°С.

Наилучший комплекс механических свойств у углеродистых сталей, как это видно из табл. 3.4, достигается закалкой с последующим отпуском, температура которого определяется в зависимости от назначения отливок и требуемых соотношений прочностных и пластических свойств. Обычно предпочтение отдают высокотемпературному отпуску. Закалке можно подвергать только стали с достаточно высоким содержанием углерода, поэтому для сталей 15Л и 20Л этот вид ТО не назначается. Закалка с высоким отпуском, по сравнению с нормализацией или отжигом, одновременно повышает прочность, пластичность и ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Такая обработка желательна для деталей машин, подвергающихся высоким напряжениям и ударным нагрузкам.

Механические свойства стали 35Л в зависимости

от вида термической обработки

В производственных условиях процессы закалки, особенно крупных отливок и отливок сложной конфигурации, имеют технологические сложности (могут привести к короблению, появлению трещин, не полной прокаливаемости), поэтому для большей части отливок ограничиваются нормализацией, обеспечивающей удовлетворительные дисперсность структуры и уровень свойств.

Углеродистые стали применяют для литья арматуры (25Л), корпусов турбомашин и станин (ЗОЛ), различных деталей машиностроения (35Л), зубчатых колес и деталей с повышенной износостойкостью, достигаемой поверхностной закалкой (45Л-55Л), валков горячей прокатки (50Л).

Н аибольш ее распространение в производстве получила среднеуглеродистая сталь 35Л.

3.3. Легированные стали

Легирование стали осуществляется для увеличения надежности, долговечности литых деталей и придания им специальных свойств. Замена углеродистых сталей на более прочные легированные позволяет снизить массу литых деталей. Выбор легирующих элементов осуществляется исходя из назначения отливки, ее конструктивных и технологических особенностей, а также условий эксплуатации.

Легирующ ие элементы вызывают изменение свойств существующих фаз и образование новых структурных составляющих. Введением в сталь определенных элементов в строго заданных количествах можно добиться значительного улучшения имеющихся свойств или получения специальных свойств стали.

Маркировка легированных сталей осуществляется при помощи букв и цифр, раскрывающих примерный химический состав сплава, например сталь 35ХМЛ, сталь 35ХГСЛ. Число в начале указывает содержание углерода в сотых долях процента, а последующие буквы и цифры обозначают легирующие элементы и их количество в процентах. Буква Л в конце обозначает, что сталь предназначена для получения отливок. Если цифра за буквой отсутствует, то концентрация элемента менее 1,5 %. Большинство элементов обозначают по первой букве русского названия: А - азот, В - вольфрам, К - кобальт, М - молибден, Н - никель, X - хром, Ц - цирконий. Другие маркируют по букве, содержащейся в названии: Б - ниобий, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, Р - бор, Ю - алюминий. Для обозначения кремния - С и ванадия - Ф использованы первые буквы латинского названия (в русской транскрипции). Для сокращения иногда отступают от точного соблюдения маркировки, особенно это относится к сложнолегированным сталям. Например, полностью опускают цифры,

обозначающие содержание углерода, особенно если его больше 1 %.

3.3.1. Влияние легирующих элементов

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими. Их необходимо отличать от постоянных и случайных примесей, которые попадают в сталь при плавке.