методичка

1. Белые чугуны

Белые чугуны имеют ограниченное применение в машиностроении из-за высокой твердости, большой хрупкости и плохой обрабатываемости. Их классифицируют по содержанию углерода на:

–доэвтектические – с содержанием углерода от 2,14% до 4,3% и структурой перлит, ледебурит и вторичный цементит;

–эвтектические – с содержанием углерода 4,3% и структурой ледебурит;

–заэвтектические – с содержанием углерода более 4,3%

иструктурой ледебурита и первичного цементита. Микроструктура белых чугунов представлена на рис.1

(а, б, в).

б Рис. 1. Микроструктура белых чугунов:

а) белый доэвтектический чугун; б) белый эвтектический чугун; в) белый заэвтектический чугун.

31

Белые чугуны не маркируются и не регламентируются ГОСТом.

В машиностроении в качестве конструкционных материалов широкое применение нашли графитизированные чугуны, которые разделяются по форме графитовых включений на серые с пластинчатым графитом; высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие с компактной формой графита.

2. Серые чугуны

Серые чугуны имеют пластинчатую форму графита (рис. 3 г). Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием и имеют малую усадку. Чугуны хорошо сопротивляются сжатию, удовлетворительно работают на изгиб, способны гасить вибрации. Неудовлетворительно они работают на растяжение и скручивание. Разрушение деталей из серых чугунов проходит практически без пластической деформации, и поэтому они относятся к хрупким материалам.

Серый чугун маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа 10–1. ГОСТ 1412–85 включает шесть основных марок серого чугуна – от СЧ 10 до СЧ 35. По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24.

Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы и размеров графитовых включений, которые ослабляют металлическую основу чугуна. Графитовые включения с длиной более 500 мкм относятся к крупным, от 500 до 250 мкм – к средним, менее 250 мкм – к мелким. Чем больше длина графитовых включений в чугуне, тем ниже его механические свойства.

Металлическая основа может быть: ферритной, ферритно

– перлитной и перлитной. Лучшей металлической основой в структуре серого чугуна является перлит. Для уменьшения длины графитовых включений и, следовательно, повышения механических свойств серого чугуна его подвергают модифицированию ферросилицием или другими присадками.

Для определения марки серого чугуна по структуре необходимо определить длину графитовых включений и его основу. Чугуны марок СЧ 10 иСЧ 15 имеют ферритную основу и предназна-

32

ченыдляслабо– исредненагруженных деталей:крышки, фланцы, маховики, корпусаредукторов, тормозные барабаныидр.

Ферритно – перлитные серые чугуны СЧ 20, СЧ 25 применяются для деталей, работающих при повышенных нагрузках: блоки цилиндров, поршни цилиндров, зубчатые колеса и др.

Перлитные серые чугуны СЧ 30 и СЧ 35 являются модифицированными чугунами (графит мелкопластинчатый) и обладают более высокими механическими свойствами.

Применяются для изготовления деталей, работающих при высоких нагрузках или в условиях износа: зубчатые колеса, распределительные валы, гильзы цилиндров и др.

3. Ковкие чугуны

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита (рис. 3 а, б, в) получают длительным отжигом отливок из белого чугуна. По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными. Перлитные ковкие чугуны получают одностадийным отжигом отливок из белого чугуна. В результате нагрева и выдержки отливок из белого чугуна при температуре 950 – 1000°С (первая стадия графитизации) происходит распад цементита по реакции Fe3C → γ – Fe + углерод отжига. Выделяющийся углерод образует графитовые включения компактной формы. Такая форма графита резко уменьшает концентрацию напряжений в металлической основе, и механические свойства возрастают.

Ферритные ковкие чугуны получают двухстадийным отжигом отливок из белого чугуна. Вторую стадию отжига проводят при температуре 740…760 0С (первая стадия при температуре 95…10000С). График отжига на ковкий чугун приведен на рис. 2.

Наряду с достаточно хорошей прочностью ковкий чугун обладает способностью к пластической деформации. Прочность и пластичность ковкого чугуна зависят от металлической основы. Ферритная основа обеспечивает большую пластичность (относительное удлинение) и меньшую прочность, перлитная основа – большую прочность и меньшую пластичность. При рассмотрении структуры ковкого чугуна с целью определения его марки необходимо установить форму графитовых

33

включений и характер металлической основы. Из ковкого чугуна изготавливают картеры задних мостов и рулевых управлений, кронштейны рессор, рычаги сложной геометрической формы. Существенным недостатком ковкого чугуна является невозможность изготовления деталей с массивной стенкой (более 30 мм), так как отливки из белого чугуна должны быстро охлаждаться при затвердевании.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа 10–1 и относительное удлинение в процентах соответственно.

ГОСТ 1215 – 79 включает одиннадцать основных марок ковкого чугуна от КЧ 30 – 6 до КЧ 80 – 1,5.

4. Высокопрочные чугуны

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом (рис. 3) обладают примерно такими же механическими свойствами, что и ковкий чугун. Шаровидный графит получают присадкой в жидкий сплав магния или церия. Поэтому технология производства высокопрочного чугуна экономичнее, чем ковкого. Прочность и пластичность высокопрочного чугуна зависят от металлической основы, которая может быть ферритной, ферритно - перлитной и перлитной. Для определения марки высокопрочного чугуна необходимо установить форму включений графита и характер металлической основы. Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ, за которыми следует число,

34

указывающее значение временного сопротивления при растяжении в МПа · 10–1 (например ВЧ 50).

ГОСТ 7293 – 85 включает восемь основных марок (ВЧ 35,

ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100). Из высоко-

прочного чугуна изготавливают детали, требующие достаточно высоких механических свойств при эксплуатации, такие как коленчатые валы ДВС.

Микроструктуры графитизированных чугунов представлены на рис. 3 (а, б, в, г )

в) г)

Рис. 3. Микроструктура графитизированных чугунов:

а) высокопрочного чугуна на ферритной основе; б) высокопрочного чугуна на ферритно - перлитной основе; в) ковкого чугуна на ферритной основе; г) серого чугуна на ферритной основе.

35

Порядок выполнения работы и содержание отчета:

1.Изучить под микроскопом шлифы полученной коллекции чугунов.

2.Определить форму графитовых включений.

3.По форме графита указать название чугуна.

4.Определить металлическую основу.

5.Определить размеры графитовых включений (для серого чугуна).

6.Пользуясь таблицами ГОСТа, определить марку чугуна.

7.Сделать зарисовки структур.

8.Указать механические свойства и применение определённых в работе марок чугуна.

9.Привести диаграмму состояния сплавов железо - углерод с указанием стабильного и метастабильного равновесия.

Контрольные вопросы:

1.Что называется чугуном?

2.В чем сущность процесса графитизации?

3.Укажите основные факторы, влияющие на процесс графитизации.

4.От каких факторов зависят свойства серых, ковких и высокопрочных чугунов?

5.Что такое модифицирование? Чем модифицируют высокопрочный чугун?

6.Как получают ковкий чугун?

7.С какой металлической основой чугуны имеют наибольшую прочность?

8.Укажите применение различных марок чугунов.

Лабораторная работа № 6 ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВ И ПРИМЕНЕНИЯ

ЛЕГИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы: ознакомиться со структурой легированных сталей. Изучить свойства сталей. Научиться выбирать марку стали в зависимости от условий работы детали.

В процессе работы необходимо изучить характерные особенности конструкционных и инструментальных легированных сталей.

36

Оборудование и материалы:

1.Коллекция шлифов

2.Металлографический микроскоп

3.Справочные таблицы химического состава и механических свойств легированных сталей

4. Атлас структур легированных сталей.

Теоретические сведения:

Если в сталь для получения заданных свойств специально вводят элементы (Сr, Mo, W, V, Ti, Co и др.), то эти элементы называют легирующими, а саму сталь – легированной. Марганец и кремний, которые применяют в качестве раскислителей, присутствуют в любой стали в небольших количествах (0,3…07% Мn и 0,2…0,5% Si). Если марганец и кремний введены в сталь в повышенных количествах, то они являются легирующими элементами. Стали с повышенным содержанием кремния и марганца относятся к легированным сталям.

Легированные стали после термической обработки имеют более высокие механические свойства, чем углеродистые. Они обладают, при определенном химическом составе, способностью хорошо сопротивляться коррозии при нормальных и повышенных температурах, а также имеют более высокую износостойкость.

Положительное влияние легирующих элементов на свойства стали объясняется тем, что они изменяют положение критических точек, смещают их влево или вправо (точки S и Е диаграммы состояния сплавов железо-углерод) и особым образом взаимодействуют с железом и углеродом. Элементы, которые растворяются в феррите или в аустените, упрочняют твердые растворы.

При взаимодействии с углеродом хром, молибден, никель, титан, вольфрам, ванадий, марганец и другие образуют карбиды различного типа. Карбиды легирующих элементов обладают более высокой твердостью и меньшей хрупкостью, чем карбид железа.

Легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали. Поэтому легированные стали необходимо применять после термической обработки, в противном случае исчезает эффект от их применения.

37

1. Влияние основных легирующих элементов

Хром – широко применяется для легирования конструкционных сталей (до 3,0%), нержавеющих и жаропрочных (свыше 13%), быстрорежущейстали,шарикоподшипниковойстали(до1,5%).

Никель – применяют для легирования конструкционных сталей. Это единственный легирующий элемент, который одновременно повышает прочность и вязкость. В количестве более 9% никель делает сталь нержавеющей и жаропрочной. Для легирования инструментальных сталей никель не применяется.

Вольфрам – повышает твердость и красностойкость стали. Поэтому широко применяется при производстве быстрорежущих и других инструментальных сталей. Карбид вольфрама (WC) является основным компонентом твердых порошковых сплавов.

Ванадий – повышает твердость и красностойкость стали (быстрорежущих, инструментальных), применяется для легирования конструкционной стали с целью увеличения упругости и сопротивления усталости.

Молибден – повышает твердость и прочность стали при повышенных температурах, предотвращает отпускную хрупкость. Входит в состав конструкционных, инструментальных и жаропрочных сталей.

Марганец – до 1,2% является постоянной примесью в стали. При содержании до 2,0 % повышает прочность, предел упругости и прокаливаемость рессорной стали. При содержании около 13% делает сталь аустенитного класса (немагнитной, способной наклепываться и быть износостойкой).

Кремний – как и марганец, неизбежная примесь стали. До 1,0% кремний увеличивает прочность, предел упругости рес- сорно-пружинной стали. В больших количествах кремний вводится в жаропрочные, электротехнические и кислотоупорные стали.

По степени легирования стали подразделяются на низколегированные (до 5% легирующих элементов), среднелегированные (от 5% до 10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов).

2. Маркировка легированных сталей

Обозначение состоит из цифр и букв, указывающих при-

38

мерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначается буквой.

По ГОСТ 4543 - 71 принято обозначать:

Н – никель, Х – хром, К – кобальт, М – молибден, Г – марганец, Д – медь, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, С – кремний, В – вольфрам, Т – титан, Ф – ванадий, Ю – алюминий, Ч – редкоземельные металлы.

Основной признак конструкционной легированной стали - двузначное число перед буквами. Это число показывает среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Цифры, следующие за буквой, показывают среднее содержание легирующего элемента (в целых числах). Если после буквы цифры отсутствуют, то содержание легирующего элемента около 1 %. Буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Особо высококачественные стали имеют в конце марки буквы: «Ш» – электрошлаковый переплав; «ВД» - вакуумно-дуговой переплав; «ВИ» – вакуумноиндукционная выплавка.

Например, сталь 20Х2Н4А является высококачественной конструкционной сталью, содержащей 0, 20 % углерода, 2% хрома, 4% никеля.

В марках легированных инструментальных сталей содержание углерода обозначается только однозначным числом перед буквами, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь 9ХГС – инструментальная легированная сталь, содержащая 0, 9 % углерода, хрома, кремния и марганца - по одному проценту. Если легированная сталь содержит примерно 1% углерода, то цифра в марке не ставится. Например, стали Х и ХВГ содержат по одному проценту углерода.

Некоторые стали содержат дополнительную букву после слова «сталь», обозначающую ее группу или тип. Например, сталь ШХ 9 – шарикоподшипниковая сталь, содержащая –

1%С; 0,9% Сr .

Нестандартные легированные стали маркируются сочетанием двух букв: первая – завод - изготовитель (Э – ОАО «Электросталь»; З – Златоустовский металлургический завод; Д – ОАО «Днепрсталь»), вторая буква – вид стали (И – исследова-

39

тельская; П – пробная). Например, сталь ЭИ 415 – Электросталь, исследовательская, № 415.

3. Классификация легированных сталей

Принята классификация легированных сталей по трем признакам: по назначению, по равновесной структуре, по составу.

По назначению:

– машиностроительные – для деталей машин и конструк-

ций;

–инструментальные – для режущего, мерительного и штамповочного инструмента;

–стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, жаропрочные, электротехнические, магнитные, с особым тепловым расширением.

По структуре:

По структуре классифицируют стали в отожженном и нормализованном состояниях:

- в отожженном состоянии – доэвтектоидные (перлит и избыточный феррит), эвтектоидные (перлит), заэвтектоидные (перлит и избыточные вторичные карбиды); ледебуритые (наличие первичных карбидов);

- по структуре после охлаждения на воздухе (нормализации): перлитный, мартенситный и аустенитный классы.

По химическому составу:

- хромистые, хромоникелевые и т.д. По способу выплавки:

- высококачественные (в конце маркировки ставится буква А, содержание серы и фосфора не более 0,03%; особовысококачественные (в конце маркировки ставится буква Ш, содержание серы 0,015%, фосфора 0,075%; получают электрошлаковым переплавом).

Конструкционные легированные стали по технологии термической обработки и назначению подразделяются на:

- цементуемые стали – с содержанием углерода до 0,3 – 0,35%. Детали из цементуемых сталей подвергают цементации, закалке и низкому отпуску (например, стали 12ХНЗА, 18ХГТ, 30ХГТ). Детали должны иметь высокую твердость поверхности

ивязкую сердцевину (зубчатые колеса, валы КПП, поршневые

40