3. Области применения цементуемых сталей. Приведите примеры марок сталей. Как влияют легирующие элементы на их свойства?

4. Области применения улучшаемых сталей. Какие стали отно­сятся к этому классу? Приведите примеры.

5. В чем особенности состава и свойств автоматных сталей? Обозначение и области применения.

6. Какие требования предъявляются к рессорно-пружинным сталям? Какая термообработка рекомендуется для них? Какие стали относятся к этой категории?

7. Какие требования предъявляются к шарико-подшипниковым сталям? Как они обозначаются? Приведите примеры.

8. Нержавеющие стали, классификация их по составу и свойствам.

9. Как классифицируются инструментальные стали по тепло-стойкости? Привести примеры.

3. Как классифицируются стали по назначению и как они обо­значаются?

4. Каким требованиям должны удовлетворять стали для режу­щего инструмента? Примеры сталей, режимы термообработки.

5. Какие требования предъявляются к сталям для штампов хо­лодной штамповки? Примеры сталей и режимы термообработки.

6. Какие стали применяются для измерительного инструмента? Примеры сталей и режимы ТО и ХТО.

7. Какие стали применяются для штампов горячей штамповки? Примеры и режимы их ТО.

Глава 8. Чугуны

8.1. Виды чугунов

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,67 % углерода. Углерод в чугунах может находиться в виде цементита, графита или одновременно цементита и графита. В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

• белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии, в виде цементита, придающего ему специфический белый цвет и блеск в изломе;

• серый, ковкий и высокопрочный чугуны, у которых весь угле­род или его часть находится в свободном состоянии в виде графита.

В качестве конструкционных материалов широкое применение получили серые, ковкие и высокопрочные чугуны. Графит, содержа­

щийся в чугунах, обеспечивает им хорошую обрабатываемость реза­нием и хорошие антифрикционные свойства. Вместе с тем включения графита нарушают сплошность металлической основы чугунов и снижают пластичность и прочность. Между собой чугуны отлича­ются условиями образования графитных включений и их формой.

У серого чугуна форма графита пластинчатая, у ковкого хлопье­видная, у высокопрочного шаровидная (рис. 8.1).

в)

Рис. 8.1. Различные формы графита в чугуне (шлифы не травлены):

а - пластинчатый (серый чугун); б - хлопьевидный (ковкий чугун); в - шаровидный (высокопрочный чугун)

Белые чугуны получаются при быстром охлаждении отливки и кристаллизация их происходит в соответствии с метастабильной диаграммой Fe-Fe₃C.

В зависимости от количества углерода в чугуне они делятся на доэвтектические, со структурой перлит, ледебурит и цементит вторич­ный, содержащие от 2,14 до 4,3 % углерода; эвтектические, со структу­рой ледебурита, содержащие 4,3 % углерода; заэвтектические, со струк­турой ледебурит и цементит, содержащие более 4,3 % углерода.

Белые чугуны имеют высокую твердость и хрупкость, практиче­ски не поддаются обработке резанием. Применение их весьма ограни­чено. Используются в основном они как передельные для получения стали и ковкого чугуна.

3

Образование графита происходит при кристаллизации сплавов железа с углеродом в соответствии с диаграммой Fe-C (стабильной диаграммой). Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации из жидкой фазы или при охлаждении сплавов железа с углеродом. Графитизация чугуна является диффузионным процессом и протекает весьма медленно. При графитизации цементи­та необходим предварительный распад цементита и растворение уг­лерода в аустените. В одной и той же отливке чугун может иметь раз­личную структуру при резкой разнотолщинности детали в отдельных участках.

На процесс графитизации большое влияние оказывает кремний, содержание которого в чугунах составляет от 0,5 до 5 %. Марганец препятствует графитизации и его содержание в чугунах обычно не более 1,0 %. Сера является вредной примесью в чугуне, т. к. снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увели­чивает усадку, препятствует графитизации. Содержание серы в чугу-нах допускается от 0,02 до 0,12 %. Фосфор не влияет на графитиза-цию, но увеличивает жидкотекучесть чугуна за счет образования легкоплавкой (950...980 °С) фосфидной эвтектики. Обычно фосфора вводится до 0,3 %.

Микроструктура серого, ковкого и высокопрочного чугунов ха­рактеризуется структурой металлической основы и формой графита.

В зависимости от содержания углерода, связанного в цемен­тит, различают:

• половинчатый чугун - большая часть углерода, более 0,8 %, находится в виде цементита (структура чугуна перлит + ледебурит + + графит);

• на перлитной основе - 0,7...0,8 % углерода находится в виде цементита в составе перлита (структура чугуна перлит + графит);

• на ферритно-перлитной основе - 0,1.. .0,7 % углерода находит­ся в виде цементита, входящего в перлит (структура чугуна перлит + + феррит + графит);

• на ферритной основе - практически весь углерод находится в свободном виде (структура чугуна феррит + графит).

По сравнению с металлической основой графит обладает мень­шей прочностью, т. к. включения графита нарушают сплошность ме­таллической основы, и они являются концентраторами напряжений в системе. Поэтому форма частиц графита оказывает большое влия­ние на прочностные свойства чугунов.

Серые чугуны содержат графит пластинчатой формы, вследст­вие чего они имеют невысокие механические свойства при растяже­нии. Относительное удлинение при разрыве составляет около 0,5 %, низка ударная вязкость. Однако они имеют высокую твердость и прочность на сжатие, обладают хорошей жидкотекучестью и малой усадкой, хорошо обрабатываются резанием, т. к. имеют ломкую стружку, имеют хорошие антифрикционные свойства. Маркируется серый чугун (ГОСТ 1412-85) буквами СЧ и цифрами, обозначающи­ми величину временного сопротивления при разрыве в МПа • 10^-1, на­пример СЧ10 (а_в = 100 МПа). Наиболее широко используются доэвтек-

тические чугуны с содержанием углерода 2,4.3,8 %. С увеличением содержания углерода ухудшаются механические свойства, ниже 2,4 % С - хуже литейные свойства.

На структуру и свойства чугуна оказывают влияние содержание кремния и толщина стенки детали (рис. 8.2). На диаграммах выделены 5 характерных областей, отличающихся по структуре металлической основы. Химический состав используемых серых чугунов соответст­вует областям III, IV, V приведенных диаграмм. Механические свой­ства чугунов зависят от свойств металлической основы, размеров и формы графитовых включений. С увеличением количества перлита в основе возрастает прочность, твердость и износостойкость чугунов. Чем крупнее и прямолинейнее форма графитовых включений, тем ниже сопротивление серого чугуна растягивающим напряжениям.

Ферритные серые чугуны СЧ10, СЧ15 применяют для изготов­ления малоответственных деталей, испытывающих небольшие на­грузки - строительных колонн, фундаментных плиток, фланцев, кры­шек, маховиков, корпусов редукторов и насосов, тормозных барабанов и др.

Ферритно-перлитные чугуны СЧ20, СЧ25 используют для изго­товления деталей сельхозмашин, станков, автомобилей (блоки цилин­дров, картеры двигателей, зубчатые колеса), суппортов и станин стан­ков и др., работающих при повышенных нагрузках.

Перлитные чугуны СЧ30. СЧ45 применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей анти­фрикционного назначения, работающих в условиях больших нагрузок (деталей компрессоров, гильз блоков цилиндров дизельных двигате­лей, корпусов насосов, арматуры тормозной пневматики и гидропри­водов).

Отливки из серого чугуна подвергают отжигу для снятия на­пряжений при температуре 500.570 °С в течение 3.10 ч при охлаж­дении вместе с печью. При этом внутренние напряжения снижаются на 80.90 %. Применяется также естественное старение на складах в течение 6.10 месяцев, благодаря чему на 40.50 % снижаются внут­ренние напряжения. Для повышения механических свойств и износо­стойкости применяется закалка с отпуском, а также азотирование.

Для изготовления антифрикционных деталей используют анти­фрикционные серые чугуны АЧС-1 и АЧС-2 на перлитной основе для работы с закаленными или нормализованными валами и АЧС-3 на перлитно-ферритной основе для работы с нетермообработанными ва­лами.

Отбеленный чугун, поверхностные слои которого имеют структу­ру белого (или половинчатого), а сердцевина - серого чугуна, применя­ют для изготовления валков прокатных листовых станов, шаров для мельниц и других деталей, не подвергающихся механической обработ­ке. Поверхности деталей имеют высокую твердость 4000...5000 НВ и износостойкость, в том числе и в абразивной среде.

Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы, обладающей минимальной поверхностью при данном объеме, кото­рый меньше ослабляет металлическую матрицу. Для сфероидизации графита в жидкий чугун перед разливкой в ковш вводят щелочные или щелочно-земельные модификаторы, например, магний в количе­стве 0,03.0,07 % (чаще всего в виде лигатуры). Высокопрочные чу-гуны по своим свойствам близки к литым углеродистым сталям, об­ладая хорошими литейными свойствами и обрабатываемостью резанием, способностью гасить вибрации и хорошей износостойко­стью, они имеют меньшую плотность и стоимость.

Маркируются высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85) буквами ВЧ и цифрами, обозначающими временное сопротивление при разры­ве МПа • 10^-1. ВЧ35, ВЧ40 - на ферритной основе, ВЧ45 - на феррито-перлитной и ВЧ50. ВЧ120 - на перлитной основе.

Применяются высокопрочные чугуны как заменители сталей в автомобилестроении для изготовления коленчатых валов, поршней, крышек цилиндров, деталей прокатных станов, корпусов насосов, вентилей и др., работающих при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

Для повышения прочностных свойств возможно применение за­калки с отпуском при температуре 500...600 °С. При необходимости увеличения пластичности применяют отжиг, способствующий сфе-роидизации перлита.

Детали антифрикционного назначения изготавливают из анти­фрикционных высокопрочных чугунов АЧВ-1 для работы в узлах трения при повышенных скоростях в паре с термообработанным ва­лом и АЧВ-2 для работы в паре с нетермообработанным валом.

Выпускаются также чугуны с вермикулярным графитом. Эти чу-гуны имеют промежуточную структуру между высокопрочными и се­рыми: до 40 % шаровидного графита и вермикулярного (в виде тонких прожилок). Вермикулярная форма графита формируется под действием комплексных модификаторов, содержащих магний и редкоземельные элементы. Чугуны с вермикулярным графитом обозначаются буквами ЧВГ и далее указывается временное сопротивление в кгс/мм .

Производятся четыре марки чугунов с вермикулярным графи­том: ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40 - на ферритной основе и ЧВГ45 - на фер-ритно-перлитной основе. Чугуны с вермикулярным графитом имеют большее относительное удлинение при разрыве, чем серые: чугун ЧВГ30 - 3 %, ЧВГ45 - 0,8 %.

У ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму и получа­ют его из белого доэвтектического чугуна путем длительного высоко­температурного отжига. Для получения ковкого чугуна используют белые чугуны, содержащие 2,5...3 % С, 0,7...1,5 % Si, 0,3...3 % Mn, < 0,12 % S и < 0,18 % Р. Из ковкого чугуна получают изделия толщи­ной не более 40.50 мм, при большей толщине в центре образуется пластинчатый графит.

При получении перлитного ковкого чугуна производится мед­ленный в течение 20.25 ч нагрев отливок из белого доэвтектическо-го чугуна до температуры 950.970 °С. Исходная структура белого чугуна перлит + ледебурит + цементит вторичный. При нагреве выше А_с1 после превращения перлита в аустенит фазовый состав чугуна становится аустенит + ледебурит + цементит вторичный. В результате длительной выдержки при температуре 950.970 °С происходит распад цементита, входящего в ледебурит, а также избыточного вторичного цементита, и выделение углерода в свободном состоянии в виде графи­та. К концу первой стадии графитизирующего отжига структура чугуна состоит из аустенита и графита. При непрерывном охлаждении отливок до комнатной температуры при переходе через температуру эвтектоид-ных превращений А_г1 из аустенита образуется перлит и чугун приобре­тает структуру, состоящую из графита и перлита (рис. 8.3).

Для получения ковкого чугуна на ферритной основе отливки за­гружают в специальные ящики и засыпают песком или стальными стружками с целью защиты от окисления и как в предыдущем случае нагревают до температуры 950.970 °С, выдерживают 10.15 ч и медленно охлаждают до температуры 740 °С. Затем проводится вто­рая стадия графитизации путем длительной выдержки (25.30 ч) при температуре несколько ниже температуры эвтектоидных превраще­ний (740.720 °С), обеспечивая распад цементита, входящего в пер­лит. Таким образом весь углерод выделяется в свободном состоянии и чугун имеет структуру, состоящую из феррита и графита.

Ферритные чугуны в изломе имеют черный бархатистый цвет вследствие большого количества графита. Перлитные чугуны, имею­щие в своем составе цементит, в изломе имеют серый сталистый цвет. Для ускорения отжига применяют легирование чугунов алюминием, бором, висмутом или отжиг проводят в защитной атмосфере. Время отжига сокращается до 24.60 ч, вместо 80.100 ч. Ковкие чугуны на ферритной основе более пластичны (5 до 16...18 %), а на перлитной основе имеют более высокую прочность и твердость.

Маркировка ковких чугунов (ГОСТ 1215-79) производится бук­вами КЧ и указанием временного сопротивления разрыву и относитель­ного удлинения, например, КЧ 37-12, где а _в = 370 МПа и 5 = 12 %.

Ковкие чугуны применяют для изготовления деталей, испыты­вающих ударные и вибрационные знакопеременные нагрузки, рабо­тающие в условиях трения и износа. Широкое применение получили они в сельскохозяйственном, автомобильном, транспортном и тек­стильном машиностроении.

Ферритные чугуны КЧ 37-12, КЧ 35-10, КЧ 30-6 (черносердечные) применяют для изготовления деталей, испытывающих высокие статиче­ские и динамические нагрузки (картеры редукторов, ступицы и др.).

Перлитные чугуны КЧ 50-4, КЧ 60-3 (белосердечные), имеющие высокую прочность, хорошие антифрикционные свойства, твердость до 2700 НВ, используют для производства вилок карданных валов, тормозных колодок, муфт (в основном тонкостенных деталей).