ЛЕКЦІЇ Матеріалознавство / Матеріалознавство лекції 11-14 / ЛЕКЦІЯ Тема 11 і 12

3

Тема 11. (0,5 год)

Чавуни

План

1. Загальні поняття.

2. Білі чавуни

3. Сірі, ковкі і високоміцні чавуни.

4. Чавуни зі спеціальними властивостями.

– 1–

Чавуни – залізовуглецеві сплави з масовою часткою С 2,14 … 6,67 % з добрими ливарними властивості.

За хімічним складом та умовами кристалізації С буває у: хімічно зв'язаному стані –цементит Fе_зС, вільному стані – графіт. Відповідно: білі (С цементиту) і складову перліт; сірі (С графіт пелюсткової форми), високоміцні (графіт кулястої форми) і ковкі (графіт пластинчастої форми).

• 2–

За структурою: доевтектичні (2,14...4,3 % С), евтектичні (4,3 % С), заевтектичні (4,3...6,7 % С).

Структура доевтектичних: перліт, ледебурит і вторинний цементит. Перліт – темні зерна, цементит – світлі смуги, ледебурит – темні вкраплення (суміш дрібних темних зерен перліту у білій основі цементиту).

Структура евтектичних– ледебурит – механічна суміш перліту і цементиту.

Структура заевтектичних– первинний цементит і ледебурит.

Переробляють на сталь та за допомогою графітизуючого відпалювання на ковкий чавун.

• 3–

Структура сірих, ковких і високоміцних однакова –металева основа (перлітна, феритна, ферито-перлітна), пронизана графітовими вкрапленнями.

Форми графітових фаз: пластинчаста, пелюсткова, куляста.

Сірі чавуни –пластинчаста форма графіту – поширений конструкційний матеріал.

Одержують при введенні до розплаву чавуну кремнію, що розклалдає цементит з виділенням С у вигляді графіту. 5 % кремнію цементит розпадається, утворюючи структуру з феритної основи і вкраплень пластинчастого графіту. При зменшенні кремнію цементит перліту розпадається частково, утворюючи ферито-перлітну основу. Подальше зменшення кремнію формує структуру на перлітній основі. Найміцнішими на перлітній основі, найпластичніший – на феритній.

Марки: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45. СЧ – чавун сірий, цифри –мінімальне значення границі міцності при розтягуванні (σ_в, МПа*10).

Ділять на: 1) малої і підвищеної міцності; 2) зі спеціальними властивостями.

Малої – феритна або ферито-перлітна основа з пластинчастим графітом: СЧ10 …СЧЗ0. (СЧ25 σ_в= 250 МПа).

Підвищеної – перлітна металева основа і пелюсткова форма графіту: СЧ35…СЧ45.

Міцність 1 групи створюють легуванням і модифікуванням. Легування присадкою нікелю і хрому, молібдену з титаном чи міддю дає дрібнозернисту структуру. Модифікування добавками (0,1...0,3 % від маси чавуну) феросиліцію, силікоалюмінію, силікокальцію. Структура не містить ледебуритного цементиту, твердне з відбілюванням (білий або половинчастий), хімічний склад незмінний. Модифікований рідкий чавун одразу розливають, бо ефект модифікування зникає через 10... 15 хв.

СЧ10, СЧ15 станини верстатів, кришки люків; СЧ20, СЧ25 – для підвищених динамічних навантажень ( блоки циліндрів); СЧ30, СЧ35, СЧ40 – для зубчастих коліс.

Ковкі чавуни – це умовна назва більш пластичного, порівняно з сірим чавуну (не кують). Одержують тривалим високотемпературним відпалюванням білого чавуну з перлітно-цементитною структурою, цементит розпадається, утворюючи графіт пелюсткової форми (рис.3, а, б). За структурою основи: феритний і перлітний.

Феритні ковкі одержують з білих, які мають 2,4...2,8 % С.

Перлітні ковкі з білих з 2,8... 3,4 % С.

Від σ_в і відносного видовження δ марки: КЧ30-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12 - феритні; КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2 - перлітні. шестерні, шатуни, картер заднього мосту, гальмівні колодки.

Високоміцні чавуни – різновид сірого чавуну з феритною або перлітною основою, модифікованою магнієм або комплексними модифікаторами (магній з силіцієм) з графітом круглої форми.

ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4, ВЧ120-4.

Діапазони: σ_в = 380... 1200 МПа, δ = 2...7 %.

Виготовляють деталі ковальсько-пресового обладнання, турбін, колінчасті вали.

4

Додаткові властивості: хімічна чи корозійна стійкість, зносостійкість, жаростійкість. Аустенітний чавун має хімічну стійкість у кислотах і лугах, жароміцний – нірезит (14 % Ni, 2 % Сr, 7 % Сu), нікросилал (5 % Si, 18 % Ni, 2 % Сr ). Жаростійкий 20...25 % алюмінію.

Магнітний чавун (феритний з кулястим графітом) для корпусів електричних машин.

Немагнітні чавуни – нікель-марганцевий (7... 10 % Мn, 7...9 % Ni) або марганцево-мідний (9,8 % Мn і 1,2...2,0 % Сu) –для кожухів електричних машин.

Сюди відносять феросплави: феромарганець, феросиліцій, ферохром (для розкислення і легування сталі).

Тема 12. Інструментальні матеріали (0,5-1 год.).

1. Класифікація інструментальних сталей. Вуглецеві сталі.

2. Леговані сталі: низьколеговані і швидкорізальні сталі.

3. Тверді сплави. Мінералокераміка. Інструментальна кераміка. Алмаз. Ельбор.

–1–

Інструментальні сталі за хімічним складом і властивостями бувають: вуглецеві якісні; вуглецеві високоякісні; низьколеговані; швидкорізальні.

Вуглецеві інструментальні сталі відрізняються вмістом шкідливих домішок, зокрема, я якісних фосфору не більше 0,030 %, сірки не більше 0,028 %, а у високоякісних відповідно 0,025 % і 0,018 %.

Важливим показником інструментальних матеріалів є теплостійкість. Теплостійкість – це властивість матеріалу зберігати задану структуру і твердість до деякої температури нагріву. Теплостійкість вуглецевих сталей 200 ⁰С.

Інструменти для ручної обробки деревини (сокири, стамески, долота) виготовляють з У7, У7А (вмістом вуглецю 0,7%), інструменти для механічної обробки деревини (пили, фрези, свердла) – У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А. Інструменти для ручної обробки металу (напилки, плашки, мітчики) –У10, У10А, У12, У12А.

–2–

Низьколегованими називають сталі, в яких сумарний вміст легуючих елементів не перевищує 5%. Легування подрібнює зерно сталі та збільшує глибину гартування, теплостійкість 260°С.

Літери в маркуванні означають легуючі елементи, а цифри спереду середній вміст вуглецю в десятих долях відсотка, якщо його менше 1% (7X3, 7ХФ), а якщо 1%, то спереду цифр нема, цифри після літер вказують вміст у цілих відсотках легувальних елементів

Застосовують для інструментів, які працюють при малих швидкостях різання (ножівкові полотна ).

Швидкорізальні сталі теплостійкість 550...650°С, тому працюють на швидкостях у 3 рази більших ніж інструменти з вуглецевих і низьколегованих.

Маркують літерою Р (від німецького "рапід" - швидкий), цифри концентрація вольфраму (в цілих відсотках). Середній вміст вуглецю і хрому 1 і 4%, не маркуються. Вміст інших легувальних елементів у цілих відсотках вказується цифрами після літер.

Вольфрам у кількості 5,5... 19,5%, взаємодіючи з вуглецем, утворює карбіди вольфраму. До недоліків легування вольфрамом зменшення теплопровідності. Крім вольфраму легують Мо, V і Со.

Дія молібдену на властивості сталі аналогічна дії вольфраму. Введення молібдену зменшує в сталі вміст вольфраму, але молібден робить границі зерен крихкими, тому його не більше 5%. Ванадій збільшує контактну твердості, але знижує теплопровідність та в процесі термообробки сприяє утворенню дрібнозернистої мартенситної структури і знижує крихкість. ванадієві швидкорізальні сталі для обробки матеріалів підвищеної твердості і міцності.

Кобальт підвищує теплопровідність, тому дозволяє проводити обробку різанням з високими швидкостями різання.

Види швидкорізальної сталі: одно-,і багатокомпонентними.

Склад швидкорізальних сталей: вуглець (0,7... 1,55%), хром (3,0...4,6%). Хром при термообробці сприяє отриманню наскрізної прогартовуваності і однорідної мартенситної структури з однаковою твердістю по перерізу інструмента.

Виготовляють усі види інструментів для машинобудівельних заводів.

Гартування 760.. .820°С, відпускання 460...480°С.

–3–

Твердими сплавами називаються інструментальні матеріали на карбідній основі зв’язані кобальтом. Їх виготовляють пресуванням і спіканням при 1400 –1550 °С порошків карбідів вольфраму, титану, танталу, ніобію і ванадію з кобальтом Теплостійкість 800 – 1000 °С.

За складом карбідної основи є три гупи твердих сплавів: вольфрамові, титан-вольфрамові і титан-тантал-вольфрамові.

Вольфрамові на основі WC і Co – однокарбідні позначають «ВК» і цифрою вміст Со у відсотках. ВК2 2 % Co і 98 % WC. Вольфрамова група має найбільшу міцність, але найнижчу твердість. Для обробки чавуну, сплавів кольорових металів і неметалічних матеріалів.

Двокарбідні –WC і ТіС і кобальтової зв'язки. Цифри після «Т» вміст карбідів титану у відсотках, а після «К» – вміст Co. Т15К6 15 % ТіС, 6% Co, 79 % WC. WC розчиняється в ТіС при температурі спікання, утворюючи твердий розчин (Ті, W)C. Теплостійкість 900–1000 °С, зростає зі збільшенням ТіС. Для обробки сталей.

Трикарбідні: карбіди вольфраму, титану, танталу і кобальт. Цифра після «ТТ», сумарний вміст карбідів титану ТіС і танталу ТаС, цифра після «К» – вміст кобальту. ТТ7К12 4 % ТіС, 3 % ТаС, 12 % Co і 81 % WC. У структурі карбіди –тверді розчини (Ті, Та, W)C і надлишкові карбіди WC. Для важких умов різання (чорнове точіння сталевих зливків, поковок, виливків).

Недоліки сплавів: висока крихкість; дефіцитність вихідної вольфрамової сировини. перспективним напрямком є безвольфрамові твердих сплавів– основа карбід титану, зв'язка – Ni і Мо. маркують КТС і ТН. КТС-1 і КТС-2 15–17% Ni і 7–9% Мо решта – ТіС. ТН-20, ТН-25 і ТН-30 зв'язка нікель 16–30 %, молібден 5–9 %, решта – карбід титану.

Обробляють: загартовані сталі, тверді сплави, склопластики, кольорові метали. Теплостійкість 1000 °С.

Інструментальні керамічні матеріали в основі А1₂0₃ і домішки MgO, Zr0₂, наповнювач (ТіС). Виготовляють спіканням або гарячим пресуванням при 1650...1750 °С. Теплостійкість 1100... 1200 °С. міцність серед інструментальних матеріалів найнижча.

Види:

— оксидні (білі), на основі А1₂0₃ (ЦМ-332, ВО-13);

— змішані (чорні), на основі А1₂0₃ і ТіС, підвищену твердість (В-3, ВОК-60).

Для чистової обробки чавунів і загартованих сталей.

Мінералокерамічні тверді сплави Не містять дорогих елементів (вольфраму, ванадію, кобальту). Матеріали порошки: оксиди, карбіди, нітриди, зв’язка склоподібні склади, за об’ємом до 1%. Теплостійкість 1200 ⁰С. При чистовій обробці і безударних навантаженнях.

При різанні з ударами застосовують кермети – кераміка з карбідами (ТіС, SiC) , зв’язка:залізо, нікель чи алюміній. Температуростійкість 950 ⁰С.

Алмаз твердіший твердих сплавів, а зносостійкість – в десятки разів більша. Для тонкого алмазного точіння кольорових металів і неметалічних матеріалів. Теплостійкість 600 ⁰С. Для різців алмази масою більше 0,3 карати (карат 0,2 г).

Ельбор (кристалічний нітрид бору) за твердістю наближається до алмазу, теплостійкість 1200 ⁰С. Чистове точіння загартованих сталей, чавунів та інших важкооброблюваних матеріалів.