Тема 6. Чугуны и углеродистые стали, их свойства, маркировка и область применения.

Вопросы:

1. Белые и серые чугуны, маркировка и область применения.

2. Высокопрочные и ковкие чугуны, их свойства, маркировка и область применения.

3. Классификация углеродистых сталей. Углеродистые стали обыкновенного качества.

4.Углеродистые качественные конструкционные стали. Углеродистые инструмен-тальные стали.

1. Белый чугун. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида же­леза. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и харак­терный металлический блеск. Структура состоит из пер­лита, ледебурита и избыточного цементита, поэтому чугун отличается высокой твердостью, хрупкостью, низ­кой прочностью и трудоемкостью механической обра­ботки. Из белого чугуна делают отливки деталей с по­следующим отжигом на ковкий чугун. Белые чугуны применяют для производства стали, поэтому их назы­вают передельными чугунами.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугу­ны – отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготов­ляют прокатные валки, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.

Серый чугун. В серых чугунах углерод в значитель­ной степени или полностью находится в свободном со­стоянии в форме пластинчатого графита. Из-за этого излом имеет серый цвет.

В зависимости от распада цементита различают ферритный, феррито-перлитный и перлитный серые чугуны. Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается, менее хрупок, чем белый чугун, ему присущи хорошие антифрикционные свойства, что объясняется пористым строением и наличием графита. Иногда в структуре чугуна наряду с графитом содер­жится ледебурит. Такой серо-белый чугун называют половинчатым. Основные его свойства: высокая твер­дость, хрупкость и низкая прочность.

Серый чугун широко применяют в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении для производства отливок, поэтому его называют литейным. Из него изготавливают станины металлорежущих станков, бло­ки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и др. Маркируется серый чугун по ГОСТ 1412-79 буквами СЧ и цифрами, кото­рые обозначают предел прочности при растяжении. Например, марка СЧ18 (всего по ГОСТу 11 марок) по­казывает, что чугун этой марки имеет σ_в = 176 МПа.

Выбор марки чугунов для конкретных условий ра­боты обусловливается совокупностью технологических и механических свойств. Ферритные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, диски сцепления и др. Феррито - перлитные СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоков цилин­дров, картеров двигателя, поршней цилиндров, бараба­нов сцепления и др. Перлитные серые модифицирован­ные чугуны СЧЗ0, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают наи­более высокими механическими свойствами и их исполь­зуют для изготовления гильз цилиндров, распредели­тельных валов и др.

2. Высокопрочный чугун. В высокопрочном чугуне гра­фитовые включения имеют шаровидную форму. Это до­стигается модифицированием чугуна магнием до 0,5 % от массы чугуна. Шаровидная форма графита опреде­ляет наибольшую сложность металлической основы и не создает резкой концентрации напряжений, поэтому чугун имеет высокую прочность при растяжении и изгибе. Из высокопрочного чугуна изготавливают ответственные детали машин (коленчатые валы, зубчатые колеса, поршни и др.).

Высокопрочный чугун, так же как и серый, подраз­деляют на ряд марок в зависимости от механических свойств, причем основными показателями служат пре­дел прочности при растяжении и относительное удлине­ние. Механические свойства зависят от структуры ме­таллической основы, которая может быть перлитная, феррито-перлитная и ферритная. Лучшей структурой яв­ляется структура, состоящая из перлита и шаровидного графита, окруженного небольшими островками феррита.

Маркируется высокопрочный чугун по ГОСТ 7293-79 (всего по ГОСТу 10 марок) буквами ВЧ и цифрами, из которых первые две обозначают предел прочности при растяжении, а последние – относительное удлинение в процентах. Например, марка ВЧ 42-12 показывает, что чу­гун данной марки имеет σ_в = 412МПа и δ = 12 %.

Ковкий чугун. Ковким называют чугун с хлопье­видным графитом, кото­рый получают из белого чугуна в результате спе­циального графитизирующего отжига (томления). Для получения ковкого чугуна необходимо белый чугун нагреть до 950...1000°С и затем после дли­тельной выдержки охладить с малой скоростью до нор­мальной температуры. Изолированная хлопье­видная форма графита придает чугуну большую проч­ность и повышенную пластичность (хотя он и не поддается ковке).

В зависимости от степени графитизации ковкий чу­гун может быть ферритным, перлитным, феррито-перлитным. Разная степень графитизации достигается из­менением условий отжига. Различие структур чугунов обусловливает и различие их свойств. Так, ферритный ковкий чугун по сравнению с перлитным чугуном обла­дает меньшей твердостью, но большей пластичностью. Ковкий чугун широко используют в сельскохозяйствен­ном машиностроении для изготовления деталей, которые в процессе работы испытывают ударные нагрузки (зуб­чатые колеса, звенья цепей и др.).

Маркируется ковкий чугун по ГОСТ 1215-79 (всего по ГОСТу 11 марок) буквами КЧ и цифрами, из кото­рых первые две обозначают предел прочности при рас­тяжении, а последние – относительное удлинение в про­центах. Например, марка КЧ 35-10 (ферритный) озна­чает, что чугун имеет σ_в = 333 МПа и δ = 10 %; а марка КЧ 60-3 (феррито-перлитный) – σ_в = 588 МПа и δ = 3%.

3. По химическому составу стали подразделяют на малоуглеродистые (до 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3...0,65 % С) и высокоуглеродистые (свыше 0,65% С). По качеству различают стали обыкновенного каче­ства (S < 0,06% и Р < 0,04%), качественные (S < 0,04% и Р < 0,04%) и высококачественные (S < 0,03% и Р < 0,03%). При этом учитывается способ производства стали (мартеновская, кислородно-конвертерная и др.).

По назначению стали делят на конструкционные и инструментальные. В конструкционных сталях разли­чают строительные (преимущественно малоуглероди­стые) и машиностроительные (малоуглеродистые и среднеуглеродистые). Инструментальные стали пред­назначены для изготовления режущего, измерительного и штампового инструмента.

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71). Они подразделяются на три группы в зависимости от назначения и гарантированных характеристик:

А – с гарантированными механическими свойствами;

Б – с гарантированным химическим составом;

В – с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

В зависимости от нормируемых показателей (меха­нических свойств, химического состава) сталь вышеука­занных групп делится на категории: группа А – 1, 2, 3; группа Б – 1, 2; группа В – 1,2, 3, 4, 5, 6.

Сталь изготовляют следующих марок:

группа А – Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;

группа Б – БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5; БСт6;

группа В – ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3 и 4 по степени раскисления изготовляют кипящей, полуспокой­ной и спокойной; с номерами 5 и 6 – полуспокойной и спокойной.

Для обозначения категорий стали к обозначению марки добавляют номер соответствующей категории, например: Ст3пс2, БСт3кп2, ВСт4пс2.

Для обозначения полуспокойной стали с повышен­ным содержанием марганца к обозначению марки стали после номера марки ставят букву Г, например: Ст3Гпс, ВСт3Гпс, ВСт3Гпс3.

Стали группы А предназначены для из­готовления неответственных деталей, требующих повы­шенной пластичности или глубокой вытяжки (Ст2кп), а также деталей, которые не подвергаются горячей об­работке (сварке, ковке); стали группы Б – для изготов­ления изделий с применением горячей обработки; стали группы В – для изготовления сварных конструкций.

4. Углеродистые качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050–74).

Углеродистые качественные конструкционные стали выплавляют в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах и применяют для изготовления ответственных деталей. Они делятся на две группы: I – стали с нормальным содержанием марганца; II – стали с повышенным содержанием марганца.

Стали группы I (0,25...0,8 % Мn) имеют следующие марки: 05, 08, 10, 15, 20, 25...85. Малоуглеродистые ста­ли (08, 10, 15, 20, 25), имеющие сравнительно невысо­кие показатели прочности и высокую пластичность, при­меняют для деталей, изготовляемых штамповкой и свар­кой. По ГОСТу стали маркируют так: Сталь 10, Сталь 20, Сталь 45 и т. д. Цифры в марке указывают на среднее содержание углерода в стали, выраженное в сотых долях процента. Например, Сталь 45 содержит в среднем 0,45 % С. Стали 10, 15, 20 и 25 широко используют для цементуемых деталей (цемен­туемые стали), а 35, 40, 45 и 50 – для всевозможных деталей, подвергающихся закалке и высокотемператур­ному отпуску (улучшаемые стали).

Стали группы II с повышенным содержанием мар­ганца (0,7...1,2 % Мn) имеют следующие марки: 15Г, 20Г, З0Г, 40Г, 45Г, 50Г, 60Г, 65Г, 70Г. Марганец при­дает стали большую прокаливаемость. Из стали марок 60Г и 65Г изготовляют пружины и рессоры.

В отдельную группу выделены (ГОСТ 1414–75) ста­ли повышенной и высокой обрабатываемости резанием. Наибольшее приме­нение получили стали углеродистые сернистые (S = 0,15...0,3 %, Р = 0,05...0,15 %), которые называют авто­матными сталями и предназначены для обработки на станках-автоматах. Стали маркируются: А11, А12, А20, АЗ0, А35, А40Г (С = 0,4%, Мn = 1,2%) и служат для изготовления болтов, гаек и других мелких деталей счетных, пишущих машин и приборов.

Инструментальные углеродистые стали, выпускаемые по ГОСТ 1435–74, имеют следующие марки: У7, У7А, У8, У8А, У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А. Буква «У» обозначает углеродистая, а циф­ра после буквы – десятые доли процента углерода (на­пример, сталь марки У10 содержит в среднем 1,0% С). Буква А обозначает высокое качество стали (S и Р < 0,03%). Инструменты (зубила, штампы, слесарные молотки и т. п.), подвергаемые ударам, должны обла­дать некоторой вязкостью; их изготовляют из стали ма­рок У7А и У8А. Высокоуглеродистую (заэвтектоидную) сталь марок У9А, У10А и другие применяют для инст­рументов (напильники, шаберы, калибры и т. п.), кото­рые должны иметь высокую твердость и износостой­кость.