18. Углеродистая сталь для отливок. Классификация по химическому составу, структуре, назначению, способу выплавки.

Применение. В современной технике наряду с широким применением отливок из чугуна и других сплавов, а также изделий, полученных из поковок, проката и пластмасс, большое значение имеет применение стального литья. Это обусловлено тем, что отливки из стали обладают высокими показателями механических, а также комплексом соответствующих физических и химических свойств.

Наряду с общими для всех отливок преимуществами для стального литья дополнительно характерно следующее:

По химическому составу сталь для литья делят на следующие четыре класса:

I класс – углеродистая сталь (низкоуглеродистая – 0,08 – 0,2%С; среднеуглеродистая – 0,2 – 0,45%С; высокоуглеродистая – более 0,45%С);

II класс — низколегированная сталь (до 2,5% легирующих элементов);

III класс — среднелегированная сталь (2,5 – 10% легирующих элементов);

IV класс — высоколегированная сталь (более 10% легирующих элементов).

Классификация стали по структуре иллюстрируется следующей схемой:

Кроме того, сталь в отливках может характеризоваться переходными или смешанными структурносоставляющими (феррито-перлитная, мартенситная и т. п.).

По назначению стальные отливки делят на следующие группы: конструкционные стали общего назначения, нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные, жаростойкие, износостойкие и др.

По способу выплавки в зависимости от физико-химических условий плавки различают сталь кислую и основную. В зависимости от использованного плавильного агрегата различают сталь конвертерную, мартеновскую и электросталь.

Литейные свойства. Жидкотекучесть углеродистой стали, как и других литейных сплавов, зависит от многих факторов. На величину истинной и практической жидкотекучести стали оказывает существенное влияние содержание углерода. Практическая жидкотекучесть стали с повышением содержания углерода до 0,2% ухудшается. Минимальное ее значение отмечается при перитектическом составе. Улучшение практической жидкотекучести с увеличением содержания углерода выше 0,2% обусловлено большей величиной перегрева выше температуры ликвидуса.

Усадка стали в жидком состоянии при понижении температуры складывается из термического сжатия и возможного расширения, если из нее выделяются газы в виде пузырьков. В условиях нормального раскисления и дегазации вследствие выделения из раствора газов расширения не наблюдается.

Усадку стали в жидком состоянии заметно повышает углерод и незначительно кремний, марганец и фосфор. Углерод, в частности, увеличивает объемную усадку стали в жидком состоянии примерно на 2% на каждые 0,1%С. Объемная усадка жидкой стали зависит также и от величины перегрева. Объем стали, залитой в форму, сокращается на 1,5% на каждые 100°С перегрева над температурой ликвидуса.

Общая усадка стали в период затвердевания складывается из усадки при образовании твердой фазы, т. е. в результате изменения агрегатного состояния, усадки еще оставшейся жидкой стали и усадки образовавшейся твердой фазы. Усадка в интервале затвердевания, реализуемая в виде линейной, начинается при наличии 75 – 95% твердой фазы. Считается, что объем стали при затвердевании сокращается примерно на 3,5%.

Усадку стали в твердом состоянии оценивают по изменению линейных размеров. На величину линейной усадки большое влияние оказывает содержание углерода. Величина линейной усадки заметно уменьшается при повышении содержания углерода до 0,25%. В интервале содержания углерода 0,25 – 0,40% линейная усадка практически остается постоянной. Затем, начиная с 0,4 – 0,5%, усадка увеличивается. Наиболее распространенная углеродистая сталь с 0,25 – 0,35% углерода имеет наименьшую среди конструкционных углеродистых сталей величину линейной усадки.

Принято различать три этапа линейной усадки в твердом состоянии:

1) доперлитную, протекающую в температурном интервале от конца затвердевания до превращения γ → α;

2) расширение, протекающее в температурном интервале γ → α, зависящем от состава стали и скорости охлаждения отливки;

3) послеперлитную, протекающую в интервале температур от конца распада аустенита до полного охлаждения отливки.

Доперлитная усадка стали, а вместе с ней и полная усадка в твердом состоянии уменьшается по мере повышения содержания углерода. Послеперлитная усадка составляет обычно около 1% и мало зависит от содержания углерода. Для мягкой углеродистой стали полная линейная усадка составляет 2,4 – 2,5%, а полная объёмная – 7,2 – 7,6%.

Влияние состава на механические свойства. Основным элементом, определяющим механические свойства углеродистых сталей, является углерод. Повышение содержания его в стали приводит к увеличению прочности и снижению пластичности (рис. 138).

Рис.138

Подобное изменение механических свойств объясняется тем, что с увеличением содержания углерода в структуре стали (см. диаграмму состояния железо–углерод) увеличивается количество перлита и уменьшается количество феррита. Перлит, являющийся механической смесью феррита с цементитом, имеет прочность и твердость выше, чем у феррита. Прочность перлита изменяется в зависимости от степени дисперсности цементита, входящего в перлит. Степень дисперсности цементита изменяется при термической обработке.

Влияние углерода на механические свойства проявляется различным образом в низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях. Наиболее интенсивным оно является в двух первых группах. Значительно слабее углерод влияет на изменение свойств высокоуглеродистых сталей.

В углеродистых сталях содержание марганца и кремния не превышает соответственно 0,8 и 0,37%. Такие содержания не оказывают заметного влияния на свойства стали.