Файл: теория к мат_лаб2.doc

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% С. На практике содержание углерода в чугунах изменяется в пределах 2,4 - 4,0%. Чугуны широко используются в машиностроении как сплавы для литья, т.к. имеют высокие литейные свойства, которые оцениваются жидкотекучестью, усадкой, а также склонностью к образованию пористости, ликвации, горячих и холодных трещин. Так же, как и в сталях, в чугунах присутствуют Mn, Si , S и Р, однако их влияние на свойства чугунов отличается от их влияния на свойства сталей: Mn препятствует процессу графитизации и повышает способность чугуна к отбелу; Si способствует процессу графитизации, имеет такое же значение, как замедление скорости охлаждения; S – нежелательная примесь, т.к. снижает жидкотекучесть сплава, сильно тормозит процесс графитизации, ухудшает механические свойства чугуна и способствует его отбеливанию; Р повышает жидкотекучесть сплава, не оказывает влияния на процесс графитизации.

Классификация чугунов по состоянию углерода

Углерод в чугунах может находиться либо в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C, либо в свободном состоянии в виде графита.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C и других карбидов, степень графитизации равна нулю. Такой чугун в изломе имеет матово-белый цвет. Белый чугун получают в результате быстрого охлаждения жидкого расплава, вследствие низких механических свойств и хрупкости он имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. В результате отжига из белого чугуна можно получить ковкий чугун.

К чугунам, в которых практически весь углерод находится в свободном состоянии, относятся серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Эти сплавы различаются между собой условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

Классификация чугунов по форме графитных включений

Серые чугуны получают при медленном охлаждении жидкого расплава. В серых чугунах большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита. Пластинки графита разрезают металлическую основу чугуна. Поэтому серый чугун хрупок и не может подвергаться пластической деформации. Как и все чугуны, этот чугун предназначается для фасонных отливок. Чем больше свободного графита и чем крупнее эти пластинки, тем ниже механические свойства чугуна. В серых чугунах обычно содержится 2,6‑3,8% С; 1,2‑3,5% Si; 0,3‑1,0% Мn, а также до 0,12% S и до 0,2% Р. Механические свойства серого чугуна можно улучшить, если перед заливкой в форму ввести в него небольшое количество (до 0,2%) силикокальция или ферросилиция (модификаторов), которые оказывают влияние на величину, форму, характер распределения и количество графита.

В зависимости от механических свойств ГОСТ 1412-85 предусматривает следующие марки серого чугуна: СЧ00, СЧ10, СЧ15 ... СЧ35. СЧ означает серый чугун, число показывает предел прочности на растяжение σ_в, МПа. Так, для СЧ20 предел прочности на растяжение составляет от 200 до 250 МПа. Серые чугуны в зависимости от механических характеристик применяются для изготовления строительных колонн, фундаментных плит, станин мощных станков и механизмов, литых деталей сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей, тракторов, т.е. крупных отливок, не испытывающих ударных нагрузок.

В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. Благодаря такой форме графита эти чугуны имеют более высокую прочность и пластичность. Шаровидная форма графита достигается присадкой в жидкий чугун небольших количеств магния (0,03‑0,07%) с последующим медленным охлаждением. Обычный состав чугуна: < 3,3% С; 2,2‑2,5% Si; 0,5‑0,8% Мn; < 0,14% S и 0,2% Р. ГОСТ 7293-85 устанавливает следующие марки чугуна: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50 ... ВЧ100. ВЧ означает высокопрочный чугун, число - предел прочности при растяжении σ_в, МПа. Так, для чугуна марки ВЧ35 предел прочности при растяжении равен σ_в = 350 МПа. Этот чугун обладает пластичностью, где относительное удлинение равно δ = 22% при твердости НВ 140...170. Оливки из высокопрочных чугунов широко используются в промышленности: в автостроении и дизелестроении – изготовление коленчатых валов, крышек цилиндров и др. деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станов в кузнечно-прессовом оборудовании; в химической и нефтяной промышленности – для насосов и вентилей, работающих в коррозионных средах и др.

В ковких чугунах весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита. Такая форма графита получается в результате длительного отжига отливок из белого чугуна.

Обычный химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий, выбирают в пределах: 2,5‑3,0% С; 0,7‑1,5% Si; 3,3‑1,0% Мn; < 0,12% S и < 0,18% Р.

ГОСТ 1215-79 устанавливает следующие марки ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 ... КЧ80-15. КЧ означает ковкий чугун, первое число - предел прочности на растяжение, второе - относительное удлинение δ, %. Так, для чугуна марки КЧ30-6 предел прочности на растяжение σ_в = 300 МПа, относительное удлинение δ = 6%.

По сравнению с серым, ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью. Однако название этого чугуна является условным, ковке, т.е. пластической деформации, он не подвергается. Отливки из ковкого чугуна применяют для изготовления деталей, работающих при ударных, статических и вибрационных нагрузках – картеров редукторов, задних мостов, ступиц, скоб, крюков, гаек, хомутиков, вилок карданных валов, звеньев и роликов цепных конвейеров, втулок, тормозных колодок и т.д.

Сплавы на основе цветных металлов

Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.

Из цветных металлов в автомобилестроении в чистом виде и в виде сплавов широко используются медь, алюминий, свинец, олово, магний, цинк, титан.

Сплавы на основе меди

Медь – металл красного, в изломе розоватого цвета, характеризуется высокой плотностью 8,94 г/см³, высокой тепло- и электропроводностью, температура плавления 1083°С. Медь имеет высокую коррозионную стойкость и пластичность, легко обрабатывается давлением, но плохо резанием и имеет невысокие литейные свойства. В зависимости от чистоты медь различают следующих марок: М00 (99,99% Cu), М0 (99,95% Cu), М1 (99,9% Cu), М2 (99,7% Cu), М3 (99,5% Cu) и М4 (99,0% Cu). Присутствующие в меди примеси оказывают большое влияние на ее свойства.

Медь является основой важнейших промышленных сплавов: латуней, бронз, мельхиора и некоторых других.

Латуни ‑ это сплавы на основе меди, где основным легирующим элементом является цинк. Практическое значение имеют латуни, содержащие до 42% Zn. Помимо цинка, латуни часто легируют Al, Fe, Ni, Sn, Mn, Pb и другими элементами. Обозначаются латуни буквой Л, после чего следуют первые буквы названий основных легирующих элементов, входящих в сплав. Например, А – алюминий, О ‑ олово, Мц ‑ марганец, Ж ‑ железо, Ф ‑ фосфор, Н – никель, С ‑ свинец и т.д. Далее следуют цифры, показывающие содержание меди и легирующих элементов по порядку, остальное цинк. Например, Л80, ЛС59-1, ЛАЖ60-1-1 т.д.

Состав и свойства деформируемых латуней регламентированы ГОСТ 15527-2004, из них изготавливают листы, ленты, трубы, проволоку. В этот стандарт входят латуни двойные (Л96, Л90, Л85, Л68 и др.) и латуни многокомпонентные: алюминиевые, кремнистые, оловянные и др.

Чем больше меди в латуни, тем она пластичней, тем выше ее коррозионная стойкость и тепло- и электропроводность. При повышении содержания цинка эти свойства уменьшаются, но повышается прочность, улучшается обрабатываемость резанием и снижается стоимость.

Алюминиевые латуни – ЛА 85-0,6, ЛА 77-2, ЛАМш 77-2-0,05 обладают повышенными механическими свойствами и коррозионной стойкостью, имеют хорошую жидкотекучесть. Кремнистые латуни – ЛК 80-3, ЛКС 65-1,5-3 и другие отличаются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и в морской воде, а также высокими механическими свойствами. Оловянистые латуни – ЛО 90-1, ЛО 70-1, ЛО 62-1 отличаются повышенными антифрикционными свойствами и коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются. Марганцевые латуни – ЛМц 58-2, ЛМцА 57-3-1, деформируемые в горячем и холодном состоянии, обладают высокими механическими свойствами, стойкие к коррозии в морской воде и перегретом паре. Никелевые латуни – ЛН 65-5 и другие имеют высокие механические свойства, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Свинцовые латуни – ЛС 63-3, ЛС 74-3, ЛС 60-1 характеризуются повышенными антифрикционными свойствами и хорошо обрабатываются резанием.

Кроме деформированных латуней существуют и литейные латуни ГОСТ 17711-93 (ЛЦ40С, ЛЦ40Мц3А и др.), которые применяются для фасонного литья. От них не требуется высокой пластичности, но необходимы хорошие литейные свойства, что достигается введением большого количества специальных присадок. Такие латуни отличаются высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью.

Бронзы ‑ сплавы меди с оловом, алюминием, кремнем и другими элементами. Маркируются бронзы буквами Бр, далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов в процентах, остальное - медь. Так, ГОСТ 5017-2006 и ГОСТ 18175-78 регламентирует бронзы для обработки давлением. Например, БрОФ 6,5-0,4 содержит олова в пределах 6,5%, фосфора - 0,4%, остальное - медь. БрБ2 содержит бериллия 2%, остальное медь.

Оловянные бронзы более тверды и менее пластичны, чем латуни. Обрабатывать давлением можно бронзы, содержащие не более 5-6% олова, остальные могут служить только литейным материалом. Оловянные деформируемые бронзы регламентированы ГОСТ 5017-2006, например,БрОФ 6,5-0,15, БрОЦ 4-3 и др. ГОСТ 613-79 регламентирует оловянные литейные бронзы, например, БрО10С10, БрО8Ц4. Оловянные бронзы имеют хорошую жидкотекучесть, малую линейную усадку, высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях, в пресной и морской воде, высокие антифрикционные свойства и упругость.

Бронзы безоловянные, обрабатываемые давлением, регламентированы ГОСТ 18175-78, например, БрАЖМц 10-3-1,5, БрБ2. ГОСТ 493-79 регламентирует литейные безоловянные бронзы, например, БрА9Ж3Л, БрС30. Алюминиевые бронзы имеют высокие механические и антифрикционные свойства, хорошую обрабатываемость и коррозионную стойкость. Бериллиевые и кремнистые бронзы обладают высокими механическими свойствами, в т.ч. большим пределом упругости, сопротивлением коррозии, хорошо свариваются и обрабатываются давлением. Свинцовистые бронзы имеют невысокие механические свойства, но высокую стойкость против ударных нагрузок, высокую теплопроводность, хорошие антифрикционные свойства.

Мельхиор ‑ сплав меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. Мельхиор отличается высокой коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается давлением в холодном и горячем состоянии.

В зависимости от состава, мельхиор может быть электронегативным относительно морской воды, из-за чего применяется в производстве высококачественных деталей морских лодок. Из мельхиора изготовляют также ювелирные изделия, посуду, термогенераторы, точные резисторы и т.д. Большинство современных монет серебристого цвета состоят из мельхиора (обычно 75% Cu и 25% Ni с незначительными добавками марганца).