Файл: Materialoznavstvo_2013_pravl_1.doc

Індекси кп, пс, сп вказують ступінь розкислення сталі: кп – кипляча, пс – напівспокійна, сп – спокійна.

Якісні вуглецеві сталі. Якісні сталі поставляють із гарантованими механічними властивостями і хімічним складом (група В). Ступінь розкислення, в основному, спокійний.

Конструкційні якісні вуглецеві сталі. Маркуються двозначним числом, вказуючи середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Вказується ступінь розкислення, якщо вона відрізняється від спокійної.

Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.

Вміст вуглецю становить, відповідно, 0,08 %, 0,10 %, 0,45 %.

Інструментальні якісні вуглецеві сталі маркуються буквою У (вуглецева інструментальна сталь) і числом, що вказує вміст вуглецю в десятих долях відсотка.

Сталь У8, сталь У13.

Зміст вуглецю становить, відповідно, 0,8 % і 1,3 %

Інструментальні високоякісні вуглецеві стали. Маркуються аналогічно якісним інструментальним вуглецевим сталям, тільки в кінці марки ставлять букву А для позначення високої якості сталі.

Сталь У10А.

Якісні і високоякісні леговані сталі. Позначення літерно-цифрове. Легуючі елементи мають умовні позначення. Позначаються літерами російського алфавіту.

Позначення легуючих елементів:

Х – хром, Н – нікель, М – молібден, В – вольфрам, К – кобальт,
Т – титан, А – азот (вказується в середині марки), Г – марганець,
Д – мідь, Ф – ванадій, С – кремній, П – фосфор, Р – бор, Би – ніобій, Ц – цирконій, Ю – алюміній.

Леговані конструкційні сталі. Сталь 15Х25Н19ВС2. На початку марки вказується двозначне число, що показує вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Далі перераховуються легуючі елементи. Число, наступне за умовним позначення елементу, показує його вміст у відсотках. Якщо число не стоїть, то вміст елементу не перевищує 1,5 %. У вказаній марці сталі міститься 0,15 % вуглецю, 25 % хрому, 19 % нікелю, до 1,5 % вольфраму, до 2 % кремнію. Для позначення високоякісних легованих сталей у кінці марки вказується символ А.

Леговані інструментальні сталі. На початку марки вказується однозначне число, що показує вміст вуглецю в десятих долях відсотка. За вмісту вуглецю понад 1 % число не вказується.

Сталь 9ХС, сталь ХВГ. Далі перераховуються легуючі елементи з відповідним їх вмістом.

Швидкорізальні інструментальні сталі. Сталь Р18. Р – індекс даної групи сталей (від «rapid» – швидкість). Вміст вуглецю становить понад 1 %. Число показує вміст основного легуючого елементу – вольфраму. У вказаній сталі вміст вольфраму – 18 %. Якщо сталі містять легуючі елементи, то їх вміст вказується після позначення відповідного елементу.

P6M5 – 6 % W, 5 % Mo.

Шарикопідшипникові сталі. Сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС.
Ш – індекс даної групи сталей. Х – вказує на наявність у сталі хрому. Наступне число показує вміст хрому в десятих долях відсотка:
у вказаних сталях, відповідно, 0,6 % і 1,5 %. Також вказуються легуючі елементи. Вміст вуглецю становить понад 1 %.

Розділ 8. Чавуни. Будова, властивості, класифікація і маркування чавунів

8.1. Класифікація чавунів

Чавун відрізняється від сталі: за складом – більший вміст вуглецю і домішок; за технологічними властивостями – кращі ливарні властивості, мала здатність до пластичної деформації, майже не використовується в зварних конструкціях.

Залежно від розташування вуглецю в чавуні, розрізняють:

• білий чавун – вуглець у зв'язаному стані у вигляді цементиту, в зламі має білий колір і металевий блиск;

• сірий чавун – весь вуглець або більша частина знаходиться у вільному стані у вигляді графіту, а в зв'язаному стані міститься не більше 0,8 % вуглецю. Через велику кількість графіту його злам має сірий колір;

• половинчастий – частина вуглецю знаходиться у вільному стані у формі графіту, але не менше 2 % вуглецю знаходиться у формі цементиту. Мало використовується в техніці.

Процес графітизації

Графіт – це поліморфна модифікація вуглецю. Оскільки графіт містить 100 % вуглецю, а цементит – 6,67 %, то рідка фаза й аустеніт за складом ближчі до цементиту, ніж до графіту. Отже, утворення цементиту з рідкої фази й аустеніту повинне протікати легше, ніж графіту.

З іншого боку, за нагрівання цементит розкладається на залізо і вуглець. Отже, графіт є стабільнішою фазою, ніж цементит.

Можливі два шляхи утворення графіту в чавуні.

1. За сприятливих умов (наявність у рідкій фазі готових центрів кристалізації графіту і дуже повільне охолодження) відбувається безпосереднє утворення графіту з рідкої фази.

2. У процесі розкладання цементиту, що утворився раніше.
   За температур вище 738 ^oС цементит розкладається на суміш аустеніту і графіту за схемою:

.

За температур нижче 738 ^oС розкладання цементиту здійснюється за схемою:

.

За малих швидкостей охолодження ступінь розкладання цементиту більший.

Графітизацію з рідкої фази, а також від розпаду цементиту первинного і цементиту, що входить до складу евтектики, називають первинною стадією графітизації (рис. 8.1).

Виділення вторинного графіту з аустеніту називають проміжною стадією графітизації.

Утворення евтектоїдного графіту, а також графіту, цементиту, що утворився в результаті, входить до складу перліту, називають вторинною стадією графітизації.

Структура чавунів залежить від ступеню графітизації, тобто від того, скільки вуглецю знаходиться в зв'язаному стані.

П+Ц

Рис. 8.1. Схема утворення структур при графітизації

Витримка за температури понад 738 ^oС приводить до графітизації надмірного цементиту, що не розчинився. Якщо процес завершити повністю, то за високої температури структура складатиметься з аустеніту і графіту, а після охолодження – з перліту і графіту.

У разі незавершеності процесу первинної графітизації, вище за температуру 738 ^oС, структура складається з аустеніту, графіту і цементиту, а нижче за цю температуру – з перліту, графіту і цементиту.

Під час переходу через критичну точку перетворення аустеніту в перліт і витримки за температури, що нижче критичної, відбудеться розпад цементиту, який входить до складу перліту (вторинна графітизація). Якщо процес завершений повністю, то структура складається з фериту і графіту, якщо процес не завершений – з перліту, фериту і графіту.

8.2. Будова, властивості, класифікація і маркування сірих чавунів

Із розгляду структур чавунів можна стверджувати, що їх металева основа схожа на структуру евтектоїдної або доевтектоїдної сталі або технічного заліза. Відрізняються від сталі тільки наявністю графітових включень, що визначають спеціальні властивості чавунів.

Залежно від форми графіту і умов його утворення розрізняють наступні групи чавунів (рис. 8.2): сірий – з пластинчастим графітом А; високоміцний – із кулькоподібним графітом Б; ковкий – із пластинчастим графітом В.

Схеми мікроструктур чавуну (залежно від металевої основи і форми графітових включень) представлені на рис. 8.2.

Високо-міцний

Перліт

Рис. 8.2. Схеми мікроструктур чавуну
залежно від металевої основи і форми графітових включень

Найбільшого поширення набули чавуни із вмістом вуглецю 2,4–3,8 %. Чим вище вміст вуглецю, тим більше утворюється графіту і тим нижчі його механічні властивості, отже, кількість вуглецю не повинна перевищувати 3,8 %. У той же час для забезпечення високих ливарних властивостей вуглецю повинно бути не менше 2,4 %.

Вплив складу чавуну на процес графітизації

Вуглець і кремній сприяють графітизації, марганець ускладнює графітизацію і сприяє вибілюванню чавуну. Сірка сприяє вибілюванню чавуну і погіршує ливарні властивості, її вміст обмежений 0,08–0,12 %. Фосфор на процес графітизації не впливає, але покращує рідко текучість. Фосфор є в чавунах корисною домішкою, його вміст складає 0,3–0,8 %.

Вплив графіту на механічні властивості відливання

Графітові включення можна розглядати як відповідної форми порожнечі в структурі чавуну. Біля таких дефектів за умов навантаження концентрується напруга, значення якої тим більше, чим гостріша форма дефекту. Звідси витікає, що графітові включення пластинчастої форми в максимальній мірі приводять до зменшення міцності металу. Сприятливішою є пластинчаста форма, а оптимальною є куляста форма графіту. Пластичність залежить від форми аналогічно. Відносне видовження ( ) для сірих чавунів складає 0,5 %, для ковких – до 10 %, для високоміцних – до 15 %.

Наявність графіту знижує опір за жорстких способів навантаження: удар, розрив. Опір стисненню знижується мало.

Позитивні сторони наявності графіту:

• графіт покращує оброблюваність різанням, оскільки утворюється стружка зламу;

• чавун має кращі антифрикційні властивості, в порівнянні зі сталлю, оскільки наявність графіту забезпечує кращу антизадирну властивість поверхонь;

• через мікропорожнин, що заповнені графітом, чавун добре гасить вібрації і має підвищену циклічну в'язкість;

• деталі з чавуну не чутливі до зовнішніх концентраторів напруг (виточки, отвори, переходи в перетинах);

• чавун значно дешевше сталі;

• виробництво виробів із чавуну литтям дешевше за виготовлення виробів із сталевих заготовок обробкою різанням, а також литвом і обробкою тиском із подальшою механічною обробкою.

Сірий чавун

Структура не впливає на пластичність, яка є низькою, але впливає на твердість. Механічна міцність в основному визначається кількістю, формою і розмірами включень графіту. Дрібні, завихрені форми графіту знижують міцність. Така форма досягається шляхом модифікування. У якості модифікаторів застосовують алюміній, силікокальцій, феросиліцій.

Сірий чавун широко застосовується в машинобудуванні, оскільки легко обробляється, має хороші технологічні властивості та є найдешевшим конструкційним матеріалом.

Залежно від міцності сірий чавун поділяється на 10 марок (ГОСТ 1412).

Сірі чавуни за малого опору розтягуванню мають достатньо високий опір стисненню.

Сірі чавуни містять вуглецю 3,2–3,5 %; кремнію – 1,9–2,5 %; марганцю – 0,5–0,8 %; фосфору – 0,1–0,3 %; сірки – <0,12 %.

Структура металевої основи залежить від кількості вуглецю і кремнію. Зі збільшенням вмісту вуглецю і кремнію збільшується ступінь графітизації і схильність до утворення феритної структури металевої основи. Це веде до послаблення чавуну без підвищення пластичності.

Враховуючи малий опір відливків із сірого чавуну розтягуючим і ударним навантаженням, слід використовувати цей матеріал для деталей, які піддаються стискаючим навантаженням або згинанню. У верстатобудуванні це – базові, корпусні деталі, кронштейни, зубчаті колеса, направляючі; у автобудуванні – блоки циліндрів, поршневі кільця, розподільні вали, диски зчеплення. Відливки з сірого чавуну також використовуються в електромашинобудуванні, для виготовлення товарів народного споживання.

Позначаються індексом СЧ (сірий чавун) і числом, яке показує значення межі міцності СЧ 15 (15 кгс/см²; 1,5 МПа).

8.3. Високоміцний чавун із кулькоподібним графітом

Високоміцні чавуни (ГОСТ 7293) можуть мати феритну (ВЧ35), феритоперлітну (ВЧ45) і перлітну (ВЧ80) металеву основу. Отримують ці чавуни з сірих шляхом модифікування магнієм або церієм (додається 0,03–0,07 % від маси відливку). В порівнянні з сірими чавунами, механічні властивості підвищуються. Це викликано відсутністю нерівномірності в розподілі напруг через кулькоподібні форми графіту.

Чавуни з перлітною металевою основою мають високі показники міцності за меншого значення пластичності. Співвідношення пластичності і міцності феритних чавунів є зворотним.

Високоміцні чавуни мають високу межу текучості:

σ_т = 300–420 МПа,

що вище за межу текучості сталевих відливків. Також характерною є достатньо висока ударна в'язкість і втомна міцність чавунів із перлітною основою.

Високоміцні чавуни містять: вуглецю – 3,2–3,8 %, кремнію – 1,9–2,6 %, марганцю – 0,6–0,8 %, фосфору – до 0,12 %, сірки – до 0,3 %.

Ці чавуни мають високу рідкотекучість, лінійну усадку (близько 1%), але ливарні напруги у відливаннях вищі, ніж для сірого чавуну. Через високий модуль пружності мають достатньо високу оброблюваність різанням та задовільно зварюються.

Із високоміцного чавуну виготовляють тонкостінні відливки (поршневі кільця), шаботи кувальних молотів, станини і рами пресів і прокатних станів, виливниці, різцетримачі, планшайби.

Відливки колінчастих валів масою до 2–3 т, замість кованих валів зі сталі, мають вищу циклічну в'язкість, малочутливі до зовнішніх концентраторів напруг, мають кращі антифрикційні властивості і значно дешевші.

Позначаються індексом ВЧ (високоміцний чавун) і числом, яке показує значення межі міцності ВЧ 100 (100 кгс/см², 10 МПа).

8.4. Ковкий чавун

Отримують відпалом білого доевтектичного чавуну.

Хороші властивості у відливках забезпечуються, якщо в процесі кристалізації і охолодження відливків у формі не відбувається процес графітизації. Щоб запобігти графітизації, чавуни повинні мати понижений вміст вуглецю і кремнію.

Ковкі чавуни містять: вуглецю – 2,4–3,0 %, кремнію – 0,8–1,4 %, марганцю – 0,3–1,0 %, фосфору – до 0,2 %, сірки – до 0,1 %.

Формування остаточної структури і властивостей відливків відбувається в процесі відпалу, схема якого представлена на рис. 8.3.

Відливки витримують у печі за температури 950–1000 ^oС протягом 15–20 годин. Відбувається розкладання цементиту:

Fe₃CFe_γ(C)+C.

Структура після витримки складається з аустеніту і графіту (вуглець відпалу). У процесі повільного охолодження в інтервалі 760–720 ^oС відбувається розкладання цементиту, що входить до складу перліту, і структура після відпалу складається з фериту і вуглецю відпалу (виходить феритний ковкий чавун).

Рис. 8.3. Відпал ковкого чавуну

За відносно швидкого охолодження (режим б, рис. 8.4) друга стадія повністю усувається, і виходить перлітний ковкий чавун.

Структура відпаленого чавуну за режимом в складається з перліту, фериту і графіту відпалу (виходить феритно-перлітний ковкий чавун).

Відпал є тривалою (70–80 годин) і дорогою операцією. Останнім часом, у результаті вдосконалень, тривалість скоротилася до 40 годин.

Розрізняють 7 марок ковкого чавуну: три – з феритною (КЧ 30–6) і чотири – з перлітною (КЧ 65 – 3) основою (ГОСТ 1215).

За механічними і технологічними властивостями ковкий чавун займає проміжне положення між сірим чавуном і сталлю. Недоліком ковкого чавуну, в порівнянні з високоміцним, є обмеження товщини стінок для відливання і необхідність відпалу.

Відливки з ковкого чавуну застосовуються для деталей, що працюють за ударних і вібраційних навантажень.

Позначаються індексом КЧ (високоміцний чавун) і двома числами, перше з яких показує значення межі міцності, а друге – відносне видовження – КЧ 30-6 (межа міцності – 30 кгс/см², відносне видовження – 6 %).

Вибілені й інші чавуни

Вибілені – відливки, поверхня яких складається з білого чавуну, а всередині – сірий або високоміцний чавун.

У складі чавуну 2,8–3,6 % вуглецю і понижений вміст кремнію –0,5–0,8 %.

Мають високу поверхневу твердість (950–1000 НВ) і дуже високу зносостійкість. Використовуються для виготовлення прокатних валів, вагонних коліс із вибіленим ободом, кульок для кульових млинів.