Высокопрочный (модифицированный) чугун. Виды и свойства чугуна таблица 4
4. Ковкий чугун
Ковкий чугун получают отжигом белого чугуна. Хорошие свойства у отливок из ковкого чугуна обнаруживаются в случае, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не произойдет процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугун должен иметь пониженное содержание углерода и кремния, а отливки незначительную толщину стенок, обычно до 25 мм. Ориентировочный состав ковкого чугуна: 2,4... 3,0% С, 0,8... 1,4% Si, 0,3... 1,0% Мn, Р<0,2% и S<0,1%
№ 43.Из чего состоит структура литого ковкого чугуна до отжига?
Ответ: структура состоит из 1) Ф+П, с. 218; 2) П+ЦII, с. 219; 3) П + Л+ЦII, с. 218.
Формирование окончательной структуры и свойств отливок из ковкого чугуна происходит в процессе отжига. На рис. 99 приведены схемы режимов отжига ковкого чугуна.
Отжиг на ферритный ковкий чугун. Отливки выдерживаются в печи при температуре 950...1000°С в течение 15...20 часов. При этом происходит разложение цементита Fe3CFe(C) + С (графит), и структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерода отжига). При медленном охлаждении в интервале 760 . . . 720°С (режим а на рис. 99) происходит разложение цементита перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига: получается ферритный ковкий чугун, рис. 96, а. При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 99) вторая стадия графитизации полностью устраняется и получается перлитный ковкий чугун, рис. 96, в. Структура чугуна, отожженного по режиму рис. 99, в, состоит из перлита, феррита и углерода отжига, рис. 96, б. Отжиг является длительной (70 ... 80 часов) и дорогостоящей операцией технологического процесса производства отливок из ковкого чугуна. В последнее время за счет ряда усовершенствований длительность отжига в автопромышленности сокращена до 30... 40 часов.
В соответствии с ГОСТом 1215—59 различают 7 марок ков-
Таблица 5
Марки, основные механические свойства и структуры серых, ковких и высокопрочных чугунов (выборка)
| Марка | в кГ/мм2 | изг кГ/мм2 | 0,2 кГ/мм | % | НВ кГ/мм2 | Структура |
| Серые чугуны ГОСТ 1412-70 | ||||||
| СЧ 12-28 | 12 | 28 | — | до 0,5 | 143...229 | Ф, (Ф+Л) |
| СЧ 24—44 | 24 | 44 | — | „ | 170...246 | П |
| СЧ 32—52 | | 52 | — | „ | 185...255 | П (модифицированный) |
| Ковкие чугуны: ГОСТ 1215-59 ферритные | ||||||
| КЧ 30—6 | 30 | — | — | 6 | 163 | Ф |
| КЧ 37—12 | 37 | — | — | 12 | 143 | |
| перлитные | ||||||
| КЧ 50—4 | 50 | — | — | 4 | 241 | П |
| КЧ 63—2 | 63 | — | — | 2 | 269 | |
| Высокопрочные чугуны: ГОСТ 7293-70 | ||||||
| ВЧ 40—10 | 40 | — | 30 | 10 | 170...207 | Ф |
| ВЧ 45—5 | 45 | — | 38 | 5 | 187...255 | Ф+П |
| ВЧ 60—2 | 60 | — | 42 | 2 | 197...269 | П |
| | 120 | — | 90 | 4 | 302...369 | П |
кого чугуна (3 с ферритной — и 4 с перлитной металлической основной). Ковкий чугун маркируется: КЧ (ковкий чугун) и два числа, из которых первое показывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удлинение. В таблице 5 приведены несколько марок ковкого чугуна, их свойства и структура. По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное место между сталью и серым чугуном. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным чугуном является ограничение толщины стенок для отливок из ковкого чугуна и необходимость отжига.
Мелкие отливки преимущественно из ферритного ковкого чугуна используются в весьма различных отраслях промышленности: в авто-тракторостроении, сельскохозяйственном машиностроении и в других областях. Такими отливками являются картеры редукторов, корпусы подшипников, звездочки приводных цепей, храповики, фитинги.
Ответ: 1) модифицированный серый чугун, с. 218; 2) ферритный ковкий чугун, с. 219; 3) стальное литье, с. 219.
№ 45. Какой материал целесообразно использовать для изготовления бытовых ванн?
Ответ: 1) СЧ12—28, с. 217; 2) КЧЗО—6, с. 218; 3) ВЧ40— 10, с. 219.
Помимо серых, ковких и высокопрочных чугунов известное применение имеют отбеленные чугуны.
Отбеленными называются чугунные отливки, поверхностная зона которых состоит из белого чугуна, а во внутренних зонах имеет место серый или высокопрочный чугун. Отбеленные чугуны имеют 2,8. ..3,6% углерода и пониженное содержание кремния 0,5... 0,8%. Отбеленные чугуны имеют высокую поверхностную твердость 950 . . . 1000 HV и очень высокую износостойкость. Они используются для изготовления прокатных валков, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц и т. д.
Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа используют белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, а также хромом и никелем (нихард). Отливки из этих чугунов отличаются высокой твердостью и износостойкостью.
Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используются высокохромистые (до 34% хрома) и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается также легированием чугуна кремнием (5... 6% Si) и алюминием (1 ...2% А1). Коррозионная стойкость чугунов повышается при легировании хромом, никелем, кремнием.
Свойства чугунов можно в значительной степени изменять также термической обработкой.
. Пояснения к ответам на вопросы
№ 1—1. Ошибаетесь, lp-подуровня не существует. Посмотрите материал на с. 15.
№ 2—2. Ошибаетесь. Какая решетка имеет большую плотность упаковки?
№ 5—1. Вы ошибаетесь. На с. 173 посмотрите из чего состоит перлит. Посмотрите также ответ 1 на вопрос 4.
№ 7—1. Неправильно. Определите количество аустенита при 727° по правилу отрезков. Количество перлита после превращения будет столько же.
№ 9—2. Вы не совсем правы. При температуре 3 весь углерод в сплаве еще может быть растворен в аустените, но аустенит уже насыщен углеродом.
№ 14—1. Вы ошибаетесь. Ледебурит не фаза, а смесь фаз Л.+ Д.
№ 15—3. Ответ правильный.
№ 11—2. Ответ правильный. Образуется ледебурит.
№ 13—3. Неправильно. Когда температура только что достигла 1147°С, цементит еще не образовался.
№ 18—3. Ответ не совсем правильный. Si не относится к вредным элементам.
№ 16—3. Неправильно. Так определяется состав жидкой фазы, который изменяется по линии ликвидус.
№ 19—3. Неправильно. Растворяться в феррите могут лишь посторонние атомы, а не включения, представляющие совокупность атомов.
№ 21—1. Ошибаетесь. Так как инструмент изготавливается из вьгсокоуглеродистой стали с очень плохой свариваемостью, то сварка при изготовлении таких изделий не может быть использована.
№ 1—2. Вы ошибаетесь. Для переходных металлов раньше заполняется s-подуровень, после чего идет достройка d-подуровня, см. с. 15.
№ 2—1. Правильно. Плотность решетки о. ц. к. меньше плотности решетки г. ц. к.
№ 3—2. Ответ неполный. Какое превращение при 1499°С?
№ 4—2. Неправильно. Посмотрите ответ 1 на этот вопрос.
№ 5—3. Правильно.
№ 6—3. Неправильно. При 727°С существуют 3 фазы. Кроме того сущность превращения следует знать более конкретно.
№ 7—2. Правильно, так как в перлит превращается весь аустенит, который был при 727°С.
№ 8—2. Неправильно. Вы перепутали методику определения количества и состава фаз, см. с. 125... 128.
№ 10—2. Неправильно. Вы определили количество аустенита при 727°С, который превращается в перлит.
№ 11—1. Ответ правильный, но не конкретный. У эвтектики есть свое название.
№ 13—1. Неправильно. При температуре 1147°С кристаллизация еще продолжается, значит есть жидкость. Определите количество ее по правилу отрезков.
№ 14—3. Вы ошибаетесь. Таково состояние системы между точками 2 и 2' на кривой охлаждения, т. е. когда кристаллизация еще идет. Вопрос же касается состояния в точке 2', когда кристаллизация закончилась.
№ 15—2. Правильно, но объяснение недостаточно исчерпывающее.
№ 2—3. Ошибаетесь. Разве плотность упаковки в этих решетках одинаковая?
№ 3—1. Неправильно. Разве при 727°С кристаллизуется жидкая фаза, чтобы назвать такое превращение эвтектическим?
№ 4—3. Правильно.
№ 5—2. Неправильно. Перлит состоит из Ф и Ц. Значит он не является фазой, а структурной составляющей. Посмотрите ответ 1 на вопрос 4.
№ 6—1. Отмечены не все фазы. Ведь при 727°С одна из отмеченных фаз претерпевает превращение и появляется: третья фаза.
№ 7—3. Неправильно. Вы определили количество феррита при 727°С. Определите количество той фазы, которая превращается в перлит.
№ 8—3. Ошибаетесь. Вы определили количество жидкой фазы, см. с. 125 . . . 128.
№ 9—3. Совершенно правильно.
№ 10—1. Правильно. Сколько Цц в сплаве при 727°, столько^ его будет и в структуре сплава.
№ 11—3. Неправильно. Ведь превращается жидкая фаза, которой при эвтектоидном превращении нет.
№ 12—1. Ответ правильный, но не совсем точный (неясно что превращается в перлит).
№ 16—2. Ответ правильный.
№ 17—3. Правильно.
№ 18—1. Ошибаетесь. Si и Мп не является вредными элементами.
№ 19—1. Ошибаетесь. Внутри зерна такие включения наименее опасны.
№ 1—3. Правильно.
№ 3—3. Правильно. При этих температурах существуют три фазы и С = 0.
№ 4—1. Ошибаетесь. Ледебурит Л не является фазой. Он состоит из Л и Д. Для определения фазового состояния возьмите любую точку в данной области, проведите коноду и, спроектировав точки пересечения ко-ноды с ближайшими линиями диаграммы на ось концентрации, найдите состав, а значит и природу фаз.
№ 6—2. Правильно.
№ 8—1. Ваш ответ правильный.
№ 9—1. Вы ошибаетесь. Разве в области SECFK существует углерод, как фаза? Проверьте каков состав и какие фазы в этой области.
№ 10—3. Неправильно. Ведь это абсурд. Вы получили цементита больше, чем количество всего сплава. Посмотрите материал на с. 128.
№ 12—2. Ответ правильный.
№ 17—2. Ответ правильный, но неточный.
№ 18—2. Правильно. Эти элементы по разным причинам снижают качество стали.
№ 19—2. Правильно. Во всех случаях выделение посторонних фаз по границам зерна наиболее сильно охрупчивает материал.
№ 22—3. Ответ правильный, но неконкретный, см. с. 145.
№ 21—3. Ошибаетесь. Инструмент штамповкой обычно не изготовляется.
№ 25—1. Правильно.
№ 12—3. Неправильно. Ведь перлит состоит из фаз феррита и цементита.
№ 13—2. Ответ правильный.
№ 14—2. Правильно. Таково состояние системы после окончания кристаллизации жидкости.
№ 15—1. Ответ неполный. Здесь имеют место и некоторые изменения структуры сплава из-за изменения состава фаз при понижении температуры. Проверьте состав аустенита в точках 2 и 3.
№ 16—1. Неправильно. Так определяется количество фаз и этим путем определить природу фазы нельзя.
№ 17—1. Ошибаетесь. Разве в этих условиях фазы одни и те же?
№ 20—1. Ошибаетесь. Эта сталь имеет пониженную пластичность из-за повышенного содержания углерода и кремния.
№ 21—2. Ответ правильный.
№ 23—2. Правильно. Так как в решетке г. ц. к. размеры пор больше.
№ 24—1. Правильно. У этих сплавов нет фазовых превращений в твердом состоянии.
№ 26—2. Ошибаетесь. По рис. 1 посмотрите, разве неметаллы имеют недостроенную d-орбиталь.
№ 27—3. Ответ правильный только в случае, если в сплаве много углерода.
№ 20—3. Правильно. Пластичность хорошая: мало углерода и кремния до 0,03%.
№ 22—2. Правильно. При этом происходят диффузионные процессы, выравнивающие состав стали в пределах зерен.
№ 23—1. Ошибаетесь. Объемы отдельных пор в решетке Feaо. ц. к. меньше, чем в решетке Fe г. ц. к.
№ 24—2. Ошибаетесь. Все такие сплавы имеют превращение , поэтому могут подвергаться всем видам термообработки.
№ 25—3. Неправильно. Область а+ у этих сплавов при меньшем содержании марганца.
№ 26—1. Ответ неточный.
№ 28—3. Ответ правильный.
№ 30—1. Ошибаетесь. Гораздо выше.
№ 31—1. Ответ неполный.
№ 33—3. Неправильно. Прочтите внимательно как создается марка легированной стали.
№ 34—3. Ответ правильный.
№ 35—2. Правильно. Пои малой скорости охлаждения степень, переохлаждения мала (рис. 13). Если кристаллизация происходит при температуре выше 1147°С, то согласно рис. 92 возможно образование только смеси, аустенита и графита.
№ 36—2. Неправильно. Еще раз прочтите материал.
№ 39—1. Неправильно. Металлическая основа всех этих чугунов может быть одинакова.
№ 45—1. Правильно. Материал имеет хорошие литейные свойства, дешев, достаточно прочен.
№ 40—2. Правильно. При этом главным образом увеличением кремния, так как изменять в широких пределах состав по углероду, особенно при плавке чугуна в вагранке, трудно.
№ 20—2. Неправильно. Эта сталь недостаточно пластична: (много углерода).
№ 22—1. Неправильно. Отливки являются полуфабрикатом, который подвергается только механической обработке.
№ 24—3. Ошибаетесь. Ведь все эти сплавы имеют превращение в твердом состоянии. Подумайте, что это значит с точки зрения возможностей термообработки?
№ 25—2. Неправильно. Ферритную структуру имеют сплавы при низком содержании марганца (Mn<12%).
№ 26—3. Совершенно верно.
№ 27—1. Неправильно. Если углерода мало, карбидов хрома, в структуре может не быть.
№ 29—1. Ошибаетесь. Посмотрите внимательно рис. 88.
№ 30—3. Ответ правильный.
№ 31—3. Ответ правильный.
№ 32—1. Неправильно. В эвтектоидной стали с 5%Cr меньше-0,5% С.
№ 33—2. Правильно.
№ 35—3. Неправильно. При малых скоростях охлаждения кристаллизация происходит при малых переохлаждениях.. Исходя из рис. 92 подумайте, какие фазы в этих условиях могут образоваться.
№ 37—2. Ошибаетесь. Ведь толстостенная отливка охлаждается медленно. Подумайте, как это должно отразиться на второй стадии графитизации.
№ 30—2. Неправильно. Посмотрите еще раз рис. 88.
№ 32—3. Неправильно. Чтобы сталь с 5% Сr была ледебуритной нужно, чтобы в ней было больше 1,5% углерода.
№ 34—2. Вы очень невнимательно прочитали материал о маркировке легированных сталей.
№ 36—3. Правильно. В этих условиях жидкость кристаллизуется в смесь A + Ц несмотря на то, что G этих фаз; выше, чем фаз А +Г. Это объясняется тем, что образование цементита, состав которого ближе к составу жидкости, чем у графита, протекает более легко (требуется значительно меньшая развитость диффузионных процессов).
№ 38—3. Правильно. Имеем ферритный чугун.
№ 39—2. Неправильно. Прочтите внимательно материал на с. 204.
№ 40—3. Теоретически Вы правы, но практически реализовать влияние изменения скорости охлаждения отливки в форме трудно. См. ответ 1 на этот вопрос.
№ 41—2. Неправильно. Структура этого чугуна будет П+ Ф + Г.
№ 42—2. Неправильно. Изгиб менее жесткое нагружение, чем растяжение.
№ 43—1. Ошибаетесь. Это структура доэвтектоидной стали.
№ 44—1. Решение неправильное. Этот материал недостаточно прочен при динамических нагрузках.
№ 45—2. Неправильно. Для таких деталей нет необходимости в материале с такими высокими механическими свойствами. Стоимость изделий будет высокая.
№ 28—1. Неправильно. В этих сплавах Fe3C совсем нет, см. рис. 87, а.
.№ 32—2. Правильно.
№ 27—2. Правильно, так как титан является наиболее активным карбидообразующим элементом.
№ 29—3. Ошибаетесь. В эвтектоидной стали этого состава 0,23% С.
№ 31—2. Ответ неполный.
№ 38—1. Ошибаетесь. В этом случае 0,8% С должно быть в цементите перлита.
№ 33—1. Ошибаетесь. Эта марка не отражает высокое качество стали.
№ 37—1. Правильно. Скорость охлаждения такой отливки большая, поэтому процесс графитизации цементита, входящего в перлит, не успевает реализоваться в достаточной степени.
№ 40—1. Теоретически правильно, но скорость охлаждения зависит от толщины стенки отливки и теплопроводности формы, чего практически изменить трудно.
№ 41—3. Неправильно. При таком содержании кремния мы попадаем в область половинчатых чугунов со структурой П + Ц + Г.
№ 42—1. Правильно. У серых чугунов эти характеристики очень низки.
№ 43—3. Правильно. Это структура дозвтектического белого чугуна, которая после отжига дает структуру ковкого чугуна.
№ 44—3. Неправильно. Получить тонкостенные отливки из стали очень трудно.
№ 29—2. Ответ правильный.
№ 34—1. Ошибаетесь. Что показывает первое число в марке стали?
№ 38—2. Ответ неточный. Углеродом является также алмаз.
№ 36—1. Вы ошибаетесь в части образующихся фаз. Подумайте, что образуется, если кристаллизация происходит при температуре ниже 1147°С, см. рис. 92.
№ 39—3. Правильно. Форма графитовых включений является основой для того, чтобы считать чугун серым, ковким или высокопрочным.
№ 41—1. Правильно. Попадаем примерно в середину области перлитных чугунов.
№ 42—3. Неправильно. Концентраторы напряжений наиболее сильно снижают прочностные свойства при жестком характере нагружения.
№ 43—2. Вы неправы. Такую структуру имеет заэвтектоидная сталь.
№ 44—2. Правильно. Материал достаточно хорошо сопротивляется действию динамических нагрузок, обладает удовлетворительными литейными свойствами.
№ 45—3. Для таких деталей нет необходимости в таком прочном материале. Стоимость изделий будет высокая.
№ 28—2. Ошибаетесь. По рис. 87, а это имеет место при содержаниях хрома 2 ... 3%.
№ 35—1. Неправильно. Посмотрите ответ 3 на этот вопрос.
1Опубликовано отдельной брошюрой.
231
studfiles.net
3.6. Классификация и свойства чугунов
Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода и, согласно диаграмме «Fe – Fe3C», затвердевающие с образованием эвтектики. Благодаря хорошим литейным свойствам, достаточной прочности, износостойкости при относительно низкой стоимости чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их применяют при получении отливок сложной формы при отсутствии высоких требований к размерам деталей и их массе.
Выплавляют чугун в доменных печах и получают передельные (белые), специальные (ферросплавы) и литейные (серые) чугуны. В зависимости от того, в какой форме находится углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.
Если весь углерод, входящий в состав чугуна, находится в связанном виде как химическое соединение Fe3С, то такой чугун называется белым (рис. 3.7). Его излом светлый, с металлическим блеском, отчего и происходит название. По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Любой белый чугун содержит эвтектику – ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита, а при охлаждении ниже 727 ºС – из перлита и цементита.
Большое количество цементита в структуре придает белым чугунам высокую твердость 4500–5500 НВ, износостойкость, хрупкость. Из-за очень низкой пластичности и плохой обрабатываемости резанием белые чугуны ограниченно применяется в машиностроении.
Для получения белого чугуна необходимо быстрое охлаждение отливки при минимальном количестве кремния и присутствие отбеливающих элементов – марганца или хрома. При таких условиях зарождение кристаллов графита становится невозможным и весь углерод идет на образование цементита.
Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны – отливки, у которых сердцевина имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – структуру белого чугуна. Так можно изготовить валки прокатных станов, тормозные колодки, шары мельниц для размола горных пород, лемеха плугов и другие детали, на поверхности которых требуется высокая износостойкость.
Придать обрабатываемость белым чугунам можно только после того, как цементит распадется на графит и феррит. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Но включения графита снижают прочность и пластичность сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений.
Рис. 3.7. Микроструктура белого доэвтектического (а), эвтектического (б) и заэвтектического (в) чугуна
Серым называется чугун с пластинчатой формой графита. Его излом темно-серый, без блеска, отчего и происходит название. Серый чугун – сплав сложного состава, содержащий основные элементы: Fe, C, Si и постоянные примеси: Mn, P, S. Содержание этих элементов находится в следующих пределах: 2,2–3,7 % С; 1,0–3,0 % Si; 0,2–1,1 % Мn; 0,02–0,2 % S; 0,02–0,3 % Р.
Углерод оказывает влияние на качество чугуна. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, но пониженное содержание углерода приводит к ухудшению литейных свойств. Поэтому для толстостенных отливок применяют чугун с более низким содержанием углерода, а для тонкостенных – с более высоким. Максимальное содержание углерода в серых чугунах ограничивается доэвтектической концентрацией.
Кремний обладает сильным графитизирующим действием – способствует выделению графита при кристаллизации чугуна и разложению выделяющегося цементита.
Марганец затрудняет графитизацию чугуна, но улучшает механические свойства.
Сера – это вредная примесь. Она ухудшает механические и литейные свойства чугуна, понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.
Фосфор в небольшом количестве (до 0,3 %) растворяется в феррите. При большем содержании он образует вместе с железом и углеродом фосфидную эвтектику, которая плавится при температуре 950 °С, что увеличивает жидкотекучесть чугуна, но при этом повышается твердость и хрупкость. Так, в чугунах для художественного литья используется чугун с 1 % фосфора.
На структуру и свойства чугуна сильно влияют технологические факторы, особенно скорость охлаждения, которая зависит от толщины стенки отливки. Чем больше толщина стенки, тем медленнее охлаждается отливка и тем полнее проходит процесс графитизации. С увеличением скорости охлаждения создаются условия для первичной кристаллизации: из жидкой фазы выделяется цементит, вследствие распада которого при дальнейшем охлаждении образуется графит. Иногда ледебурит не разлагается полностью, а остается в структуре чугуна.
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы, но главным образом от количества, формы и размеров графитовых включений. Графит играет роль надрезов в металлической основе чугуна. Поэтому независимо от структуры основы относительное удлинение при растяжении серого чугуна не превышает 0,5 %. Чем меньше и разобщеннее графитные включения, тем меньше их отрицательное влияние на прочность. Сопротивление разрыву, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в структуре. Значительно слабее влияние графита при изгибе и особенно при сжатии.
Прочность при сжатии и твердость определяются в основном структурой металлической основы чугунов. Они близки к свойствам стали с той же структурой и составом, что и металлическая основа чугуна. Серый чугун обладает способностью гасить механические колебания, не чувствителен к надрезам, хорошо обрабатывается резанием. Из него изготавливают детали разного назначения – от нескольких граммов (поршневые кольца двигателей) до отливок в десятки тонн (станины станков). Выбор марки чугуна для конкретных условий работы определяется совокупностью технологических и механических свойств. Значения механических свойств некоторых марок серых чугунов с различной структурой приведены в таблице 3.2.
Детали из серого чугуна изготавливают литьем с последующей обработкой резанием.
Маркировка серых чугунов определяется ГОСТ 1412–85 и состоит из букв СЧ и числа, показывающего значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2, например: СЧ30.
Таблица 3.2
Механические свойства и структура некоторых марок серого чугуна
| Марка | σВ, МПа | δ, % | НВ, МПа | Структура |
| Серый чугун (ГОСТ 1412–85) | ||||
| СЧ15 | 150 | – | 1630–2100 | Ф |
| СЧ25 | 250 | – | 1800–2500 | Ф+П |
| СЧ35 | 350 | – | 2200–2750 | П |
Ферритные чугуны СЧ10, СЧ15 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, корпуса редукторов, тормозные барабаны и т. д. Феррито-перлитные серые чугуны СЧ20, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных нагрузках: блоки цилиндров, барабаны сцепления, зубчатые колеса, станины станков и т. д. (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Микроструктура ферритного серого чугуна
Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ30, СЧ35 имеют более высокие механические свойства из-за мелких графитных включений. Измельчение графита достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием в количестве 0,5 % от массы чугуна. Модифицированные чугуны обладают более высокими свойствами и хорошей герметичностью. Их применяют для корпусов насосов, компрессоров, гидроприводов, тормозной пневматики и др.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие – дополнительно содержат Cr и Al, жаропрочные – Cr, Ni и Mo. Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров. Такой нагрев составляет ~ 560 °С.
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают путем модифицирования – в жидкий чугун добавляют магний в количестве 0,02–0,08 %. Магний вводится в ковш перед заливкой в формы не в чистом виде, а в виде лигатуры – сплава магния с никелем. Магний является поверхностно–активным элементом: в расплаве атомы магния образуют препятствия на поверхности растущего кристалла графита, увеличивая его поверхностную энергию. Поэтому становится энергетически выгодным образование кристалла с наименьшим отношением поверхности к объему, т. е. шару. После модифицирования высокопрочный чугун имеет следующий химический состав: 3–3,6 % С; 1,8–2,9 % Si; 0,4–0,7 % Мn; 0,02–0,08 % Mg; до 0,15 % Р; до 0,03 % S.
По химическому составу высокопрочные чугуны не отличаются от серых, но шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, чем пластинчатый, поэтому прочность и пластичность этих чугунов выше, чем серых. Значения механических свойств высокопрочных чугунов приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3
Механические свойства и структура некоторых марок высокопрочного чугуна
| Марка | σВ, МПа | δ, % | НВ, МПа | Структура |
| Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293–85) | ||||
| ВЧ35 | 350 | 22 | 1400–1700 | Ф |
| ВЧ45 | 450 | 10 | 1400–2250 | Ф+П |
| ВЧ60 | 600 | 3 | 1920–2270 | Ф+П |
| ВЧ80 | 800 | 2 | 2480–3510 | П |
| ВЧ100 | 1000 | 2 | 2700–3600 | П |
В соответствии с ГОСТ 7293–85 марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, показывающего значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2, например: ВЧ50.
По структуре металлической основы высокопрочные чугуны могут быть ферритными, ферритоперлитными или перлитными. Ферритный чугун состоит в основном из феррита и шаровидного графита; допускается до 2 % перлита (рис. 3.9). Структура перлитного чугуна состоит из сорбитообразного или пластинчатого перлита и шаровидного графита, допускается до 20 % феррита.
Рис. 3.9. Микроструктура ферритного высокопрочного чугуна
Высокопрочные чугуны способны заменять сталь во многих изделиях и конструкциях. Они могут работать при высоких циклических нагрузках и в условиях износа. Из них изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы в тракторо- и автомобилестроении, поршни двигателей и др.
В некоторых случаях для улучшения механических свойств чугунов применяют термическую обработку: закалку и отпуск для повышения прочности и отжиг – для увеличения пластичности.
Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. Графит в ковких чугунах формируется при термической обработке и в такой форме меньше снижает механические свойства металлической основы. Отливки из белых чугунов должны быть тонкостенными, толщиной не более 50 мм, иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит и чугун становится непригодным для отжига. По этой причине в ковких чугунах находится пониженное содержание углерода и кремния: 2,4–2,9 % С; 0,8–1,5 % Si; 0,2–0,9 % Мn; до 0,2 % S; до 0,18 % Р.
Отжиг на ферритный чугун проводится по режиму 1 (рис. 3.10), что обеспечивает графитизацию в две стадии. Первая стадия графитизации при температуре 950 ºС состоит в распаде цементита, находящегося в ледебурите. Это приводит к образованию структуры аустенита и включений углерода отжига. Вторая стадия графитизации протекает при медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур 720–740 °С. В процессе этой выдержки распадается цементит перлита. В результате такого отжига продолжительностью 60–80 часов формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига (рис. 3.11).
Рис. 3.10. Схема режима отжига белого чугуна с получением ферритного (1) и перлитного (2) ковкого чугуна
Перлитный ковкий чугун получают по режиму 2 (рис. 3.10). Продолжительность графитизации при температуре 1000 °С увеличивается, после чего отливки непрерывно охлаждают до комнатной температуры. Графитизации цементита, входящего в состав перлита, не происходит, поэтому чугун приобретает структуру перлита с включениями углерода отжига.
Рис. 3.11. Микроструктура ферритного ковкого чугуна
В отличие от пластинчатого графита в сером чугуне хлопьевидные включения меньше снижают механические свойства металлической основы, что делает ковкий чугун прочнее серого, хотя уступает высокопрочному чугуну (табл. 3.4).
Таблица 3.4
Механические свойства и структура некоторых марок ковкого чугуна
| Марка | σВ, МПа | δ, % | НВ, МПа | Структура |
| Ковкий чугун (ГОСТ 1215–79) | ||||
| КЧ30–6 | 300 | 6 | 1000–1630 | Ф+ до 10%П |
| КЧ35–8 | 350 | 8 | 1000–1630 | |
| КЧ37–12 | 370 | 12 | 1100–1630 | |
| КЧ45–7 | 450 | 7 | 1500–2070 | |
| КЧ60–3 | 600 | 3 | 2000–2690 | П+ до 20%П |
| КЧ80–1,5 | 800 | 1,5 | 2700–3200 | |
Название «ковкий» условное, деформировать ковкие чугуны нельзя. В обозначении ковкого чугуна первая цифра показывает значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2, вторая – относительное удлинение в %, например: КЧ45–7.
Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, автомобильном и текстильном машиностроении. Из них изготавливают детали высокой прочности, работающие в условиях износа при ударных и знакопеременных нагрузках. Хорошие литейные свойства исходного белого чугуна позволяют получать отливки сложной формы и малой толщины: крышки картеров, редукторов, ступицы, муфты, втулки, звенья и ролики цепей конвейера.
Недостатком ковких чугунов является их более высокая стоимость из-за продолжительного отжига.
studfiles.net
Механические свойства высокопрочного чугуна
Отличительной особенностью ВЧШГ являются его высокие механические свойства (табл. 1, 2), обусловленные шаровидной формой графита, который не оказывает сильного надрезывающего воздействия на металлическую основу, вследствие чего вокруг сфероидов графита в меньшей степени возникает концентрация напряжений. При этом ВЧШГ, как и другие чугуны, можно получать со всеми известными структурами металлической основы, выбирая состав металла, в том числе его легирование, технологию производства и методы термической обработки (табл. 3).
Кроме того, ВЧШГ имеет хорошие коррозионную стойкость (не ниже, чем СЧ, см. табл. 2 в статье коррозионная стойкость чугуна), жаростойкость, хладостойкость, антифрикционные свойства, обрабатываемость и может подвергаться сварке и автогенной резке.
ВЧШГ имеет хорошие литейные свойства: высокую жидкотекучесть, незначительную склонность к образованию горячих трещин. Вместе с тем его склонность к образованию усадочных раковин и литейных напряжений выше, чем у СЧ, и находится на уровне этих свойств для стали или ковкого чугуна.
Наиболее существенным для механических свойств ВЧШГ является получение графита правильно шаровидной формы. Шаровидная форма графита зависит от состава металла, условий модифицирования, шихтовых материалов и других условий плавки и от скорости охлаждения отливки. Чем больше скорость охлаждения, тем ближе к шаровидной форме и дисперсией включения графита. Для получения заданных свойств в отливках с большей толщиной стенки уменьшают содержание С и Si в чугуне с повышением их соотношения (табл. 3). Для получения чугуна высоких марок используют легирование небольшим количеством Ni, Сr, Сu, Мо.
| ВЧ 35 | 350 | 220 | 22 | 140-170 |
| ВЧ 40 | 400 | 250 | 15 | 140-202 |
| ВЧ 45 | 450 | 310 | 10 | 140-225 |
| ВЧ 50 | 500 | 320 | 7 | 153-245 |
| ВЧ 60 | 600 | 370 | 3 | 192-277 |
| ВЧ 70 | 700 | 420 | 2 | 228-302 |
| ВЧ 80 | 800 | 480 | 2 | 248-351 |
| ВЧ 100 | 1000 | 700 | 2 | 270-360 |
| Ферритный | 330-380 | — | 3-8 | 135-170 |
| Перлитный | 500-600 | — | 2 | 190-250 |
| Ферритный ЧШГ | 165-175 | 120-150 | 1000-1400 | 0,28-0,29 | 12-20 | 400-460 | 130-160 |
| Перлитный ЧШГ | 175-185 | 160-200 | 1500-2000 | 0,28-0,29 | 4-8 | 500-780 | 180-230 |
| Бейнитный ЧШГ | 180-190 | 240-400 | 1800-2200 | 0,28-0,29 | 2-4 | 700-900 | 220-300 |
| Ферритный ЧШГ | 320-400 | 65-75 | 10-14 | 150-200 | 235-258 | 750-900 |
| Перлитный ЧШГ | 400-550 | 75-80 | 8-10 | 80-200 | — | 850-1200 |
| Бейнитный ЧШГ | 550-700 | 80-85 | 7-10 | 50-150 | — | 1200-1400 |
| ВЧ 35 | 3,3-3,8 | 3,0-3,5 | 2,7-3,2 | 1,9-2,9 | 1,3-1,7 | 0,8-1,5 | 0,2-0,6 | 0,1 | 0,02 | 0,05 | — | — | Отжиг |
| ВЧ 40 | 3,3-3,8 | 3,0-3,5 | 2,7-3,2 | 1,9-2,9 | 1,2-1,7 | 0,5-1,5 | 0,2-0,6 | 0,1 | 0,02 | 0,1 | — | — | » |
| ВЧ 45 | 3,3-3,8 | 3,0-3,5 | 2,7-3,2 | 1,9-2,9 | 1,3-1,7 | 0,5-1,5 | 0,3-0,7 | 0,1 | 0,02 | 0,1 | — | — | Без обработки |
| ВЧ 50 | 3,2-3,7 | 3,0-3,3 | 2,7-3,2 | 1,9-2,9 | 2,2-2,6 | 0,8-1,5 | 0,3-0,7 | 0,1 | 0,02 | 0,15 | — | — | > > |
| ВЧ 60 | 3,2-3,6 | 3,0-3,3 | 2,4-2,6 | 2,4-2,8 | 0,3-0,7 | 0,1 | 0,2 | 0,15 | 0,3 | 0,4 | Нормализация | ||
| ВЧ 70 | 3,2-3,6 | 3,0-3,3 | — | 2,6-2,9 | 2,6-2,9 | — | 0,4-0,7 | 0,1 | 0,015 | 0,15 | 0,4 | 0,6 | » |
| ВЧ 80 | 3,2-3,6 | — | — | 2,6-2,9 | — | — | 0,4-0,7 | 0,1 | 0,01 | 0,15 | 0,6 | 0,6 | Двойная нормализация |
| ВЧ 100 | 3,2-3,6 | — | — | 3,0-3,8 | — | — | 0,4-0,7 | 0,1 | 0,01 | 0,15 | 0,6 | 0,8 | Закалка и отпуск |
Некоторые примеси оказывают вредное влияние на процесс модифицирования, а следовательно, и на свойства ВЧШГ. Поэтому их содержание должно быть ограничено (0,009% РЬ; 0,13% Sn; 0,026% Sb; 0,04% Ti; 0,08% As; 0,3% Al).
Получение ШГ в чугуне возможно при обработке расплава сфероидизирующими металлами (Mg, Са, Се и др.) и их смесями с другими металлами или неметаллами. Чаще всего применяют магниевые лигатуры на основе Ni, Сu, Si или Са. Чтобы подавить демо-дифицнрующие влияния примесей, всегда имеющихся в чугуне, в лигатуры к магнию дополнительно вводят один или несколько РЗМ.
Способы получения чугуна с вермикулярным графитом принципиально не отличаются от способов получения ВЧШГ, за исключением меньшего количества глобуляризирующих элементов, вводимых в расплав при модифицировании.
Механические свойства чугуна с вермикулярным графитом ближе к свойствам чугуна с шаровидным графитом, а литейные свойства — к чугуну с пластинчатым графитом. ВЧВГ обладает меньшей чувствительностью к изменению толщины стенки отливки, чем чугун с пластинчатым и шаровидным графитом, и вследствие этого может более успешно использоваться в качестве конструкционного материала для крупногабаритных массивных деталей.
Изменение механических свойств ВЧШГ и ВЧВГ при повышенных температурах приведено в (табл. 4). Прочность до 400—450 °С изменяется незначительно, причем она сначала несколько снижается при 150—200 °С, как у многих железоуглеродистых сплавов, а затем снова возрастает при 350—400 °С.
| ВЧШГ: ферритный | σв, МПа | 432 | — | — | 351 *1 | — | 223 | — | 130 |
| δ, % | 15,8 | — | — | 14,6 *1 | — | 15,2 | — | 21,9 | |
| перлитный | σв, МПа | 585 | — | — | 567 *1 | — | 362,5 | — | — |
| δ, % | 1,2 | — | — | 7,2 *1 | — | 11,1 | — | — | |
| E∗10-4, МПа | 17,74 | 17,05 | 16,27 | 15,97 | — | 15,29 | — | 14,50 | |
| ЧВГ *2 | σв, МПа | 416 | — | 416 | 402 | 382 | 335 | 286 | 216 |
| δ, % | 3,5 | — | 3,0 | 2,0 | 2,8 | 4,2 | 8,0 | 12,0 | |
| ферритный | σв, МПа | 387 | — | 382 | 372 | 363 | 314 | 269 | 206 |
| δ, % | 5 | — | 4,0 | 3,0 | 4,5 | 6,0 | 10,0 | 14,0 | |
| E∗10-4, МПа | 15,19 | 14,62 | 13,76 | 13,42 | — | 13,03 | — | 11,44 | |
| перлитный | σв, МПа | 480 | — | 493 | 470 | 420 | 392 | 309 | 237 |
| δ, % | 2,6 | — | 2,0 | 1,8 | 1,2 | 1,5 | 3,2 | 7,0 | |
| E∗10-4, МПа | 16,46 | 15,87 | 15,09 | 14,89 | — | 14,11 | — | 13,42 | |
| КЧ 35-10 | σв, МПа | 333 | 315 | 341 | 312 | 261 | 223 | 169 | 107,6 |
| δ, % | 12,0 | 7,7 | 9,4 | 9,6 | 12,2 | 15,7 | 23,4 | 34,6 | |
| E∗10-4, МПа | 16,6 | 14,4 | 12,6 | 11,7 | 11,1 | 10,2 | — | — | |
| СЧ30 | σв, МПа | 319,7 | 307 | 315 | 323 | 304,4 | 276,6 | 246 | 212 |
| δ, % | 0,13 | 0,31 | 0,64 | 0,83 | 1,0 | 0,18 | 1,28 | 1,6 | |
| E∗10-4, МПа | 13,9 | 13,4 | 12,6 | 12,2 | — | 11,8 | — | 11,6 | |
| *1 Температура испытания 425 | |||||||||
| *2 ЧВГ в литом состоянии, ферритный после отжига, перлитный после нормализации | |||||||||
Модуль упругости у всех типов чугуна монотонно снижается с повышением температуры.
По герметичности высокопрочный чугун значительно превосходит серый вследствие отсутствия графитовой пористости и пригоден для деталей, работающих под давлением до 40 МПа.
Хорошая износостойкость обусловливает частое использование его для деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания и трения при высоких давлениях и затрудненной смазке. Наиболее благоприятной в этом случае металлической основой нелегированного ВЧШГ является перлитная, характеризующаяся меньшим коэффициентом трения f. У перлитного чугуна (НВ 270) f=0,63 при давлении р=1,4 МПа, f=0,52 при р=2,5 МПа, а при перлитно-ферритной основе (НВ 207) f соответственно 0,7 и 0,62.
Сила резания ВЧШГ на 50—60% выше, чем у серого чугуна той же твердости, но при эквивалентных значениях σв обрабатываемость ВЧШГ лучше, чем СЧ. Параметры шероховатости обработанной поверхности у ВЧШГ ниже, вследствие обособленности выделений графита в нем.
metiz-bearing.ru
2.1.4. Структура и свойства чугунов
Сплавы, содержащие 2,14 %С (правее т. Е на диаграмме «железо-цементит», см. рис. 2..1), называются чугунами.
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe-Ц, называются белыми (из-за светлого оттенка излома, обусловленного большим количеством цементита в структуре). Из диаграммы Fe-Ц следует, что затвердевание этих сплавов происходит при Т 1147 оС непосредственно ниже линии солидус ЕCF в результате превращения
охл
Жс АЕ+ Ц. (2.3)
Такое превращение (затвердевание жидкой фазы в смесь двух твердых при фиксированном составе фаз и постоянной температуре) называется эвтектическим1, а образующаяся смесь кристаллов – эвтектикой (греч. – «легко плавящаяся» – из диаграммы Fe-Ц видно, что чугуны имеют наименьшую температуру плавления среди железоуглеродистых сплавов).
Эвтектика в белых чугунах называется ледебуритом (по фамилии исследователя – Ледебура). В момент образования (см. (2.3)) она состоит из аустенита и цементита, но при Т 727 оС аустенит превращается в перлит (напомним, что РSК – линия эвтектоидного – перлитного превращения, см. (2.1)). Поэтому при нормальных температурах ледебурит (Л) – сложная структурная составляющая; представляет собой светлую цементитную основу с темными включениями перлитных зерен.
По структуре белые чугуны делятся на доэвтектические (2,14…4,3 %С) со структурой Л+П+Ц, эвтектические (4,3 %С) – Л и заэвтектические (4,3…6,67 %С) – Л+Ц.
Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечивает их высокие литейные свойства.
Механические же свойства этих сплавов можно оценить, экстраполировав зависимости, показанные на рис. 2.1.3, на содержание углерода 2,14 %.
Видно, что белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низкими значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является следствием большого количества цементита в структуре (о свойствах Ц – в разделе 2.1.1). Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не используются.
На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов широко применяются серые чугуны.
Принципиальное отличие структуры серых чугунов от белых в том, что углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe3C – цементита), а в свободном – в виде включений графита1различной формы.
Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных структурных факторов:
1) формы (и количества) графитных включений,
2) структуры металлической основы.
По первому признаку эти сплавы делятся:
1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых графит имеет форму длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются модифицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную форму;
2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;
3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.
Структура металлической основы любого из этих чугунов может быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).
В табл. 2.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механические свойства различных видов серых чугунов.
Таблица 2.1
Классификация, маркировка и механические свойства
различных видов серых чугунов
| Марка чугуна | в, МПа (кгс/мм2) | , % | Структура металличес- кой основы | Форма графитных включений | |
| С е р ы е ч у г у н ы (ГОСТ 1412-85) | |||||
| СЧ 10 | 100(10) | 0 | Ф |
| |
| СЧ 18 | 180(18) | 0 | Ф+П | ||
| СЧ 30 | модифицированный | 300(30) | 0 | П |
|
| СЧ 45 | 450(45) | 0 | П | ||
| В ы с о к о п р о ч н ы е ч у г у н ы (ГОСТ 7293-85) | |||||
| ВЧ 38 | 380(38) | 17 | Ф |
| |
| ВЧ 45 | 450(45) | 5 | Ф+П | ||
| ВЧ 120 | 1200(120) | 2 | П | ||
| К о в к и е ч у г у н ы (ГОСТ 1215-79) | |||||
| КЧ 30-6 | 300(30) | 6 | Ф |
| |
| КЧ 45-6 | 450(45) | 6 | Ф+П | ||
| КЧ 80-1,5 | 800(80) | 1,5 | П | ||
Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металлической основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость (см. рис. 2.1.3).
Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений. Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу (матрицу) чугуна (см. табл. 2.1).
По сути любые серые чугуны представляют собой углеродистые доэвтектоидные (Ф+П), эвтектоидные (П) стали или техническое железо (Ф) (см. тему 2.1.1) с включениями графита. Очевидно, что графит уменьшает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому чугуны имеют более низкие механические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Однако от сталей они отличаются более высокими литейными свойствами, низкой стоимостью, нечувствительностью к дефектам поверхности, демпфирующими и антифрикционными свойствами.
Итак в данной теме (2.1) было показано, как изменяется структура и механические свойства промышленных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) в зависимости от содержания углерода. Наиболее важным пунктом этой темы являются зависимости механических свойств, представленные на рис. 2.1.3, поскольку они являются основой классификации сталей по назначению.
Следует, однако, подчеркнуть, что приведенный на этом рисунке комплекс механических свойств соответствует сталям в равновесном1 состоянии (т.е. со структурами, формирующимися по диаграмме состояния Fe-Fе3C).
На практике все ответственные стальные изделия подвергают специальной упрочняющей термической обработке, в результате которой качественный характер зависимостей механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3) сохраняется, но количественные показатели вследствие структурных превращений существенно изменяются.
Таким путем добиваются улучшения механических свойств сталей с данным содержанием углерода (т.е. различных марок; например, твердость эвтектоидной стали У8 можно повысить в 4 раза).
Обсуждение явлений, происходящих в процессе упрочняющей термической обработки сталей, – следующая тема 2.2.
studfiles.net
свойства чугуна таблица » Главная Главная
Технологические свойства чугуна при растяжении описаны в таблицах соответствующих определённым видам нагрузок.
Таблица 1. Технологические свойства чугуна при растяжении.
Технологические свойства чугуна марок СЧ10 – СЧ18 (серый чугун)
Е – модуль продольной упругости чугуна Е х 0.01 = 60 – 80 МПа.
δ – относительное удлинение при разрыве чугуна δ = 0.2 – 1.0 %.
σ 1р – предел выносливости чугуна при изгибе с симметричным циклом нагружения σ 1р = 50 – 70 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ20 – СЧ30 (серый чугун)
Е – модуль продольной упругости чугуна Е х 0.01 = 85 – 125 МПа.
δ – относительное удлинение при разрыве чугуна δ = 0.4 – 0.65 %.
σ 1р – предел выносливости чугуна при изгибе с симметричным циклом нагружения σ 1р = 90 – 115 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ30 – СЧ35 (серый чугун)
Е – модуль продольной упругости чугуна Е х 0.01 = 125 – 145 МПа.
δ – относительное удлинение при разрыве чугуна δ = 0.65 – 0.9 %.
σ 1р – предел выносливости чугуна при изгибе с симметричным циклом нагружения σ 1р = 115 – 140 МПа.
Таблица 2. Технологические свойства чугуна при сжатии.
Технологические свойства чугуна марок СЧ10 – СЧ18 (серый чугун)
σС- предел прочности при сжатии чугуна σС = 500 – 800 МПа.
Е – модуль продольной упругости чугуна Е х 0.01 = 65 – 90 МПа.
μ – коэффициент поперечной деформации при сжатии чугуна μ = 0.28 – 0.29.
φ- относительное сужение при сжатии чугуна φ = 20 – 40 %.
σ 1с – предел выносливости чугуна при изгибе с симметричным циклом нагружения σ 1с = 70 – 90 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ20 – СЧ30 (серый чугун)
σС- предел прочности при сжатии чугуна σС = 850 – 1000 МПа.
Е – модуль продольной упругости чугуна Е х 0.01 = 93 – 130 МПа.
μ – коэффициент поперечной деформации при сжатии чугуна μ = 0.28 – 0.29.
φ- относительное сужение при сжатии чугуна φ = 15 – 30 %.
σ 1с – предел выносливости чугуна при изгибе с симметричным циклом нагружения σ 1с = 120 – 145 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ30 – СЧ35 (серый чугун)
σС- предел прочности при сжатии чугуна σС = 1000 – 1200 МПа.
Е – модуль продольной упругости чугуна Е х 0.01 = 130 – 155 МПа.
μ – коэффициент поперечной деформации при сжатии чугуна μ = 0.28 – 0.29 %.
φ- относительное сужение при сжатии чугуна φ = 15 – 20 %.
σ 1с – предел выносливости чугуна при изгибе с симметричным циклом нагружения σ 1с = 145 – 170 МПа.
Таблица 3. Технологические свойства чугуна при кручении.
Технологические свойства чугуна марок СЧ10 – СЧ18 (серый чугун)
τВ- предел прочности при срезе чугуна τВ = 240 – 320 МПа.
τ-1 – предел выносливости при кручении и изгибе чугуна τ-1 = 60 – 80 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ20 – СЧ30 (серый чугун)
τВ- предел прочности при срезе чугуна τВ = 280 – 360 МПа.
τ-1 – предел выносливости при кручении и изгибе τ-1 = 100 – 120 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ30 – СЧ35 (серый чугун)
τВ- предел прочности при срезе чугуна τВ = 360 – 400 МПа.
τ-1 – предел выносливости при кручении и изгибе τ-1 = 120 – 140 МПа.
Таблица 4. Технологические свойства чугуна при срезе.
Технологические свойства чугуна марок СЧ10 – СЧ18 (серый чугун)
τВ- предел прочности при срезе чугуна τВ = 150 – 220 МПа.
G – предел выносливости при кручении и изгибе чугуна Gх 0.01 = 40 – 44 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ20 – СЧ30 (серый чугун)
τВ- предел прочности при срезе чугуна τВ = 250 – 355 МПа.
G – предел выносливости при кручении и изгибе чугуна Gх 0.01 = 45 – 54 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ30 – СЧ35 (серый чугун)
τВ- предел прочности при срезе чугуна τВ = 355 – 400 МПа.
G – предел выносливости при кручении и изгибе чугуна Gх 0.01 = 54 – 64 МПа.
Таблица 5. Технологические свойства чугуна при вибрации с нагрузкой равной 1/3 от σ0.2, где σ0.2 – условный предел текучести чугуна.
Технологические свойства чугуна марок СЧ10 – СЧ18 (серый чугун)
φ – циклическая вязкость чугуна φ = 30 – 32 %.
Технологические свойства чугуна марок СЧ20 – СЧ30 (серый чугун)
φ – циклическая вязкость чугуна φ = 23 – 30 %.
Технологические свойства чугуна марок СЧ30 – СЧ35 (серый чугун)
φ – циклическая вязкость чугуна φ = 23 – 25 %.
Таблица 6. Технологические свойства чугуна – α ударная вязкость чугуна.
Технологические свойства чугуна марок СЧ10 – СЧ18 (серый чугун)
α – ударная вязкость чугуна α = 40 – 70 кДж/м2.
Технологические свойства чугуна марок СЧ20 – СЧ30 (серый чугун)
α – ударная вязкость чугуна α = 80 – 100 кДж/м2.
Технологические свойства чугуна марок СЧ30 – СЧ35 (серый чугун)
α – ударная вязкость чугуна α = 80 – 90 кДж/м2.
Таблица 7. Технологические свойства чугуна при изгибе.
Технологические свойства чугуна марок СЧ10 – СЧ18 (серый чугун)
σ1 — предел выносливости при изгибе с симметричным циклом нагружения чугуна σ1 = 58 – 66 МПа.
σИ – предел прочности при изгибе чугуна σИ = 240 – 360 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ20 – СЧ30 (серый чугун)
σ1 — предел выносливости при изгибе с симметричным циклом нагружения чугуна σ1 = 67 – 133 МПа.
σИ – предел прочности при изгибе чугуна σИ = 400 – 500 МПа.
Технологические свойства чугуна марок СЧ30 – СЧ35 (серый чугун)
σ1 — предел прочности при изгибе с симметричным циклом нагружения чугуна σ1 = 133 – 135 МПа.
σИ – предел выносливости при изгибе чугуна σИ = 500 – 540 МПа.
4ypakabra.ru
|
ТОП 10: |
Высокопрочный чугун – это чугун, имеющий графитные включения шаровидной или близкой к ней формы. Зернистость металлической основы (матрицы) оказывает очень серьезное влияние на механические свойства чугуна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства.
Рис. 10. Графит шаровидной формы
Если в расплавленный чугун ввести мелкие тугоплавкие частицы других металлов (модификаторы), то они послужат дополнительными центрами кристаллизации. В результате в одном и том же объеме чугуна количество зерен будет возрастать, а их размер уменьшаться. Масса модификаторов составляет всего 0,1-0,3 % от массы чугуна. При этом химический состав практически не меняется, а механические свойства улучшаются. Такой чугун называется высокопрочным (модифицированным). В качестве модификаторов используется магний или церий. Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, поэтому прочностные качества этих чугунов наиболее высокие (не уступают конструкционным закаленным сталям), но пластичность ниже, чем у стали и ковкого чугуна. Высокопрочные чугуны используются в основном для получения массивных отливок. Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке. При объёмной непрерывной закалке чугун медленно нагревают до температуры на 40-60 оС выше линии S–K на диаграмме состояния железо-углерод (рис. 22). Обычно, это соответствует температуре 850-930 оС, в результате получается структура аустенита и графита. Затем дают выдержку для прогрева и насыщения аустенита углеродом; выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, например, 10-15 мин для перлитных чугунов и до 1,5-2 часов для ферритных чугунов. Отливки простой конфигурации охлаждают в воде, а сложной – в масле. После закалки при оптимальной температуре и выдержке, обеспечивающей достаточное растворение углерода в аустените, в ферритном чугуне получается мартенситная структура с максимальной твёрдостью 55…60 HRС. В чугунах высокопрочных, аустенит которых обладает пониженной критической скоростью закалки, твёрдость после закалки достигает 60…62 HRC. Прочность после закалки понижается. Прокаливаемость высокопрочного чугуна выше прокаливаемости серого чугуна. После закалки чугун подвергают низкому отпуску для снятия части внутренних напряжений или высокому отпуску с получением сорбитной или троостосорбитной структуры. Наиболее часто высокопрочный чугун применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства бесшовных труб, используемых в водо-, газо- и нефтепроводах. Механические свойства и химический состав серого СЧ (по ГОСТ 1412-85), ковкого КЧ (по ГОСТ 1215-79) и высокопрочного ВЧ (по ГОСТ 7293-85) чугунов приведены в табл. 4 и 5.
Таблица 4. Свойства и назначение чугунов
Таблица 5. Химический состав чугунов
Медные сплавы В машиностроении чистая медь не используется вследствие малой прочности (250-300 МПа). Сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием, бериллием имеют прочность 300-600 МПа и широко используются в различных областях промышленности. Основные преимущества медных сплавов: низкий коэффициент трения, высокая пластичность, стойкость против коррозии, хорошая электропроводность. Наибольшее распространение получили два вида медных сплавов. 1. Латунь Латунью называют сплав меди с цинком (мас. доля Zn до 38 %). Латунь с массовой долей цинка от 5 до 20 % называется красной (томпаком), с массовой долей цинка 20-36 % – желтой. На практике редко используют латуни, в которых массовая доля цинка превышает 45 %. Цинк дешевле меди, поэтому его введение в сплав одновременно с повышением механических, технологических и антифрикционных свойств, приводит к снижению стоимости – латунь дешевле меди. Электропроводность и теплопроводность латуни ниже, чем меди. Коррозионная стойкость латуни в атмосферных условиях оказывается средней между стойкостью элементов, образующих сплав, т.е. цинка и меди. Латунь, с массовой долей цинка более 20 %, склонна к растрескиванию при вылеживании во влажной атмосфере (особенно, если присутствуют следы аммиака). Этот эффект часто называют «сезонное растрескивание». Наиболее заметен он в деформированных изделиях, поскольку коррозия распространяется по границам зерен. Для устранения этого явления после деформации латунь подвергают отжигу при температуре 240-260 °C. Латунь имеет хорошую жидкотекучесть, т.е. способность свободно растекаться в литейной форме, заполняя и точно воспроизводя все ее контуры. Латунь пластична, коррозионно-стойкая, хорошо обрабатывается давлением и резанием, обладает следующими механическими свойствами: предел прочности sВ до 750 МПа, относительное удлинение δ до 50 %, модуль упругости Е = 0,1 Латунь поставляется в прокате и поковках (по ГОСТ 15527-2004). Этот материал обладает высокими технологическими свойствами и применяется в производстве различных мелких деталей, особенно там, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Латунь легко поддается пластической деформации: основное ее количество идет на изготовление катаных полуфабрикатов – листов, полос, лент, проволоки. Латунь обозначаются следующим образом: первая буква Л в марке означает «латунь». Буквы, следующие за ней, означают: А – алюминий, Б – бериллий, Ж – железо, К – кремний, Мц – марганец, Н – никель, О – олово, С – свинец, Ц – цинк, Ф – фосфор. Первые две цифры после букв указывают содержание основного компонента – меди. Остальные цифры, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Цифры расположены в том же порядке, что и буквы. Таким образом, содержаниецинка в марке латуни не указывается и определяется по разности. Например, Л68 означает латунь с массовой долей меди 68 %, которая не имеет других легирующих элементов, кроме цинка (Zn – 32 %). ЛАЖ 60-1-1 означает латунь с массовой долей меди 60 % и легированную алюминием (1 %) и железом (1 %), остальное – цинк (38 %). Двухкомпонентная латунь («простая») состоит только из меди, цинка и, в незначительных количествах, примесей. Для двухкомпонентной латуни особое значение имеет фазовый состав сплава. Предел растворимости цинка в меди при комнатной температуре равен 39 %. При повышении температуры он снижается и при 905 °C становится равным 32 %. По этой причине латуни с массовой долей цинка менее 39 %, имеют однофазную структуру (α-фаза) твердого раствора цинка в меди. Их называют α-латунями. Если в расплав ввести больше цинка, то он не сможет полностью раствориться в меди, и после затвердевания возникнет вторая фаза – β-фаза, которая очень хрупка и тверда. Поэтому двухфазные латуни имеют более высокую прочность и меньшую пластичность, чем однофазные. При увеличении массовой доли цинка до 30 % возрастают одновременно и прочность, и пластичность. Затем пластичность уменьшается, вначале за счет усложнения твердого раствора, затем происходит резкое ее понижение, так как в структуре сплава появляется хрупкая β-фаза. Прочность увеличивается до массовой доли цинка около 45 %, а затем уменьшается так же резко, как и пластичность. Многокомпонентная латунь («специальная») – кроме меди и цинка содержит дополнительные легирующие элементы. Количество марок многокомпонентных латуней больше, чем двухкомпонентных. Наименование специальной латуни отражает ее состав. Так, если она легирована железом и марганцем, то ее называют «Железомарганцевой», если алюминием – «Алюминиевой» и т.д. Бронза Бронзой называется сплав меди с другими металлами кроме цинка (чаше всего с оловом). Этот материал имеет отличные литейные свойства и издревле применяется для изготовления литых изделий (украшений, посуды, пушек, колоколов и т.д.). Бронза также обладает малым коэффициентом трения и устойчивостью к износу. Из нее изготавливают вкладыши подшипников скольжения, червяки и червячные колеса, шестерни, втулки и другие детали ответственных и точных узлов и механизмов. Бронзу маркируют буквами Бр., затем ставят буквенные обозначения элементов, входящих в сплав (обозначения такие же, как для латуни). Цифры, стоящие за буквами, означают массовые доли в процентах этих элементов (обозначения такие же, как для латуни). Массовая доля меди не указывается, то есть – это все остальное. Например, обозначение Бр.ОЦ 4-3 указывает, что в бронзе содержатся (массовые доли): олово – 4 %, цинк – 3 %, медь – остальное. Бронза Бр.АЖН 10-4-4 включает в себя: алюминий – 10 %, железо – 4 %, никель – 4 %, медь – остальное. Бронза Бр.КМц 3-1 включает в себя: кремний – 3 %, марганец – 1 %, медь – остальное. Промышленность выпускает четыре группы бронз. Оловянная бронза. Поставляется в катаном состоянии (ГОСТ 5017-2006) или в литых чушках (ГОСТ 614-97). Прочность sВ ≥ 400 МПа, относительное удлинение δ = 30-45 %, модуль упругости Е = 1,1 Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде). Однофазная бронза в катаном состоянии, особенно после значительной холодной пластической деформации, имеет повышенные прочностные и упругие свойства (>40 Н/мм2). Для двухфазной бронзы характерна более высокая износостойкость. Важное преимущество двухфазных оловянных бронз – высокие литейные свойства. Бронзы обладают наиболее низким коэффициентом усадки по сравнению с другими металлами, в том числе чугунами. Применяют для изготовления литых деталей сложной формы. Но отливки из этой бронзы имеют недостаток – микропористость, т.е. они не подходят для деталей, работающих под давлением. Из-за высокой стоимости олова всё чаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком или свинцом, например, Бр.ОЦ 10-2. Из оловянных бронз изготавливают мембраны, шестерни, втулки, подшипники. Алюминиевая бронза. Эта бронза все шире заменяет оловянную бронзу. Она имеет наибольшую пластичность (δ до 60 %) и весьма хорошую прочность (sВ до 550-600 МПа). Литейные свойства этого материала хуже и коэффициент усадки больше, чем у оловянной бронзы, но алюминиевая бронза не имеют пористости. Ее используют для получения листов, штамповок и отливок, а также для изготовления лент, полос, пружин, втулок, котельной и сантехнической арматуры. Пример обозначения алюминиевой бронзы: Бр. АЖ 9-4. Кремнистая бронза. Имеет ограниченное применение: в основном для арматуры и труб, работающих в щелочных средах, морских и сточных водах. Пример обозначения: Бр. КН 1-3. Бериллиевая бронза. Обладает очень высокой прочностью (sВ до 1200 МПа), коррозионной стойкостью, электропроводностью. Все эти качества бериллиевая бронза получает после закалки и старения. Это единственный из медных сплавов, подвергающийся термообработке. Стоимость бериллиевой бронзы очень высока. Она используются для изготовления особо ответственных пружин, мембран, контактов. Пример обозначения: Бр. Б 2.
Алюминиевые сплавы Алюминиевые сплавы – это одни из самых легких конструкционных материалов, примерно в три раза легче стали. При этом они практически в три раза уступают сталям по модулю упругости (Е = 0,7·105 МПа), то есть по жесткости. Пластичность алюминиевых сплавов очень хорошая (относительное удлинение δ достигает 40 %), что позволяет их обрабатывать как в горячем, так и в холодном состоянии. Твердость и износостойкость ниже, чем у стали. Алюминиевые сплавы делят на две группы: деформируемые – позволяющие обрабатывать их прокаткой, штамповкой, прессованием, и литейные. Деформируемые сплавы Из группы деформируемых алюминиевых сплавов наиболее известны дуралюмины: классический дуралюмин Д1, дуралюмин повышенной прочности Д16, дуралюмин повышенной пластичности В65. Прочность дуралюмину придают три основных компонента: медь, магний и марганец. Для повышения механических свойств дуралюмины подвергают закалке при температуре 500-525 °С с последующим естественным старением в течение четырех суток. Деформируемые алюминиевые сплавы предназначены для изготовления листов, профилей, прутков, труб, штамповок и поковок. Применяются в авиастроительной, пищевой и химической промышленности. Литейные сплавы Эти сплавы принято маркировать двумя буквами АК. В соответствии со стандартами они делятся на пять групп: Группа 1 – сплавы на основе системы «алюминий – кремний». Эти сплавы называют силуминами. Они обладают высокими литейными свойствами, то есть хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Устойчивы к коррозии. Недостаток – невысокие механические свойства (предел прочности sв до 200-250 МПа, относительное удлинение δ = 2-3 %). Силумины используют для деталей сложной формы, не воспринимающих большие нагрузки. Группа 2 – сплавы на основе системы «алюминий – кремний – медь». Группа 3 – сплавы на основе системы «алюминий – медь». Группа 4 – сплавы на основе системы «алюминий – магний». Медь и магний придают сплавам повышенные механические свойства и коррозионную стойкость. Тем не менее, их литейные свойства хуже, чем у силуминов. Группа 5 – сплавы на основе алюминия и ряда компонентов (никеля, магния, меди, марганца, цинка, титана и др.). Химический состав и механические свойства литейных сплавов приведены в табл. 6 [2, с. 268].
Таблица 6. Химический состав и физические свойства алюминиевых сплавов
Прочность большинства литейных сплавов достигается термообработкой, например, такой как закалка при температуре (535±5) °С и последующее старение в течение 10-15 часов.
Твердые сплавы Твердые сплавы представляют собой спеченные гетерогенные материалы, состоящие из зерен высокотвердых тугоплавких соединений, сцементованных пластичным металлом – связкой. В качестве тугоплавкой фазы твердых сплавов используются карбиды вольфрама W2C, титана TiC и тантала ТаС. В качестве связки используются кобальт Со и никель Ni. Сравнительные значения механических показателей твердых сплавов и быстрорежущих сталей приведены в табл. 7, из которой видно, что твердые сплавы превосходят быстрорежущие стали по всем показателям, кроме прочности при изгибе, то есть эти материалы высокотвердые, но хрупкие. Их используют только в условиях малых механических и полного отсутствия ударных нагрузок. Шероховатость поверхности после обработки твердыми сплавами значительно ниже, чем после обработки быстрорежущими сталями. Твердые сплавы невозможно обрабатывать резанием вследствие их высокой твердости.
Таблица 7. Механические показатели твердых сплавов и быстрорежущих сталей
Твердые сплавы изготавливают прессованием и спеканием методом порошковой металлургии. Применяют в виде пластинок, припаиваемых или механически прикрепляемых к режущему инструменту, а также в виде инструментов простой формы (например, коротких сверл). В соответствии с ГОСТ 3882–74 металлокерамические твердые сплавы делятся на три группы: вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые (табл. 8). Области применения твердых сплавов для обработки резанием: Т5К10 – черновое точение, строгание и фрезерование при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, другие виды обработки углеродистых и легированных сталей преимущественно в виде поковок, штамповок и отливок по корке и окалине. Т15К6 – получерновое и чистовое точение, фрезерование, растачивание, зенкерование и развертывание углеродистых и легированных сталей. Таблица 8. Химический состав и механические свойства |
105 МПа.infopedia.su
