Группы сталей и сплавов с особыми физическими свойствами. Их отличительные особенности и применение

Группы сталей и сплавов с особыми физическими свойствами. Их отличительные особенности и применение 

 

СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ  ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

 
Магнитные стали и сплавы. Ферромагнетизмом (способностью в значительной степени сгущать магнитные силовые линии) обладают железо, кобальт и никель. Эта способность характеризуется магнитной проницаемостью. У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость достигает десятков и сотен тысяч единиц, для других материалов она близка к единице. Магнитные свойства материала характеризуются остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Остаточной индукцией называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия внешнего магнитного поля. Размерность остаточной индукции Тл (тесла). 1Тл=1Н/(А∙м). Коэрцитивной силой Нс называют значение напряженности внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферромагнитного вещества. Размерность коэрцитивной силы А/м. Она определяет свойство ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность. 
Магнитные стали и сплавы в зависимости от коэрцитивной силы и магнитной проницаемости делят на магнитно-твердые и магнитно-мягкие. 
Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов; имеют большую коэрцитивную силу. Это высокоуглеродистые и легированные стали, специальные сплавы. Углеродистые стали (У10-У12) после закалки имеют достаточную коэрцитивную силу (Н_с=5175 А/м), но, так как они прокаливаются на небольшую глубину, их применяют для изготовления небольших магнитов. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми прокаливаются значительно глубже, поэтому из них изготовляют более крупные магниты. Магнитные свойства этих сталей такие же, как и углеродистых. Хромокобальтовые стали (например, марки ЕХ5К5) имеют более высокую коэрцитивную силу – Н_с=7166 А/м. Магнитные сплавы, например ЮНДК24 (9% А1, 13,5% Ni; 3% Си; 24% Со; остальное железо), имеют очень высокую коэрцитивную силу – Н_с=39 810 А/м, поэтому из них изготовляют магниты небольшого размера, но большой мощности. 
Магнитно-мягкие стали и сплавы. Магнитно-мягкие стали и сплавы имеют малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницаемость. К ним относят электротехническое железо и сталь, железоникелевые сплавы (пермаллои). 
Электротехническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) содержит менее 0,04% С, имеет высокую магнитную проницаемость μ=(2,78-3,58)∙10⁹ ГГн/м и применяется для сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и др. Электротехническая сталь содержит менее 0,05% С и кремний, сильно увеличивающий магнитную проницаемость. Электротехническую сталь по содержанию кремния делят на четыре группы: с 1% Si - марки Э11, Э12, Э13; с 2% Si - Э21, Э22; с 3% Si - Э31, Э32; с 4% Si - Э41-Э48. Вторая цифра (1-8) характеризует уровень электротехнических свойств. 
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80% Ni, их дополнительно легируют Сг, Si, Mo. Магнитная проницаемость этих сплавов очень высокая. Например, у пермаллоя марки 79НМ (79% Ni; 4% Mo) μ=175,15∙10⁹ ГГн/м. Применяют пермаллои в аппаратуре, работающей в слабых электромагнитных полях (телефон, радио). 
Ферриты – магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков ферромагнитной окиси железа Fe₂0₃ и окислов двухвалентных металлов (ZnO, NiO, MgO и др.). В отличие от других магнитно-мягких материалов у ферритов очень высокое удельное электросопротивление, что определяет их применение в устройствах, работающих в области высоких и сверхвысоких частот. 
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Их применяют для изготовления электронагревателей и элементов сопротивлений (резисторов) и реостатов. Сплавы для электронагревателей обладают высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. 
Указанным требованиям отвечают железохромоалюминиевые сплавы, например, марок Х13Ю4 (≤0,15% С; 12-15% Сг; 3,5-5,5% А1), 0Х23Ю5 (≤0,05% С; 21,5=23,5% Сг; 4,6-5,3% А1), и никелевые сплавы, например, марок Х15Н60 - ферронихром, содержащий 25% Fe, Х20Н80 - нихром. Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов. Сплавы выпускают в виде проволоки и ленты, применяют для бытовых приборов (сплавы Х13Ю4, Х15Н60, Х20Н80), а также для промышленных и лабораторных печей (0Х23Ю5). 
Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения. Они содержат большое количество никеля. Сплав 36Н, называемый инваром (≤0,05% С и 35-37% Ni), почти не расширяется при температурах от -60 до +100°С. Его применяют для изготовления деталей приборов, требующих постоянных размеров в интервале климатических изменений температур (детали геодезических приборов и др.). 
Сплав 29НК, называемый коваром (≤0,03% С; 28,5-29,5% Ni; 17-18% Со), имеет низкий коэффициент теплового расширения в интервале температур от -0° до +420°C. Его применяют для изготовления деталей, впаиваемых в стекло при создании вакуумноплотных спаев. 
Сплавы с заданными упругими свойствами. К таким сплавам относят сплав 40КХНМ (0,07-0,12% С; 15-17% Ni; 19-21% Сг; 6,4-7,4% Мо; 39-41% Со). Это высокопрочный с высокими упругими свойствами, немагнитный, коррозионностойкий в агрессивных средах сплав. Применяют его для изготовления заводных пружин часовых механизмов, витых цилиндрических пружин, работающих при температурах до 400°С.

 

 

 

 

 

 

В результате каких явлений образуются трещины  в отливках? Как бороться с этим видом брака?

Основные виды дефектов отливок  и причины их образования

Для успешной борьбы с  браком нужно хорошо знать причины  возникновения и способы предупреждения образования дефектов. На рис.  12.1 приведена классификация поверхностных дефектов, а на рис. 12.2 — их схематическое изображение.

Пригар

Пригар — это слой формовочных материалов, сцементированных металлом, его оксидами и различными силикатными фазами, прочно сцепленный с поверхностью отливки.

Механический пригар образуется в результате проникновения жидкого металла в поры поверхности формы.

Химический пригар —  это пригоревшая корка на поверхности  отливки, образовавшаяся в результате физико-химического взаимодействия оксидов железа с материалами  формы и ее атмосферой.

Термический пригар образуется в результате расплавления легкоплавких примесей формовочной смеси и приваривания их вместе с зернами песка к поверхности отливки.

В большинстве случаев  наблюдается комплексный пригар, т. е. химико-механический.

Основными направлениями  борьбы с пригаром являются: применение формовочных смесей, обеспечивающих восстановительную атмосферу в форме, уменьшение размеров пор, препятствующее проникновению металла и уменьшающее площадь контакта продуктов химических реакций с формовочным материалом.

Приливы

Приливами называют различные утолщения тела отливок, не соответствующие чертежу заготовки.

Заливы — это утолщения, образованные по плоскости разъема формы. Они обусловлены отклонениями размеров модельного комплекта и/или опочной оснастки, а также неудовлетворительным скреплением опок между собой. Предупредить появление этого дефекта позволяет обеспечение высокой точности используемой литейной оснастки и надежное скрепления опок.

Подутость появляется в результате статического давления жидкого металла на стенки недостаточно уплотненной формы. Такой дефект называют также распором. Его можно предотвратить, добиваясь необходимой степени уплотнения формовочной смеси.

Наростами называют утолщения, возникающие в результате разрушения поверхности формы струей жидкого металла размытого участка. Исключить размывы поможет правильный подвод металла и повышение поверхностной прочности формовочных смесей.

Просечки (или гребешки, заусенцы) появляются в результате затекания металла в трещины формы или стержня. Трещины образуются, главным образом, в результате теплового расширения форм и стержней. Устранение дефекта: использование различных средств, ускоряющих затвердевание метала, в том числе – за счет повышения теплоаккумулирующей способности формы. Например, при изготовлении стальных отливок в смесь вводят пылевидные фракции оксидов железа.

Обвалы образуются из-за разрушения части формы вследствие недостаточной прочности смеси.

Задиры, обжимы появляются в результате неудовлетворительного состояния модельно-опочной оснастки. Задиры возникают при соприкосновении между собой при сборке верхней и нижней полуформ с частичным их разрушением. Обжимы — это результат чрезмерного обжатия некоторых частей формы.

Дефекты поверхности

Песчаными засорами называют дефекты, обусловленные частичным разрушением форм и стержней.

Засоры представляют собой локализованные скопления частиц формовочных материалов, реже — частиц материалов футеровки плавильных агрегатов и шлаковых включений. Их появление чаще всего бывает вызвано несовершенством технологии либо отступлением от нее.

Небрежное хранение и  транспортировка форм, в том числе  керамических оболочек, приводит к  засорению поверхности отливок  частицами, занесенными извне. Поэтому  перед окончательной сборкой  формы обычно продувают сжатым воздухом или используют эжектор, работающий по принципу пульверизатора.

Причиной появления  песчаных засоров может быть, кроме  того, неудачная конструкция литниковой системы. Так, если струя металла  направлена не по касательной к стенкам, а перпендикулярно, форма может  разрушаться.

Появление шлаковых включений  бывает вызвано тем, что канал  литниковой системы не выполняет  одну из своих функций — удерживать вкрапления шлака. Сравнительно редко  встречаются засоры, обусловленные  разрушением футеровки плавильных агрегатов, в частности разрушением при загрузке шихты. Чтобы свести до минимума вероятность появления засоров такого происхождения, надо внимательно осматривать футеровку перед плавкой.

Таким образом, мерами профилактики песчаных засоров являются: строгое  соблюдение технологической дисциплины, аккуратная сборка форм, осмотр и очистка форм перед заливкой, рациональное конструирование литниковых систем, тщательный осмотр футеровки плавильных агрегатов.

Ужимины появляются при сырой формовке вследствие разрыва слоя формовочной смеси в зоне конденсации влаги и затекания металла в полость разрыва. Как правило, это происходит при использовании смесей повышенной влажности и на тех участках формы, которые при ее заполнении металлом находятся продолжительное время под воздействием теплового излучения зеркала жидкого металла. Избежать появления ужимин позволяют применение смесей с минимальной влажностью; прошпиливание участков формы, предрасположенных к образованию ужимин; заливка металла в сухие формы.

Спаи (иногда их называют неслитинами) — результат соприкосновения двух потоков охлажденного металла. Поверхности этих потоков из-за низкой температуры не могут слиться. К тому же эти поверхности, как правило, покрыты слоем оксидов, также мешающих слиянию потоков. Основными мерами борьбы со спаями являются: повышение температуры металла; применение формовочных материалов с относительно низкой теплоаккумулирующей способностью; сокращение времени заливки металла, в том числе за счет использования центробежного метода.

Пленами называют дефекты, образующиеся в результате окисления легко окисляющихся легирующих добавок сплава. Окисленный металл в виде плен попадает как внутрь тела отливки, так и на ее поверхность. Предупредить образование плен позволяют плавка и заливка металла в вакууме или в среде нейтральных газов, повышение температуры металла и создание в полости формы восстановительной атмосферы.

Морщинистость (складчатость) — это формирование на поверхности отливки множества беспорядочно расположенных морщин или складок. Причину возникновения дефекта усматривают в скоплении на поверхности формы большого количества углерода, выделяемого при температурном разложении углеводородов, которые входят в состав связующих материалов. Предотвратить морщинистость можно путем уменьшения органических составляющих смеси и улучшением вентиляции формы. Этому способствует также повышение температуры заливаемого металла.

Выпот на чугунных отливках образуется при затвердевании, которое сопровождается увеличением объема при выделении графита. Внутри жидкого металла, заключенного в затвердевшей корочке, возникает повышенное давление, которое «стравливается» прорывом оболочки и образованием поверхностных шарообразных включений. Этот дефект может образоваться за счет повышенного давления газов, интенсивно выделяющихся из сплава при понижении температуры.

Апельсиновая корка — дефект поверхности отливки, вид которого в определенной степени оправдывает его название. Образование дефекта связывают с отделением стенки формы отливки во время затвердевания и повторным расплавлением первоначально затвердевшей корки металла. Меры борьбы с этим дефектом аналогичны применяемым для борьбы с просечками — повышение теплоаккумулирующей способности формы.

Корольками называют дефекты отливок, образованные брызгами металла при заливке в форму. Причин разбрызгивания металла может быть несколько: неправильная конструкция литников системы, неправильное заполнение формы, чрезмерное увлажнение смеси. Образовавшийся из брызг шарик металла затвердевает и попадает на еще не заполненную металлом поверхность формы. Металл шарика может не слиться с металлом отливки.

Коробление отливки, т. е. искажение ее конфигурации, в том числе и геометрии поверхности, происходит из-за возникновения напряжений в отливке и развития необратимых деформационных изменений. Коробление предупреждается равномерным охлаждением отливки до полного остывания.

Трещины

Горячие трещины возникают в отливках в процессе затвердевания при температурах, близких к температуре солидуса, вследствие достижения усадочными напряжениями предела прочности металла. Линейная усадка металла начинает проявляться с момента образования сплошного скелета из сросшихся дендритов поверхностной корки отливки. В этот момент металл обладает очень низкими прочностными и пластическими свойствами. Напряжения, возникающие вследствие торможения линейной усадки, быстро достигают предела прочности, что и приводит к разрушению образовавшегося кристаллического скелета. Трещины носят междендритный характер, поэтому имеют неровный, рваный профиль. Поверхность горячих трещин сильно окислена. Снизить вероятность появления горячих трещин позволяют создание максимально податливой литейной формы; применение сплавов, имеющих более высокий предел прочности при температурах образования трещин; отработка конструкции отливки с точки зрения ее технологичности.

Холодные трещины образуются при температурах, лежащих ниже температуры перехода металла из области пластических деформаций в область упругих (для стали – ниже 620–650 °С, для чугуна – ниже 400–650 °С). В отличие от горячих трещин холодные трещины имеют прямолинейный профиль. В процессе их образования разрушаются как границы зерен, так и сами зерна металла. В зависимости от температуры образования поверхность холодных трещин может иметь цвета побежалости или оставаться совсем неокисленной. Холодные трещины возникают под воздействием внутренних напряжений – термических или фазовых, когда структурные превращения протекают с изменением объема. С холодными трещинами борются путем конструктивного или технологического упрочнения отливки в местах возможного возникновения трещин, а также создания условий равномерного охлаждения всех узлов отливки.

Межкристаллические (межзеренные или сеточные) трещины характерны для отливок из легированных сталей. Они возникают в стальных отливках в результате развития внутренних усадочных напряжений на границах первичных зерен аустенита. На этих границах могут выделяться фазы, достигшие предельной растворимости в аустените. Чаще всего это неметаллические включения сульфидов и нитридов алюминия. Межкристаллические трещины, как правило, образуются внутри отливки, но иногда они могут выходить и на поверхность. При изготовлении стальных отливок для предупреждения этого дефекта снижают содержание в стали серы и азота. Желательно при заливке создать восстановительную атмосферу в форме.

Газовые дефекты

Ситовидная пористость – дефект в виде множества мелких газовых включений, которые могут выходить на поверхность или располагаться в подповерхностных слоях.

Появление ситовидной пористости предупреждают путем уменьшения содержания влаги в форме, применения связующих, не содержащих азот, и создания восстановительной атмосферы в форме.

Газовые раковины – это полости в металле отливки, образованные пузырьками газа. Они возникают вследствие выделения газа из металла или материала формы. Во втором случае обычно образуются открытые газовые раковины, появление которых связано с высокой газотворной способностью формовочного материала и плохой вентиляцией формы (низкая газопроницаемость, недостаточное число вентиляционных каналов).

Вскип – местное поражение отливки газовыми раковинами в результате соприкосновения жидкого металла с участком форм, обладающим повышенной газотворностью. Предотвратить появления вскипания можно, устранив причины, способствующие образованию очагов газотворности в материале формы, и улучшив ее вентиляцию.

Изменение структуры металла

На поверхности отливок  из серого чугуна может формировать  структуру белого чугуна – отбел. Это явление бывает обусловлено повышенной скоростью охлаждения и пониженным содержанием углерода и кремния в чугуне.

В белом чугуне, наоборот, можно встретить поверхностный  слой, имеющий структуру серого чугуна – половинчатость, которая связана с повышенным содержанием углерода и кремния.

Поверхностные слои отливок из высокопрочного чугуна содержат пластинчатые графитовые включения вместо шаровидных. Это явление связывают с насыщением поверхностной пленки металла водородом и кислородом, поступающими из формы. Образующийся при этом оксид магния снижает модифицирующее воздействие магния.

Изменение химического состава

При формировании отливки в поверхностном  слое происходят процессы, в результате которых изменяется химический состав этого слоя: окисление, обезуглероживание, науглероживание, обезлегирование, насыщение  газами и продуктами взаимодействия с формой.

При изготовлении стальных отливок  окислительная атмосфера формы  за счет диоксида углерода и воды является обезуглероживающей, восстановительная атмосфера, создаваемая оксидом углерода и метаном, – науглероживающей.

Атмосфера, образующаяся при термодеструкции синтетических смол, которые используются в качестве связующих материалов, является сугубо науглероживающей. В отличие от нее газовая фаза, возникающая при заливке металла в жидкостекольные формы, является окислительной, т. е. обезуглероживающей.

Если при охлаждении поверхность  отливки отходит от стенки формы  вследствие усадки, то наряду с науглероживанием поверхности в первые моменты  затвердевания возможно обезуглероживание  за счет кислорода воздуха, попадающего  в зазор между отливкой и формой.

Обезлегирование при литье по выплавляемым моделям происходит за счет взаимодействия легирующих элементов с оксидами кремния материала формы. Глубина обезлегированного слоя зависит от материала формы, толщины стенок отливки и температуры заливаемого металла.

Обезлегирование можно в значительной степени подавить снижением содержания силикатного связующего в оболочке, использованием в качестве огнеупорной  основы материалов, не содержащих диоксида кремния, ускоренным охлаждением в  период взаимодействия отливки с формой, понижением температуры формы и металла, а также поверхностным легированием путем ввода в огнеупорную суспензию солей соответствующих элементов.

 

Внутренние дефекты

Усадочные раковины и усадочная пористость образуются в отливках в результате сокращения объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое.

Эффективных средств борьбы с рассеянной усадочной пористостью практически  нет. Этот вид внутренней несплошности металла можно заметно сократить, уменьшая размеры области затвердевания путем повышения скорости затвердевания за счет использования формовочных материалов с повышенной теплоаккумулирующей способностью.

При литье под давлением рассеянная пористость значительно меньше по сравнению  с литьем тех же сплавов в песчаные формы.

Если по каким-либо причинам усадочная  пористость недопустима, подыскивают  другой сплав, обладающий аналогичными эксплуатационными свойствами, но имеющий  меньший температурный интервал кристаллизации.

Причиной развития внутренних газовых  дефектов, как правило, является нарушение технологии выплавки и, гораздо реже, взаимодействие расплава с материалом формы. При стационарной заливке титановых сплавов взаимодействие между металлом и формой является основной причиной газовой пористости.

Ликвация – это явление химической неоднородной в различных точках отливки, обусловленное процессом кристализации.

 

 

 

 

Приведите классификацию  чугунов по структуре металлической  основы. Охарактеризуйте чугуны марок  СЧ18, КЧ33-6, КЧ60-3,  
ВЧ 40-10, АСЧ-2.

 

 

Чугуны. 
 
Чугуны — это железоуглеродистые сплавы в которых содержится более 2,14 % С. По степени эвтектичности чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14—4,3 % С), эвтектические (4,3 % С) и заэвтектические (>4,3 % С). 
 
По степени графитизации чугуны подразделяют на белый (не графитизированный), в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe_sC) или в карбидах других элементов (Cr, Mo, V, Ti и др.); отбеленный или половинчатый (частично графитизированный). 
 
Графитизированные чугуны подразделяют на серый (СЧ), высокопрочный (ВЧ) и ковкий (КЧ). Ковким (КЧ) называют чугун за его повышенную пластичность, его получают из белого чугуна путем графитизации в твердом состоянии при высокотемпературной термической обработке. 
 
По твердости чугуны классифицируют на мягкий (<НВ 149), средний (НВ 149—197), повышенной твердости. (НВ 197—269) и твердый (>НВ 269). 
 
По прочности чугуны классифицируют на обыкновенной прочности (Q_в < 200 МПа), повышенной прочности (Q_а = 200-380 МПа) и высокой прочности (Q_в > 380 МПа). 
 
По пластичности чугуны классифицируют на непластичные (б < 1 %), малопластичный (б = 1÷5 %), пластичный (б = 5÷10 %) и повышенной пластичности (б > 10 %) 
 
По эксплуатационным характеристикам чугуны подразделяют на износостойкие, антифрикционные, коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие, немагнитные. 
 
По форме графита различают чугуны с пластинчатым (СЧ), шаровидным или глобулярным (ВЧ), хлопьевидным или гнездообразным графитом (КЧ) и вермикулярным графитом (ЧВГ). 
 
По структуре металлической матрицы чугуны делятся на феррйтные, перлитные, аустенитные, белые и со смешанной структурой — перлитно-ферритные, половинчатые (перлит -j- цементит), аустенитно-мартёнеитные и др. 
 
Стандартами регламентированы не все конструкционные чугуны. Маркировку чугунов проводят по их механическим свойствам, а химический состав является факультативным показателем, кроме аустенитных и специальных чугунов. 
 
Серые чугуны маркируют только по пределу прочности на разрыв (а_в) с размерностью кгс/мм², но при указании механических свойств той или иной марки чугуна используют размерность в МПа. ГОСТ предусматривает следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 21, СЧ 24, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45. 
 
Серые чугуны нашли широкое применение в станкостроении (станины, детали станков, суппорты, бабки, люки, крышки), в двигателестроении, авто- и тракторостроении (блоки цилиндров, гильзы, головки, распределительные валы, седла клапанов, направляющие втулки, поршневые кольца, толкатели, тормозные барабаны, диски сцепления, картеры коробок скоростей и сцепления), в химическом машиностроении, электромашиностроении, при производстве компрессоров, насосов, воздуходувок, для изготовления санитарно-технических изделий. 
 
Ковкие чугуны маркируют по пределу прочности на разрыв (Q_в) с размерностью кгс/мм² и относительному удлинению (6) в процентах. ГОСТ предусматривает следующие марки ковких чугунов: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 50-5, КЧ 55-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-15. 
 
Металлическая основа ковких чугунов может быть перлитной или ферритной. Все марки чугуна получают графитизирующим отжигом белого чугуна. По своим литейным и механическим свойствам ковкие чугуны занимают промежуточное положение между чугунами и литыми сталями. Ковкие чугуны, особенно ферритные, широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (шестерни, рычаги, звенья цепей, звездочки храповики, ступицы), в авто- и тракторостроении (задние мосты, ступицы, тормозные колодки, картеры дифференциалов, детали рулевого управления, рычаги, катки, втулки), вагоно- и судостроении (кронштейны, детали тормозной системы, детали сцепки, подшипники), в электропромышленности и станкостроении, текстильном машиностроении, для изготовления санитарно-технического и строительного оборудования. 
 
Высокопрочные чугуны в соответствии с ГОСТ имеют следующие марки: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Цифра, следующая за буквами ВЧ, означает предел прочности на разрыв в кгс/мм². 
 
Высокопрочные чугуны изготовляют из низкосернистых и низкофосфористых серых чугунов путем модифицирования их или магнием, или церием, или иттрием для получения графита шаровидной формы. Высокопрочные чугуны в литом состоянии получают ферритными, перлитными, аустенитными или половинчатыми, а после дополнительной термической обработки — мартенситными или бейнитными. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом используют очень широко в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, кронштейны, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи, шатуны, тормозные барабаны, картерные детали, поршневые кольца, подвески рессор, блоки цилиндров и другие детали). В тяжелом машиностроении (шаботы молотов, детали турбин, прокатные валки), в металлургии (изложницы), в транспортном машиностроении, в сельскохозяйственном машиностроении (прицепные скобы, шестерни и звездочки, ступицы колес, диски муфт, рычаги и педали, шкивы, зубья борон, стойки корпусов плугов, опорные катки). 
 
Белые чугуны используют как износостойкие конструкционные материалы. В таких чугунах весь углерод находится в связанном состоянии с карбидообразующими элементами. Наиболее дешевым и очень эффективным карбидообразующим элементом является хром. Кроме хрома в белые чугуны часто вводят в небольших количествах другие карбидообразующие: марганец, бор, титан, ванадий, молибден. При введении 5—8 % Сг образуется карбид цементитного типа (Fe, Сг)₃С, а при содержании более 10 % Сг образуются сложные и твердые карбиды (Сг, Fe)₇C₃ и (Сг, Fe)₂₃C_e. Для придания чугуну большей вязкости, жаро- или коррозионной стойкости в его состав вводят никель и медь. 
 
Износостойкие чугуны обозначают буквами ИЧ, и они маркируются по содержанию легирующих элементов, как стали. Чугуны марок ИЧХ4Г7Д, ИЧХЗТД, 
 
ИЧХ28Н2, ИЧХ15МЗ, ИЧХ12М, ИЧХ12Г5, ИЧХ28Н2М2, ИЧХ12ГЗМ и другие применяют для изготовления лопаток дробеметных турбин, шаров и броневых плит для мельниц, элементов конструкций пневмотранспорта, деталей насосов, перекачивающих абразивную среду, деталей пескометов, лопастей шнеков и др. 
 
Антифрикционные чугуны имеют в маркировке букву А. Они предназначены для работы в узлах трения в паре с закаленными, нормализованными или без термической обработки контртелами. Антифрикционные чугуны изготовляют на основе серых, ковких и высокопрочных чугунов. 
 
Серые антифрикционные чугуны АСЧ-1 (с добавками хрома и никеля), АСЧ-2 (с добавками хрома, никеля, титана и меди) предназначены для работы с термически обработанным (закаленным, нормализованным) контртелом; чугун АСЧ-3 (с добавками титана и меди) предназначен для работы с незакаленным контртелом. 
 
Ковкий антифрикционный чугун АКЧ-1 (перлитный или перлитно-ферритный) предназначен для работы в паре с термически обработанным контртелом и чугун АКЧ-2 (перлитно-ферритный или ферритно-перлитный) — для работы в паре с незакаленным контртелом. 
 
Высокопрочный антифрикционный чугун АВЧ-1 предназначен для работы в паре с термически обработанным контртелом и чугун АВЧ-2 — для работы в паре с незакаленным контртелом. 
 
Жаростойкие чугуны — стойкие к окалинообразованию и росту. Эти чугуны выпускают с пластинчатым и шаровидным графитом с добавками хрома, кремния и алюминия и в маркировке имеют букву Ж- 
 
Хромистые чугуны ЖЧХ-0,8, ЖЧХ-1,5, ЖЧХ-2,5 применяют для элементов конструкций доменных, термических и мартеновских печей, колосников агломерационных печей, работающих при температуре до 650 °С. Высокохромистые чугуны, например ЖЧХ-30 (28—30 % Сг), применяют для изготовления горелок, фурм, колосниковых решеток, коробов для отжига, работающих при температурах до 900 °С. 
 
Кремнистые чугуны изготовляют с пластинчатым и шаровидным графитом. Детали из этих чугунов работают без повышенного окалинообразования и роста при температурах 800—900 °С. Из них отливают детали арматуры мартеновских печей, детали котлов, реторты, детали газовых турбин. 
 
Алюминиевые чугуны обладают большой окалиностойкостью и сопротивлением к окислению. Их изготовляют с пластинчатым и шаровидным графитом. Эти чугуны могут быть легированы кремнием, никелем, хромом и медью для повышения окалино- и износостойкости. Алюминиевые чугуны обладают -высокой эксплуатационной стойкостью в среде печных газов при температуре 1100— 1150 °С, в среде перегретых паров серы и сернистых газов при температуре 1000 °С. Их применяют для шлаковых фурм доменных печей, плавильных тиглей, для футеровки камер сгорания. 
 
Коррозионно-стойкие чугуны легируют хромом, никелем, медью, молибденом и кремнием. Эти чугуны стойки в щелочах, растворах соды, морской воде. Чугуны СЧЩ-1 и СЧЩ-2 применяют при изготовлении котлов для плавки каустика. Чугуны ЧНХТ, ЧН1Х/ЧД, ЧН1МШ применяют в двигателестроении для отливки поршневых колец, направляющих втулок, головок цилиндров, выпускных патрубков, поршней и гильз паровых машин, судовых дизелей, газокомпрессоров и других деталей. 
 
Высококремнистые чугуны (ферросилиды) применяют для поршневых насосов (цилиндры, поршни, клапаны, седла), для оборудования по производству концентрированных серной и азотной кислот (лопатки мешалок, фитинги, втулки, реакционные аппараты, трубопроводы). Высокохромистые сплавы обладают коррозионной стойкостью в азотной, серной, уксусной, фосфорной кислотах, в растворах солей, щелочей и морской воде. Из этих чугунов изготовляют детали насосов, реторты, конденсаторы, вентили, трубы, мешалки для химической промышленности. 
 
Жаропрочные чугуны легируют хромом и никелем, они могут иметь пластинчатую -или шаровидную формы графита; металлическая основа чаще бывает аустенитной. Чугуны ЧН19ХЗШ, ЧН11Г7Х2Ш применяют в нефтяной и химической промышленности, в газотурбиностроении для изготовления деталей компрессоров по сжижению газов, выпускных патрубков дизелей. 
 
Немагнитные коррозионно-стойкие аустенитные чугуны, аустенитная основа которых сохраняется при положительной и отрицательной температурах, получают легированием высокопрочных и серых чугунов никелем в количествах более 12 % или марганцем в количествах более 9 %. Форма графита этих чугунов может быть пластинчатая и шаровидная. Кроме никеля и марганца аустенитные чугуны легируют хромом, медью, молибденом. Для снижения стоимости чугуна никель частично заменяют марганцем. Аустенитные слабомагнитные чугуны применяют в электротехнической промышленности и приборостроении. Как жаростойкие, коррозионно- и износостойкие чугуны применяют в химическом машиностроении, двигателёстроении (седла клапанов, выпускные патрубки, гильзы цилиндров, втулки направляющие), в турбостроении, для деталей насосов, перекачивающих щелочи, кислоты, морскую воду, для деталей, работающих при тепловых ударах. 
 
Легированные чугуны 
 
В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно - стойкие легированные чугуны, 
 
Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали. 
 
Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др. 
 
Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3). 
 
Жаропрочные легированные ЧНПГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500—600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др. 
 
Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.). 
 
Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения. 
 
Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан. 
 
ГОСТ 1585-85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1 — АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регламентируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также содержатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

 

 

 

 

Что определяют линии  ликвидуса на диаграмме состояния  и как они строятся?

 

 

 

Диаграмма состояния системы железо - углерод.

Металлические сплавы —  это сложные по составу вещества на основе металлов, сохраняющие их основные свойства: высокую электро - и теплопроводность, литейные свойства, ковкость и др. Сплав может быть в жидком и твердом состоянии. В жидком состоянии существует только одна жидкая фаза, а в твердом у сплавов может быть несколько фаз в виде твердых растворов, химических соединений и механических смесей.

Твердые растворы состоят  из двух и более компонентов, в  которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке основного компонента, замещая его атомы, либо внедрясь в кристаллическую решетку.

Химические соединения могут быть в виде металлов с неметаллами (Fe3C) или металлов с металлами (CuAl2, CuNi). Они обладают конкретными физико - механическими свойствами. Например, цементит (Fe3C) имеет высокую твердость, повышенную хрупкость и низкую электропроводность.

Механические смеси состоят из нескольких компонентов, которые при затвердевании (кристаллизации) не взаимодействуют друг с другом. Каждая из фаз сохраняет свою кристаллическую решетку. Например, у сталей могут одновременно быть смеси феррита и аустенита, или перлита и цементита. Диаграммы состояния строятся на основе кривых нагрева и охлаждения. Рассмотрим сплав (рис. 1.25) медь - никель (Cu — Ni). Атомы Cu и Ni могут соединяться в любых пропорциях (0…100%), образуя твердый раствор, при этом атомы Ni могут замещать в кристаллической решетке Cu все атомы. По горизонтальной оси откладывается содержание компонентов в твердом растворе, а по вертикальной - температура. Точка 1083 ° C показывает температуру плавления меди, а точка 1452 ° C –никеля. Нижняя линия (солидус) – то граница твердого раствора. Ниже ее оба металла и смесь находятся в твердом состоянии (в кристаллическом виде). Выше верхней линии (ликвидуса) располагается область жидкого раствора обоих этих металлов и сплавов. В чечевице, очерченной нижней и верхней линиями, лежит область смеси кристаллов и более тугоплавкового металла с капельками более легкоплавкого.

В правой части рисунка 1.25 находятся кривые нагрева и охлаждения смеси (в данном случае представлена 50 % смесь) этих металлов. На основании таких кривых, полученных для различных смесей в интервале 0…100% и построена диаграмма состояний. На кривых нагрева и охлаждения видны горизонтальные линии: при разрушении кристаллов тепло подводится, но повышения температуры нет, т.к. это тепло расходуется на разрушение кристаллов; при кристаллизации, наоборот, выделяется тепло, поэтому температура сплава по времени не снижается.

Для компонентов (пример для смеси свинец –с урьма), неограниченно растворимых в жидком состоянии и совершенно нерастворимых в твердом состоянии, с образованием механической смеси (эвтектики), диаграмма представлена на рис. 1.26. 

 На первом участке  диаграммы ниже линии температур 327…243 ° C кристаллизуется свинец, а далее на участке температур 243…631 ° C — сурьма. В точке С кристаллизуется свинец и сурьма, и жидкость без промежуточных фаз переходит в твердое состояние. Эта смесь называется эвтектикой. До нее будет доэвтектический сплав (Р b + Э), а после заэвтектический сплав (Sb + Э). В точке С самая низкая температура плавления (243 ° C) сплава.

Имеется связь характера  диаграмм состояний со свойствами (электропроводность, твердость, прочность и т. д.). Так  для первой группы сплавов –т вердых растворов, с ростом концентрации компонента (например, Ni на рис. 1.25) механические свойства (твердость., прочность) увеличиваются, а для второй группы (рис. 1.26) имеется точка экстремума, т. е. сначала механические характеристики повышаются, а далее снижаются.

Структурные составляющие железо - углеродистых сплавов представлены в виде твердых растворов (рис. 1. 27) (феррит и аустенит), химического  соединения (цементит) и механических смесей (перлит, ледобурит)

Феррит это твердый  раствор внедрение углерода в a —ж елезо. Он очень мягкий и пластичный, хорошо проводит тепло и электричество, сильно магнитен. Углерода в нем  очень мало (около 0,002 %). В микроструктурах металла цементит имеет белый цвет. Углерод замещает центральный атом объемно - центрированной кубической решетки (a — железо) или вакансии кристаллической решетки.

Фазовые превращения (рис. 1.28) происходят по мере изменения температуры. При нагреве до 768° С a — железо теряет свои магнитные свойства, но кристаллическая решетка не меняется.

При 898° С – эта  решетка превращается в гранецентрированную кубическую решетку, называемую g — железом. Аустенит это твердый раствор внедрения углерода в y –железо. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержится в нем максимально до 2 %.

При 1401° С g — железо превращается в s — железо с объемно  — центрированной решеткой, существующей до температуры плавления железа (1539 ° С).

Цементит — это  химическое соединение (карбид железа Fe3C), содержащее 6,67 % углерода и имеющее  высокую твердость и хрупкость, плохо проводящее электрический  ток и тепло. Цементная сетка является светлой на микроструктурах сплава. Цементит является неустойчивым химическим соединением и при высоких температурах происходит его распад на железо и углерод:

Fe3 C ® Fe + C.

Ледебурит—это механическая смесь (эвтектика), состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3 % углерода, образуется при температурах ниже 1147° С , имеет высокую твердость и хрупкость.

Перлит – механическая смесь (эвтектоид), состоящая из тонких пластинок или зерен цементита  и феррита, образуется в результате распада аустенита при температурах ниже 727 ° С. Углерода в перлите 0,8 %.

На основе кривых (рис. 1.28) охлаждения и нагрева сплавов Fe-C строится диаграмма состояний (рис.1.29) системы железо-углерод. На ней имеются  линии: ликвидуса – АСД; солидуса - AECF. Выше линии ликвидуса металл находится в жидком состоянии, а ниже линии солидуса - в твердом (кристаллическом) состоянии. Остальные линии отражают превращения в сплавах, происходящие после затвердевания. Ниже линии солидуса, при дальнейшем снижении температуры происходят структурные изменения, т.е. перекристаллизация уже в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

 

В точке S аустенит распадается  на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цемента — перлит. Сплав в точке S — эвтектоидный, при содержании углерода меньше 0,8% доэвтектоидный, а более 0,8% — заэвтектоидный. После 0,8% происходит распад аустенита с выпаданием из него вторичного цементита.

Точка А –это температура  плавления чистого железа Fe, а  точка Д — температура плавления  цементита Fe3C. Точка Е (2,14 % С) делит  сплав на две группы: стали и  чугуны. Левее точки Е будут  стали, а правее - чугуны.

Температура плавления  стали с увеличением количества углерода С в ней снижается, а чугунов после 4,3 % — увеличивается.

Сразу после затвердевания  структура сталей состоит из аустенита, а чугунов из смесей: аустенит + ледебурит; цементит + ледебурит.

При охлаждении доэвтектоидных сталей (С < 0,8%, т.е. левее точки S) аустенит распадается, из него выделяется феррит.

В эвтектоидной точке  С будет механическая смесь кристаллов аустенита и цементита — ледебурит. Правее точки С выделяется цементит. Сплавы чугунов левее точки С  — доэвтектоидные, правее — заэвтектоидные.

Белые чугуны (белый оттенок  на изломе). с остоят из ледебурита и  цементита Они твердые, хрупкие, трудно механически обрабатываются. Используются для передела в сталь.

Если углерод в сплаве находится в свободном состоянии, т.е. в виде графита, то это серые чугуны.

Диаграмма железо — углерод  имеет большое практическое значение для инженеров. По ней можно определить температуру плавления и затвердевания  сталей и чугунов, интервалы температур при обработке сталей давлением (ковка, штамповка) и термической обработке (закалка, отпуск), т.е. она нужна металлургу, кузнецу и термисту.