Выбор марки материала

Введение

Курсовая работа «Технология получения и обработки заготовок» является обобщающей работой по дисциплине «Материаловедение». Выбранный в данной работе технологический процесс должен обеспечить высокую производительность труда, наиболее экономичное использование материалов, выбора оснастки с минимальными затратами при условии длительной эксплуатации, минимальную себестоимость готовых деталей.

Полученная в результате разработанного технологического процесса заготовка должна удовлетворять условиям, предъявляемым заданием для данной курсовой работы.

Выбор материала

Выбор марки материала

Исходя из заданных свойств материала и условий работы, деталь можно изготовить из серых чугунов марок СЧ20…СЧ40, высокопрочных чугунов марок ВЧ 35…ВЧ 50, а также большинства углеродистых сталей.

Выбор материала осуществляется на основании учёта его:

1) эксплуатационных свойств;

2) стоимости и дефицитности;

3) технологичности обработки (технологических свойств).

Условия эксплуатации детали: герметичность, умеренные нагрузки, предел прочности s_В≥200МПА, твердость 180…200НВ. Поэтому эксплуатационные свойства материала определяются в основном их механическими свойствами.

Кроме того, учитывая, что серийность детали составляет 500 шт./год, целесообразно методом получения заготовки выбрать литье в песчано-глинистые формы. Ввиду этого, материал детали должен обладать кроме заданных ранее механических свойств также еще и хорошими литейными свойствами. Т.е. он должен иметь хорошую жидкотекучесть, низкую склонность к образованию усадочных раковин, низкую флокеночувствительность.

Сравнение будет проводиться для двух материалов: серого чугуна СЧ20 и стали 20Л.

Механические свойства материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Механические свойства материалов

Марка материала	σ_В, МПа	твердость, НВ	жидкотекучесть	Флокено-чувствительность	Область применения
20Л	700	180…220	0,9	Не чувствительна	арматура, детали трубопроводов, фасонные отливки деталей общего машиностроения, изготовляемые методом выплавляемых моделей, детали, работающие под действием средних статических и динамических нагрузок.
СЧ20	800	200…250	1	Не чувствителен	станины, корпуса, кронштейны, опоры, плиты, крышки, траверсы, колосники, блоки цилиндров двигателей, головки цилиндров двигателей, рычаги и т.д.

В сравнении с СЧ20 Сталь 20Л обладает более высокой прочностью, лучше обрабатывается резанием. Но с другой стороны в качестве материала для выполнения детали, удовлетворяющему условиям задания, вполне подходит серый чугун. Так как производство серого чугуна является более экономичным по сравнению со Сталью 20Л, то целесообразно использовать именно этот материал.

Химический состав СЧ20, приведён в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав чугуна СЧ20, %

	Содержание элементов (массовая доля), %
Элемент	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr
CЧ 20	3,10–3,60	1,80–2,70	0,50–0,80	0,30–0,65	0,12–0,15	–	–	–

Обычный промышленный чугун содержит те же примеси, что и углеродистая сталь, т.е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3–0,5 до 3–5%. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре – от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).

Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья 0,08%, для более крупного, когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть, до 0,1 – 12%.

Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор – полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть. Это объясняется образованием относительно легкоплавкой тройной эвтектики, плавящейся при 950° С. В момент затвердевания эвтектика состоит из аустенита, обогащенного фосфором, цементита и фосфида железа (Fe₃P).

Твердые участки фосфидной эвтектики повышают общую твердость и износоустойчивость чугуна.

Основные литейные свойства чугуна приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные литейные свойства и твердость

Литейный сплав

Плотность,

г/см³

Линейная усадка сплава, %

Температура, °С

Твердость по Бринеллю, НВ

плавления

заливки в литейные формы

СЧ 20

7,1–7,3

0,9–1,3

1150–1260

1260–1400

200–250

Серый чугун имеет хорошие литейные свойства, так как испытывает эвтектическое превращение, хорошую жидкотекучесть l_ж.мин – 40…50 мм, малую литейную усадку (0,8…1,2%) и малую склонность к образованию усадочных дефектов.

Пластинчатые включения графита обеспечивают пониженную твердость, а соответственно, хорошую обрабатываемость резанием, так как структура получается крошащейся и давление на инструмент уменьшается, а также высокие антифрикционные свойства. Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы, при этом у серого чугуна хорошая герметичность – способность материала препятствовать проникновению частиц жидкости или газа сквозь свою кристаллическую решётку. Чугунные отливки с мелким графитом и низким содержанием фосфора при отсутствии волосяных трещин могут противостоять давлению жидкости до 100 МПа и газов до 70 МПа.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а так же относительной дешевизне серые чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для получения качественных отливок сложной формы при отсутствии жестких требований к габаритам и массе.

Диаграмма состояния сплавов системы железо-углерод приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния сплавов системы железо-углерод: А – аустенит; Г – графит; Ж – жидкий расплав

Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке. Используют отжиг для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров (560⁰ С). Структура чугуна СЧ20 – феррито-перлитная с крупнопластинчатой формой графита – приведена на рисунке 2.