Главное меню. Металлокерамические материалы называются спеченными твердыми сплавами потому, что их изготовляют из мелких порошков карбидов металлов

Спеченные твердые сплавы

Металлокерамические материалы называются спеченными твердыми сплавами потому, что их изготовляют из мелких порошков карбидов металлов вольфрама, титана и других по технологии, напоминающей изготовление деталей из керамики. Из них изготовляют пластинки для резцов, фрез, сверл и разверток. Различают три группы твердых сплавов (ГОСТ 3882—74); вольфрамовые (ВКЗ, ВКЗ-М, ВК4, ВК4-8, В Кб, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК6-В, ВК8, ВК8-В, ВК8-ВК. ВКЮ, ВКЮ-М, ВКЮ-ОМ, ВКЮ-КС, вки-в, ВКП-ВК, (ВК15, ВК20, BK20-KC, ВК20-К, ВК25; титано-вольфрамо-вые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5КЮ, Т5К12) и титано-тантало-вольфра-мовые (ТТ7К12, ТТ10К8-Б, ТТ8К6, ТТ20К9). Твердые сплавы содержат вольфрам, титан, тантал и кобальт примерно в таком процентном количестве, как значится в числе, рядом стоящем с буквенным обозначением. Так, например, сплав ВК8 содержит 92% карбида вольфрама и 8% кобальта; сплав Т15К6 содержит 15% карбида титана и 6% кобальта, а остальные 79% составляет карбид вольфрама. Твердосплавные пластинки, напаянные на режущую часть инструментов, по твердости приближаются к алмазу и применяются для обработки деталей из закаленных стальных, отбеленных чугунных и других материалов. В связи с дефицитом вольфрама производят безвольфрамовые твердые сплавы — керметы, которые обладают одновременно жаропрочностью, окалиностойкостью, коррозионной стойкостью и твердостью. Керметы — это порошковые сплавы металлов и неметаллических материалов (карбидов, окислов, нитридов, боридов силицидов и т. д.). Обычно в качестве связующего материала используют порошки никеля, кобальта, хрома и др. Кермет на алюминиевой основе САП (80% AI и 20% А1аОв) не теряет работоспособности при температуре 630° С Твердые сплавы применяют для обработки материалов резанием, оснащения горного бурового инструмента и бесстружковой обработки металлов давлением. Обозначение марок твердых сплавов, их классификация для обработки материалов резанием в соответствии с рекомендациями ИСО Р513—66 и СЭВ PC 2453—70 приведена в табл. 6 (ГОСТ 3882—74).

Наплавочные твердые сплавы

Наплавочные твердые сплавы наплавляются на упрочняемую поверхность или на режущую кромку резца электродуговым или ацети-лено-кислородным пламенем. Наплавочные сплавы делятся на литые, электродные и зернообразные. Литые твердые еплавы чрезвычайно стойки к действию коррозии и высоких температур. Они-применяются в виде прутков и круглых стержней. Технология получения прутков заключается в переплавке таких материалов, как феррохром, ферромарганец, хром, марганец, кобальт, вольфрам, древесный уголь и чугун (в нужной пропорции) в тигельной индукционной печи. Из переплавленных шихтовых материалов литьем получают прутки длинной 300—400 мм и диаметром 5—10 мм. Трущиеся поверхности деталей машин и режущие части инструментов, штампов, ножей, ножнии и г. д. наплавляют, используя прутки сплава и газосварочные горелки. Материал деталей машин и инструментов, на который наплавляют литые твердые сплавы,— это обычная углеродистая сталь. Стойкость инструментов, прошедших наплавку, повышается в 8—12 раз и более. Инструмент или детали после наплавки отжигают, обрабатывают резанием для придания необходимой формы и размеров, закаливают и отпускают. Электродными называются литые сплавы, которые используют при наплавке на рабочие поверхности деталей машин в виде специальных электродов с применением электродугового метода наплавки. Чаще всего для наплавки на рабочие поверхности ножевых органов землеройных машин, ковшей экскаваторов, щек дробилок и т. д. применяют электродные материалы марок Т-540, Т-590 и Т-620. С целью упрочнения поверхности деталей машин при грубой обработке рабочих поверхностей, например зубьев экскаваторов, бегунков, щек дробилок и землечерпалок, ножей бульдозеров, буровых долот, лопаток дымососов, а также соединительных муфт, деталей прокатных станов и т. д., применяют зернообразные сплавы. Зернообразными называются твердые сплавы, которые имеют вид мелкозернистых или порошкообразных материалов, наплавляемых на поверхности деталей. Наплавку осуществляют газовой сваркой ацетилено-кислородным пламенем или электродуговой (по методу Бенардоса угольной электрической дугой). Чаще всего как зернообразный сплав применяют сталинит, который характеризуется высокой твердостью (HRC 56—47), износостойкостью и малой стоимостью. Технология получения зернообразного сплава типа сталинит заключается в дроблении таких материалов, как феррохром, ферромарганец, нефтяной кокс или чугунная стружка, до порошкообразною состояния с размером зерна до 1 мм. Приготовляют смесь такого состава: 30% феррохрома, 18% ферромарганца, 7% нефтяного кокса, 45% чугунной стружки и прокаливают в течение 3—4 ч при температуре 400—500° С. Полученную смесь выливают на противни и после застывания измельчают в щековой дробилке. После контроля и расфасовки порошок пригоден к применению. Порошок требуемого состава насыпают на поверхность, которую наплавляют газовой горелкой или наваривают электродуговой сваркой.

Минералокерамические сплавы

Минералокерамические твердые сплавы — дешевые инструментальные материалы, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и хорошими режущими свойствами. Минералокерамические сплавы имеют повышенную хрупкость и не выдерживают изгибающих нагрузок. Так, например, спеченные твердые сплавы характеризуются пределом прочности на сжатие до 4000 МН/м2 (400 кгс/мм2) и на изгиб до 1300 МН/м2 (130 кгс/мма), а минералокерамические имеют предел прочности на сжатие 2500 МН/м2 (250 кгс/мм2) и на изгиб 300—400 МН/м2 (30—40 кгс/мм2). Минералокерамические сплавы необходимо применять в условиях работы без ударных нагрузок и вибраций. Следовательно, эти материалы нужно использовать при чистовых операциях и высоких скоростях резания. Минералокерамические пластинки изготовляют спеканием при высокой температуре порошков чистой окиси металлов или минералов с незначительным количеством примеси, из которых образуется стеклообразный белого цвета, напоминающий фарфор минерал. Минералокерамические материалы имеют следующие физико-механические свойства: твердость HRA 90—93, температурная стойкость 1300—1500° С, плотность у = (3,75 -т- 3,8). 103 кг/м3; кроме того они не окисляются, уменьшают наростообразование, усадку стружки, температуру при резании металла. Высокие физико-химические свойства минералокерамических сплавов позволяют применять их как огнеупорные, химически стойкие и электроизоляционные материалы. В настоящее время для режущих инструментов минералокерамические пластинки изготовляют из окиси алюминия А120з, применяя метод прессования и термическую обработку. Минералокерамические заводы выпускают две основные марки керамики: термокорунд ТВ и микролит ЦМ. Микролит ЦМ-322, который имеет предел прочности при изгибе 2450—3900 МН/ма (245—390 кгс/мм2), твердость HRA 92—93, температурную стойкость 1200° С, допускает скорость резания в 2 раза выше твердых сплавов. Термокорунд и микролит хрупкие, поэтому дальнейшее развитие керамики не ограничилось их применением, и в результате поисков появился кермет и оксидно-карбидная керамика. В настоящее время для изготовления режущих инструментов на некоторых заводах применяют режущую керамику ВЗ, которая характеризуется высокими режущими свойствами.

Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы разделяют на благородные, тяжелые, легкие и редкие. К благородным относятся металлы с высокой коррозионной стойкостью, как, например, золото, платина, палладий, серебро, иридий, родий, рутений и осмий. Это металлы о красивым блестящим цветом, качество которых улучшается в сплаве, поэтому их используют в виде сплавов в электротехнике, электровакуумной технике, химическом аппаратостроении, приборостроении, медицине, кинофотопромышленности, ювелирном деле, а также применяют для антикоррозионной защиты изделий. К тяжелым относятся металлы с большой плотностью, как, например, свинец, медь, цинк, никель, кобальт, марганец, сурьма, олово, хром, висмут, ртуть, мышьяк. Тяжелые металлы применяют главным образом в виде сплавов как легирующие компоненты. А такие металлы, как медь, свинец, цинк, никель, отчасти кобальт, используют в чистом виде. К легким относятся металлы с плотностью менее 5, как, например, литий, калий, натрий, рубидий, церий, кальций, магний, бериллий, алюминий и титан. Их применяют в качестве раскислителей металлов и сплавов, для легирования, в пиротехнике, фотографии, медицине и т. д., используя особые химические свойства большинства этих металлов. Практическое применение эти металлы имеют в виде сплавов. К редким относятся цветные металлы с особыми свойствами, как, например, вольфрам, молибден, тантал, ванадий, селен, теллур, индий, германий, церий, цирконий, талий и др. Используются они в виде сплавов как легирующие тугоплавкие и твердые металлы.

Медь и ее сплавы

Чистая медь обладает высокой пластичностью, электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью. Из чистой меди изготовляют электрические провода и кабели, детали приборов и электрических машин и т. д. Медь хорошо обрабатывается давлением и вытягивается в тонкие листы (фольгу) толщиной 0,05—0,06 мм и в проволоку диаметром 0,02—0,03 мм. Марки меди различаются по ГОСТ 859—78 в зависимости от чистоты. Примерно 75% меди расходуется на сплавы с другими металлами — цинком, оловом, свинцом, алюминием и т. д. Сплавы на медной основе объединяются в две основные группы — латуни и бронзы. Латунью называется сплав меди g цинком. При содержании цинка менее 20% латунь называется томпаком. Латунь обозначают буковой Л с цифрами, соответствующими процентному содержанию меди в сплаве. Если в латуни кроме меди и цинка имеются еще добавки, то после буквы Л ставят обозначения добавок, после которых следуют цифры, указывающие среднее процентное содержание компонентов латуни, а латунь получает название по введенным в нее добавкам. Например, латунь марки ЛС 59—1 обозначает: латунь свинцовистая о 59% меди, 1% свинца и 40% цинка. По технологическому признаку латуни делятся на литейные и деформируемые (обрабатываемые давлением). Для улучшения механических свойств и обрабатываемости латуни в медноцинковый сплав добавляют 2—8% железа, алюминия, никеля и других элементов. Такие латуни называются специальными., Бронзой называется сплав меди с оловом и другими элементами, кроме цинка. Различают простые (оловянистые) и специальные (безоловянистые) бронзы. Бронзы, в состав которых входит олово, являются оловянистыми. В специальных бронзах олово заменено свинцом, алюминием, железом, марганцем, кадмием, бериллием и другими элементами. В зависимости от химического состава такие бронзы называются свинцовистыми, алюминиевыми, марганцовистыми, беррилиевыми и т. д. Как и латуни, бронзы делятся на литейные и деформируемые. Принцип обозначения бронз такой же, как и латуней, лишь с той разницей, что цифры, следующие за буквами, указывают только среднее процентное содержание примесей в сплаве (остальное медь); например, БрОЦСН-3-7-5 обозначает: бронза оловянисто-цинко-свинцо-висто-никелевая, содержащая 3% олова 7% цинка, 5% свинца и 1 % никеля.

Алюминий и его сплавы

Алюминий обладает хорошей пластичностью, электро- и теплопроводностью, высокой коррозионной стойкостью в пресной воде, в атмосферных и некоторых других условиях. На воздухе поверхность алюминия покрывается тонкой пленкой окислов А120з, которая защищает от окисления нижерасположенные слои металла. Сплавы алюминия делятся на литейные и деформируемые. Наибольшее применение из литейных сплавов получил силумин и из деформируемых — дуралюмин. Силумин представляет собой сплав алюминия с 8—14% кремния. Он обладает хорошими литейными качествами и используется для отливки сложных деталей в песчаные формы, в кокиль и под давлением. Из силумина изготовляют колеса самолетов, детали электроизмерительных, судовых и других приборов. Дуралюминами называются сплавы алюминия с медью (2,25—5,2%),. магнием (0,2—1,8%) и марганцем (0,1—1,0%). Они обладают достаточно высокой прочностью, пластичностью и делятся на три группы; нормальный дуралюмин; дуралюмины с повышенной пластичностью; дуралюмины с повышенной прочностью. Из нормального дуралюмина изготовляют листы, ленты, трубы, проволоку разных профилей и т. п.; из дуралюмина с повышенной пластичностью — заклепки; дуралюмин с повышенной прочностью, так же как. и нормальный, применяют для изготовления различных полуфабрикатов, кроме штампованных деталей. Магний и его сплавы Магний обладает хорошей гибкостью, ковкостью, твердостью при небольшой вязкости, малоустойчив против коррозии, легко окисляется и горит ослепительно ярким пламенем при температуре 600° С Чистый магний применяют в пиротехнике для осветительных целей, в качестве раскирштеля, в химии — в качестве восстановителя, для приготовления термита, используемого при сварке проволоки электрической сети. Магний распространен в виде сплавов, которые в 1,5 раза легче алюминиевых, хорошо обрабатываются резанием и сравнительно прочны ав = 270 МН/м2 (27 кгс/мм2). К недостаткам следует отнести легкую окисляемость и самовозгораемость, что требует производить плавление и разливку сплавов под слоем флюсов или в вакууме. Кроме этого, сплавы обладают худшими в сравнении с алюминием коррозионными и литейными свойствами. Введение в магниевые сплавы небольшого количества бериллия, титана и других элементов улучшает их свойства. Несмотря на некоторые недостатки, в сравнении с алюминиевыми сплавами, сплавы магния широко применяют для изготовления авиационных деталей, корпусов и деталей пишущих и счетных машин, оптических приборов и т. д. Магниевые сплавы делятся на литейные (ГОСТ 2856—68) и деформируемые. Первые обозначают буквами Мл с числом от 2 до 15, а вторые — MA g цифрами от 1 до 5.

Антифрикционные сплавы

Антифрикционные (подшипниковые) сплавы — это материалы, которые применяют в качестве вкладышей подшипников трения. Они должны иметь низкий коэффициент трения; неоднородную структуру, способствующую задержанию смазки, прочность на сжатие и на истирание; пластичность, достаточную для хорошей прирабатываемости трущихся поверхностей, и одновременно необходимую твердость, не вызывающую сильного истирания, но достаточную, чтобы не вызывать деформирования. Наилучшими антифрикционными сплавами являются баббиты — сплавы на оловянной или свинцовой основе, которые применяют для заливки подшипников и вкладышей подшипников. Баббиты делятся на три группы: оловянные, содержащие олова не менее чем 72%; оловянно-свинцовые g содержанием олова 5—17% и свинца 64—72%; безоловянные (свинцовые), содержащие не менее 80% свинца. Баббиты обозначаются буквой Б с числом, указывающим содержание олова в сплаве. Так, баббит Б83 состоит из 83% олова, 10—12% сурьмы и 5,5—-6,5% меди. Он предназначен для заливки подшипников паровых турбин, турбокомпрессоров, дизелей, мощных автомобильных и авиационных двигателей. К оловянно-свинцовым относится баббит Б 16, имеющий в своем составе 15—17% олова, 15—17% сурьмы, 1,5—2% меди и остальное — свинец. Данный сплав служит для заливки подшипников паровых турбин, электродвигателей, прокатных станов, дробилок и т. п. К безоловянным относится кальциевый баббит сплав со свинцовой основой и небольшими примесями кальция (0,75—1,1%) и натрия (0,65—0,95%), применяющийся для заливки подшипников железнодорожных вагонов. В зависимости от условий работы машины, скоростной характеристики и температурного режима работы применяют антифрикционные сплавы на алюминиевой, медной, цинковой и других основах, антифрикционные чугуны, пористые металлокерамические сплавы, пластмассы, пластифицированную древесину и др. Алюминиевый антифрикционный сплав применяют как заменитель баббита Б16 и оловянных бронз. Иногда эти сплавы являются более пригодными для работы, так как они имеют высокий предел прочности на усталость и высокий коэффициент линейного расширения. Последнее качество является недостатком для работы, где необходима точность. Широкое применение имеет сплав, состоящий из 7,5—9,5% меди и 1,5—2,5% кремния. Применяют также сплавы в никелем и медью; обычно сплав состоит из 2,5% никеля и 8% меди. Антифрикционные сйлавы на медной основе бывают трех видов: оловянные, свинцовые и специальные. Их применяют для изготовления подшипников машин, работающих в более тяжелых условиях, при высоких удельных давлениях, скоростях скольжения и температурных режимах. Особый интерес представляют свинцовые бронзы следующего состава: 30—60% свинца, 40—70% меди и в некоторых

Рис. 7. Вкладыши подшипников: / — фиксирующие усики; 2 — антифрикционный сплав марках 2,5% никеля. При невысоком удельном давлении и скорости можно применять сплавы на цинковой, железной и других основах. Вкладыши подшипников заливают баббитом и затем растачивают по размеру шипа или шейки, оставляя слой баббита толщиной 1—3 мм. В легких транспортных двигателях внутреннего сгорания используют тонкостенные вкладыши (рис. 7), выштампованные из стальной ленты. Рабочую поверхность покрывают тонким слоем антифрикционного сплава толщиной до 1 мм. Обычно для тонкостенных вкладышей применяют биметаллическую ленту: сталь — баббит, сталь — свинцовая бронза и т. д.

Диаграмма состояния железо-углерод

На диаграмме состояния железо — углерод показано все разнообразие превращений, происходящих в сплавах от чистого железа до цементита, содержащего 6,67% углерода, при температурах от комнатной до температуры плавления железа и цементита. Цементит?езС — химическое соединение железа с углеродом, которое образуется при кристаллизации сплава, содержащего 93,33% Fe и 6,67% С. Диаграмма имеет большое практическое применение при термической обработке и обработке металлов давлением. На упрощенной диаграмме (рис. 5) по оси ординат отложены температуры, а по оси абсцисс — процентное содержание углерода в сплаве железо — углерод. Диаграмма ограничена левой и правой ординатами, на которых имеются следующие критические точки: А — соответствует температуре 1539° С, G — 911° С (левая ордината соответствует 100%-ному содержанию железа), D — 1600° С, F— 1147°С, К = 727° С (правая ордината соответствует 100%-ному содержанию Fe3C). Содержание углерода в сплаве 6,67% принимается предельным по таким соображениям: сплавы с большим содержанием углерода в промышленности применения не имеют, а указанное содержание углерода в сплаве соответствует образованию цементита.

Критические точки на диаграмме: Р — отвечает температуре 727°С с содержанием углерода 0,0025%, 5 — 727° С с содержанием углерода 0,8%; Е — 1147° С с содержанием углерода 2,14%; С — 1147°С с содержанием углерода 4,3%: К—727° С с содержанием углерода 6,67% и F — 1147° С с содержанием углерода 6,67%. Область диаграммы влево от вертикальной линии, отвечающей содержанию углерода, равному 2,14%, характеризует стали, а вправо — чугун. В верхней части диаграммы имеется линия Л CD, соответствующая температурам, выше которых сплавы с любым содержанием углерода (от 0 до 6,67%) находятся в жидком состоянии. Эта же линия соответствует температурам начала затвердевания жидких сплавов. Линия ACD является линией ликвидус, а линия AECF — солидус. Линии GSE и PSK диаграммы — области затвердевающего сплава — объясняют происходящие изменения структуры в системе сплава в твердом состоянии. В процессе охлаждения в сплавах происходят внутренние преобразования, при которых изменяется структура сплава. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в металлографии имеют особые названия и обладают характерными свойствами. К их числу относятся феррит, графит, цементит, аустенит, перлит и ледебурит. Феррит (чистое железо) обладает небольшой прочностью, невысокой твердостью (НВ 80—100), сравнительно небольшой вязкостью и до температуры 768° С магнитными свойствами. Графит — одно из видоизменений углерода. Углерод в виде тончайших пластинок графита выделяется при медленном охлаждении чугуна (так называемый серый чугун). Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом РезС и иначе называется карбидом железа. Цементит обладает весьма высокой твердостью (около НВ 800), очень хрупкий и содержит по массе 6,67% углерода. Таким образом, предельное содержание углерода, принятое при построении диаграммы, соответствует цементиту. Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в железе, образующийся при содержании углерода в сплаве до 2,14%. В стали аустенит существует только при высокой температуре (свыше 727° С). При медленном охлаждении сплава аустенит распадается на феррит и цементит. При быстром охлаждении аустенит не успевает распасться. Частичный распад аустенита дает промежуточные структуры сплава — мартенсит, троостит и сорбит. Эти промежуточные структуры представляют наибольший интерес при рассмотрении термической обработки. Перлит образуется при распадении аустенита, содержащего 0,8% углерода. Структура перлита имеет вид перемешанных очень мелких светлых и темных частичек в виде пластинок или зерен; в соответствии с этим первый называется пластинчатым, а второй — зернистым. Темные частички являются ферритом, а светлые — цементитом. Перлит обладает достаточно высокой вязкостью и невысокой твердостью (около НВ 200). Ледебурит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита лри содержании углерода в сплаве 4,3%. Такую смесь называют эвтектикой. Ледебурит обладает высокой твердостью и хрупкостью (так называемый белый чугун). Температура плавления сплава по мере увеличения содержания углерода понижается (линия АС), достигая наименьшего значения в точке Су соответствующей 1147° С; для сплава с содержанием углерода 4,3% при дальнейшем увеличении содержания углерода повышается (линия CD), достигая 1600° С при содержании углерода 6,67% (см. рис. 5). Линия AECF соответствует температурам конца затвердевания жидкого сплава. Если сплав содержит углерода меньше 4,3%, затвердевание его происходит в интервале температур между линиями АС и АЕСУ при этом из сплава выделяются кристаллы твердого раствора аустени-та. Если в сплаве содержание углерода больше 4,3%, то он затвердевает между линиями CD и CF, при этом выделяются кристаллы цементита. Ниже линии AECF все сплавы находятся в твердом состоянии в виде стали или чугуна. При дальнейшем охлаждении стали аустенит начинает распадаться, выделяя феррит или цементит, в зависимости от содержания углерода. Начало распада аустенита происходит в зависимости от содержания углерода при температурах, соответствующих линии GSE, и закапчивается при одной и той же температуре (727° С) для всех сплавов независимо от содержания углерода, что показано на диаграмме прямой РК- Линия PSK называется эвтектоидной, ниже ее превращения в сплавах не происходят. При содержании в стали углерода 0,8% аустенит в точке S преобразуется в перлит. В соответствии с этим сталь такого класса называется перлитной или эвтектоид-ной, а точка называется эвтектоидной. При содержании углерода менее 0,8% в области между линиями GS -и PS из аустенита будет выделяться феррит до тех пор, пока концентрация углерода не достигнет 0,8%, после чего оставшийся аустенит перейдет в перлит при температуре 727° С. Таким образом? структура стали, содержащей углерода менее 0,8%, будет состоять из механической смеси феррита с перлитом.Если содержание углерода в аустените больше 0,8%, то в области между линиями SE и SK из аустенита будет выделяться цементит, в связи с чем процентное содержание углерода в аустените будет уменьшаться, и когда оно достигнет 0,8%, аустенит при температуре 727° С перейдет в перлит. Структура такой стали будет состоять из цементита и перлита. Сталь при достаточно медленном охлаждении может иметь одну из трех структур, зависящих от содержания в ней углерода: при содержании углерода до 0,8% структура стали представляет собой механическую смесь феррита и перлита; при содержании углерода 0,8% структура стали — перлит; при содержании углерода более 0,8% структура стали представляет смесь цементита с перлитом. Однако такие структуры сталь преобретает лишь в случае медленного охлаждения. Если же сталь, нагретую выше линии GSE> охладить с достаточно большой скоростью, то распад аустенита не успевает произойти и в зависимости от скорости охлаждения сталь приобретает промежуточную структуру, не соответствующую диаграмме. Это свойство стали используют при термической обработке.

Характеристика и классификация чугуна

Чугуном называется сплав железа, углерода, кремния, марганца и других веществ, содержащих 2,14—4,5% углерода. Чугун классифицируется в зависимости от химического состава, назначения, структуры и технологии получения. Углерод, входящий в состав чугуна, может находиться в свободном состоянии в виде отдельных частиц графита, вкрапленных между зернами железа, и в химически связанном состоянии — в виде карбида железа РезС (цементита). В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в чугуне, различают серый, белый, высокопрочный и ковкий чугун. Если чугун заливают в песчаные формы, то его структура приобретает вид серого чугуна, а при быстром охлаждении (литье в металлические формы), при уменьшенном содержании кремния или повышенном содержании марганца получается структура белого чугуна. Белый чугун специальной обработкой можно превратить в ковкий. Разновидностью белого чугуна является отбеленный чугун, который образуется при быстром охлаждении отливки. Отливки из такого чугуна (валки прокатных станов, вагонные колеса) имеют весьма твердый поверхностный слой с мягкой основной массой, т. е. структура белого чугуна постепенно переходит в серый. Чугуны, содержащие легирующие примеси (никель, молибден, хром, ванадий, алюминий, титан и др.) или обычные примеси (кремний, марганец), но с повышенным их процентным содержанием, называются легированными. Легирующие составляющие вводят в состав чугуна для получения отливок со специальными свойствами, например повышенной прочностью, ударной вязкостью, электросопротивлением, кислотостойкостью и т. д.

Маркировка и влияние структуры на механические свойства чугуна

Отливки из серого чугуна маркируют буквами СЧ и двумя двузначными числами, соединенными между собой дефисом; буквы обозначают серый чугун; первое число — предел прочности при растяжении в Н/м2 (кгс/мм2), а второе —предел прочности при изгибе в Н/м2 (кгс/мм2). Так, например, марка СЧ28-48 расшифровывается: серый чугун с прочностью при растяжении не менее 280 МН/м2 (28 кгс/мм2) и пределом прочности при изгибе не менее 480МН/м2 (48 кс/гмм2). По ГОСТ 1412—70 установлены следующие марки серого чугуна: СЧ00, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21—40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56, СЧ40-60, СЧ44-64. Применение необходимой марки определяется механическими свойствами. Механические свойства отливок из серого чугуна приведены в табл. 1.

По механическим свойствам серые чугуны делят на три основные группы: малой прочности (СЧОО — СЧ18-36), повышенной прочности (СЧ21-40— СЧ44-64), высокой прочности (чугуны, прошедшие специальную обработку магнием, имеющие высокую прочность и пластичность — ВЧ38-12, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4, ВЧ120-4 (ГОСТ 7293—70). Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун, первое число — предел прочности на разрыв в Н/м2 (кгс/мм2), а второе — относительное удлинение в процентах.

Высокопрочный чугун и способы повышения прочности чугуна

Высокопрочный чугун получают введением в жидкий серый чугун чистого магния или сплава его с никелем, медью, алюминием или кремнием. Количество вводимого магния равно 0,3—1% массы расплавленного металла. Если кроме магния в чугун вводят также и ферросилиций (0,6—2,2% массы металла), то его качество еще более улучшается. Применением термической обработки можно улучшить механические свойства чугунов. Модифицированием чугуна можно регулировать размеры и форму графитовых включений, изменяя физико-механические и технологические свойства чугуна. В качестве модификатора вводят присадки ферросилиция, силикокальция, церия и другие в дозах до 0,8%. Модифицированный чугун можно применять вместо ковкого чугуна, стали и цветных металлов. Существует много способов повышения прочности чугуна: легирование специальными примесями (никелем, хромом, молибденом и т. д.), термическая обработка отливок и др.

Ковкий чугун и его свойства

Ковкий чугун напоминает серый и отличается высокой вязкостью и структурой; он имеет ферритную или перлитную механическую основу и графитные включения округленной или розетковой формы. Тех нология изготовления отливок из ковкого чугуна заключается в отжиге белого чугуна с содержанием кремния 0,5—1,2%, марганца не более 0,5—0,6% и углерода 2,1—3,1% Обязательными характеристиками ковких чугунов является предел прочности и относительное удлинение, по которым маркируют ковкие чугуны. Так, например, марка КЧ37-12 расшифровывается следующим образом: ковкий чугун, предел прочности при растяжении ав = = 370 МН/м2 (37кгс/мм2), относительное удлинение б = 12%. По ГОСТ 1215—59 ковкие чугуны делятся на две группы: перлитные и ферритные. Перлитный ковкий чугун марок КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2 получают длительным отжигом. В результате этого уменьшается содержание углерода в поверхностных слоях, так как в процессе отжига цементит в поверхностных слоях распадается на феррит и графит и имеет почти чистый феррит, который переходит в ферритно-перлитную и частично перлитную структуры. Структура металлической основы — перлит и 0—20% феррита, поэтому такой чугун получил название перлитного. Детали, полученные из таких чугунов, имеют повышенную прочность, твердость и износостойкость. Если структура металлической основы ковкого чугуна феррит и 3—10% перлита, го его называют ферритным. Этот чугун изготовляют марок КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12. Он отличается умеренной прочностью и большей вязкостью по сравнению с перлитным чугуном. Отливки, изготовленные из этого чугуна, можно править, поэтому их применяют как заменители стали при изготовлении деталей сельскохозяйственных машин, частей вагонов и т. д. Ковкий чугун имеет различную структуру по сечению, поэтому толщина изготовляемых из него деталей не превышает 10—12 мм. Перлитные чугуны обрабатываются хуже, чем ферритные, поверхность деталей получается шероховатой. Ковкий чугун имеет поверхность с повышенной износостойкостью, поэтому на деталях из таких чугунов можно получить качественную поверхность резьбы. Возможность нарезания на чугунных деталях резьбы позволяет использовать чугун для изготовления фитингов трубных соединений, тонкостенных деталей текстильных машин и т. д. Ковкий чугун, прошедший нормализацию, применяют как заменитель антифрикционных материалов.

Характеристика и классификация стали

Сталь можно ковать, прокатывать и отливать. Она имеет высокие механические характеристики, ее можно обрабатывать резанием, закаливать и т. д. В сравнении с чугуном сталь менее жидкотекучий и легкоплавкий металл, но вследствие высоких конструкционных качеств, благоприятного сочетания механических и технологических свойств широко применяется как основной конструкционный металл в машино- и приборостроении. Сталь выплавляют из жидкого чугуна в конверторах (бессемеровский, томасовский и кислородно-конверторный способы) или переплавляют в пламенных (мартеновский способ) и электрических печах. Бессемеровский способ основан на продувке жидкого чугуна, находящегося в конверторе (реторте) с динасовой (кислой) кладкой, холодным воздухом. Из чугуна при продувке через днище конвертора выгорает углерод, кремний, марганец, сера и фосфор, вследствие чего чугун превращается в сталь. Если конвертор имеет кладку (футеровку) из доломита (основную) и для плавки добавляют известь, способ называют томасовским. Кислородно-конверторный способ заключается в продувке чугуна технически чистым кислородом. Мартеновский способ—это процесс получения стали из чугуна и.железного лома переплавкой их на поду мартеновской печи. Переплавка металлов в печах, нагреваемых электрическим током, называется электрической плавкой. Основными классификационными признаками стали являются способ производства, химический состав, назначение, качество, форма и размеры заготовок.

Влияние элементов, входящих в сталь, на ее свойства

Углерод оказывает влияние на механические свойства отливок. Большинство сталей имеет содержание углерода не более 0,5%. Углерод благоприятно влияет на жидкотекучесть стали. Повышение содержания углерода снижает образование трещин, газовых раковин и неметаллических включений, уменьшает пригар, снижает образование литейных напряжений и зональной ликвации. Марганец при определенном соотношении ликвидирует вредное действие серы, увеличивает усадку, что может повлечь за собой образование горячих усадочных трещин, увеличивает жидкотекучесть и износостойкость. Кремний при содержании более 0,5% легирует сталь, уменьшает теплопроводность, что приводит к увеличению объема усадочных раковин, термических повреждений, трещин, газовых раковин и неметаллических включений. В низкоуглеродистых сталях кремний повышает пластичность и вязкость, а высокоуглеродистая кремнистая сталь имеет повышенные прочностные свойства и пониженную пластичность. Отливки из этих сталей хорошо сопротивляются пластическим деформациям и износу; их применяют для бегунов кранов, деталей, работающих в абразивных средах и в условиях коррозионного действия кислот (за исключением соляной и фтористоводородной). Фосфор снижает пластичность, вызывает хладноломкость, способствует ликвации в отливках с толщиной стенок более 100 мм. Сера —вредня примесь, которая вызывает красноломкость, горячие трещины и значительно ухудшает другие свойства отливок. Однако небольшое количество серы (до 0,3%) улучшает обрабытываемость резанием, например, автоматной стали марок А12, А20 и т. д. Никель легирует металл, увеличивает его прокатываемость, повышает предел текучести и предел прочности (второй больше первого), уменьшает чувствительность к перегреву, повышает коррозионную стойкость, влияет на магнитные свойства (что зависит от процентного содержания), ухудшает литейные свойства, ускоряет затвердевание отливок, уменьшает теплопроводность, что ведет к образованию больших усадочных раковин и увеличению термических напряжений. Хром легирует сталь, увеличивает прокаливаемость, способствует получению равномерной твердости по всему сечению, повышает сопротивление пластическим деформациям и понижает пластичность, повышает износостойкость, делает сталь коррозионно-стойкой, а при большом содержании — жаропрочной. Главным недостатком хромистой стали при использовании ее для отливок является высокая вязкость, склонность к крупнокристальному строению, перегреву, что ведет к появлению усадочных раковин и трещин. Молибден повышает отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении, повышает прокаливаемость, понижает отпускную хрупкость и повышает сопротивление ползучести, несколько понижает жаропрочность. Ванадий способствует образованию мелкозернистой структуры, повышает прочность и вязкость, а при температуре ниже 0° С — ударную вязкость. Вольфрам повышает свойства инструментов, но дает усадочные раковины.

Конструкционные стали

Конструкционная сталь бывает углеродистой и легированной. Она служит для изготовления различных сооружений и инженерных конструкций, деталей машин, станков, крепежных и других изделий. Их делят на стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) и стали качественные машиностроительные (ГОСТ 1050—74). В табл. 2 приведены марки углеродистых конструкционных сталей, Сталь группы А поставляют по механическим свойствам и маркируют буквами Ст с рядом стоящими цифрами от 0 до 6. Чем больше цифра, тем больший процент углерода в стали, тем она тверже и прочнее с соответствующим снижением пластичности. Например, сталь марки Стб содержит около 0,56% углерода с пределом прочности на растяжение 600 МН/м2 (60 кгс/мм2).и более. Обозначение «кп» свидетельствует о том, что во время разливки сталь была кипящей. Сталь группы Б поставляют по химическому составу, а группы В — по механическим свойствам и химическому составу. Буквы, стоящие перед маркой, обозначают группу стали.

Стали обыкновенного качества идут для изготовления сортового и листового проката, гвоздей, заклепок, болтов, труб, неответственных конструкций и т. д. Сталь качественная <од ржит не более 0,8% марганца. Двузначное число обозначает количество углерода в сотых долях процента, следовательно, сталь может содержать от 0,05 до 0,9% С. Сталь может содержать повышенное количество марганца. Содержание марганца в марке обозначается буквой Г, что означает содержание марганца около 1 %, а если после буквы Г следует цифра 2, то содержание марганца около 2%. Углеродистые качественные стали идут на изготовление балок, осей, рельсов, деталей машин, механизмов и т. д.

Основные свойства легированных сталей и сталей со специальными свойствами

Легированные стали обладают особыми свойствами. Так, например, если к стали добавить легирующие примеси, то ее называют легированной и она приобретает новые ценные качества: повышается прочность, твердость, вязкость и др. К легированным сталям со специальными

свойствами относятся магнитная, коррозионно-стойкая, кислотостойкая, жаропрочная, окалиностойкая, износостойкая, с особым тепловым расширением и электросопротивлением и т. д. Химический состав легированных сталей является основой для их маркировки буквенно-цифровой системой. Буквами обозначают4 легирующие элементы. Если их более 1%, то после буквы ставят число, которое обозначает процентное содержание его в стали. ГОСТ 4543-71 приняты следующие буквенные обозначения: X — хром, Н — никель, Г — марганец, С — кремний, Т — титан, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, Ю—алюминий, Д — медь, К — кобальт, Р — бор. Если в конце названия марки стоит буква А, то это означает, что сталь высококачественная, содержащая наименьшее количество вредных примесей. Кроме того, высоколегированные стали обозначают буквами, которые ставят впереди, например: Ш — шарокоподшипниковая сталь, Е — магнитная, Э — электротехническая, Р — быстрорежущая. В табл. 3 дана основная характеристика легированных конструкционных сталей. Число, стоящее впереди марки конструкционной стали, обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента. За цифрами стоят буквы условных наименований легирующих элементов и числа, обозначающие процентное содержание их в стали.

Инструментальные стали

Инструментальная сталь предназначена для изготовления разнообразного инструмента: режущего, измерительного, штампового и специального. По химическому составу инструментальную сталь делят на углеродистую и легированную. Инструментальной углеродистой сталью обычно называют сталь, содержащую 0,65—1,35% углерода. Углеродистую сталь с большим содержанием углерода не применяют, так как она чрезмерно хрупка. Углеродистую инструментальную сталь выплавляют в мартеновских и электрических печах. Эти стали делят на две группы (ГОСТ 1435—74): качественные и высококачественные.

Качественную сталь маркируют буквой У с последующей цифрой от 7 до 13. Буква свидетельствует, что сталь углеродистая инструментальная, а цифра определяет примерное содержание в ней углерода в десятых долях процента. Например, марка У9 — углеродистая инструментальная сталь с примерным содержанием углерода 0,9%. Если в марке стали в конце стоит буква А, то это высококачественная инструментальная сталь второй группы, например У7А. Высококачественная сталь по сравнению с качественной содержит меньше марганца и вредных примесей (серы до 0,02%, фосфора до 0,03%). Буква Г в названии марки (У8Г, У8ГА и т. д.) свидетельствуете повышенном содержании марганца в стали. Недостатком углеродистых инструментальных сталей является то, что они обладают высоким коэффициентом теплового расширения, низкой коррозионной стойкостью в агрессивных средах и при высоких температурах, пониженными прочностными свойствами при повышенных температурах и чувствительностью к перегреву. Поэтому инструменты из этих сталей применяют при резании с небольшими скоростями. Особенно плохо такие инструменты работают при высокой температуре, когда понижается стойкость и твердость его материала. Легированные стали (табл. 4) имеют повышенные механические свойства и стойко работают в сложных условиях. Цифры в марке стали обозначают примерный состав (в процентах) входящих компонентов. Первая цифра слева от буквы определяет содержание углерода в десятых долях процента, если содержание углерода менее 1 %. Цифры справа от буквы указывают среднее содержание легирующего элемента в процентах. К высококачественным инструментальным материалам относятся быстророрежущие стали (табл. 5). Эти стали используют для изготовления фасонных, резьбовых и отрезных резцов, фрез, зуборезного инструмента, протяжек и других инструментов. По режущим свойствам быстрорежущие стали делят на стали нормальной и повышенной производительности. К первым относятся вольфрамовые (Р18, Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6МЗ, Р6М5), сохраняющие твердость не ниже HRC58 до температуры 620° С. К сталям повышенной производительности относятся Р18Ф2, Р14Ф4, Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9КЮ, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2, содержащие кобальт или повышенное количество ванадия и сохраняющие твердость HRC 64 до температуры 630—640° С.