Чугуны и стали

Классификация материалов

Чугуны - железоуглеродистые сплавы, содержащие свыше 2,11% углерода (также легирующие элементы), называют. Чугун условно подразделяют на серый (марки С4), ковкий (К4) и высокопрочный (В4), хотя в ряде случаев провести между ними границу очень трудно.

По механическим свойствам чугун классифицируют: по твердости (мягкий чугун < HB 149, средней твердости НВ 197…269, твердый > НВ 269), по прочности (обыкновенной прочности σв < 200 МПа, повышенной прочности σв = 200...380 МПа, высокой прочности σв > 38 МПа), по пластичности (непластичный δ < 1%, малопластичный δ = 1…5%, пластичный δ = 5…10%, повышенной пластичности δ > 10%).

По специальным свойствам чугун подразделяют на износостойкий, антифрикционный, коррозионностойкий, жаростойкий, немагнитный.

Стали – сплавы железа с углеродом и неизбежными примесями марганца (0,3…0,7%), кремния (0,2…0,4%), фосфора (0,01…0,05%), серы (0,01…0,05%) и скрытых примесей (кислорода, водорода и азота), присутствующих в сталях в очень малых количествах. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5% углерода. Для изменения свойств стали в нее добавляются специальные примеси (легирующие элементы), в качестве которых выступают в различной пропорции: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, марганец, кремний, бор. Режимы закалки и отпуска очень сильно влияют на структуру стали в термообработанном состоянии, из-за чего свойства стали резко изменяются.

Стали подразделяются на: углеродистую (обычного качества, специального назначения, качественная), низколегированную, легированную, для холодной листовой штамповки и высадки, рессорно-пружинную, для прокатных валков, и для отливок (литейные).

Цветные металлы - алюминий, магний, цинк, медь и сплавы на их основе, которые подразделяются на деформируемые и литейные.

Труднообрабатываемые материалы, обладающие жаропрочностью, жаростойкостью, повышенной прочностью, коррозионной стойкостью в различных средах и т. п., применяются в химической, медицинской и авиационно-космической промышленности. Свое название они получили из-за того, что изготовление деталей из таких материалов связано со значительным увеличением трудоемкости обработки.

К группе труднообрабатываемых материалов обычно относят жаропрочные, коррозионностойкие стали и сплавы, а также материалы с особыми свойствами. Труднообрабатываемые материалы подразделяются по свойствам и назначению (высокопрочные и сверхпрочные, коррозионностойкие, жаропрочные, жаростойкие тугоплавкие, магнитные и немагнитные и др.), строению и основному элементу, входящему в его состав (никелевые, кобальтовые, титановые, алюминиевые, вольфрамовые и др.). Из всего этого многообразия наиболее широко применяются жаропрочные, коррозионностойкие сплавы на основе железа, никеля, кобальта и титана.

Детали, несущие высокие нагрузки, изготавливаются из серого чугуна, имеющего предел прочности на растяжение около 250…300 МПа и модуль упругости 115…135 ГПа (СЧ 21-40, СЧ 28-48, СЧ 32-52). К таким деталям относятся: кронштейны, зубчатые колеса, базовые и корпусные детали повышенной прочности и износостойкости, станины и салазки станков, шпиндельные бабки, блоки и гильзы цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, толкатели, седла клапанов, тормозные барабаны и диски сцепления; станины, крышки, фланцы, щиты электродвигателей и др.

Для изготовления деталей с пониженными требованиями (крышки, кожухи, патрубки и др.) используют серый чугун (СЧ 12-28) с пределом прочности 100…150 МПа и модулем упругости60…85 ГПа.

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом белого чугуна. По своим литейным и механическим свойствам он занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью (σв = 300…700 МПа, НВ 90…270). По разнообразию свойств, в зависимости от структуры, ковкий чугун близок к стали и в ряде случаев является полноценным ее заменителем.

По сравнению со сталью ковкий чугун обладает повышенной демпфирующей способностью и малой чувствительностью к наличию концентраторов напряжений. Структура ковкого чугуна обеспечивает высокую плотность металла. Отливки с толщиной стенки 7…8 мм выдерживают гидростатическое давление до 4 МПа, что позволяет использовать ковкий чугун для производства большого ассортимента деталей водо-, газо- и паропроводных установок.

Ковкий чугун используют в автомобиле-, тракторо-, сельхозмашиностроении и других отраслях промышленности для изготовления шестерен, муфт, храповиков, рычагов, ступиц задних мостов, коленчатых валов, деталей рулевого управления, картеров редукторов, башмаков и др.

За счет легирования и термической обработки производят чугун с особыми свойствами: чугун с шаровидным графитом(например, ВЧ 45-10), износостойкий чугун, чугун для работы в условиях абразивного износа (ИЧХ12М и др.), в условиях износа при повышенных температурах (Х28Н10 и др.), в условиях сухого трения (например, титаномедистый), антифрикционный чугун (АСЧ-1 и др.), жаростойкий (например, ЖЧХ-08, ЖЧЮ-22), коррозионностойкий (СЧЩ-1 и СЧЩ-2), жаропрочный (например, ЧН19Х3М), немагнитный (типа «номаг»).

К стали обыкновенного качества (табл. 2.1) относится строительный и конструкционный металл с содержанием углерода до 0,62%, при производстве которого обычно не предъявляется никаких требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. Низколегированная сталь (табл. 2.2) обладает по сравнению с углеродистыми сталями (табл. 2.3 и 2.4) повышенной прочностью, пониженной склонностью к старению, хорошей свариваемостью, повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью в различных газо- воздушных средах, морской воде и др. Применение легированных конструкционных сталей представлено в табл. 2.5.