Сплавы на основе черных металлов

Статически нагруженные детали преимущественно изготавливают из чугуна, так как он дешевле стали. В зависимости от состояния углерода в сплаве чугуны подразделяют на белые, серые, высокопрочные и ковкие.

Белые чугуны – в них весь углерод связан с железом в виде цементита. Подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Из–за большого количества цементита эти чугуны твердые и хрупкие и для изготовления деталей машин практически не используются.

Серые чугуны - в них углерод представлен в виде пластинчатого графита. Приняты следующие марки: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 25, СЧ 35 (цифры показывают временное сопротивление при растяжении (в МПа), уменьшенное в 10 раз).

Серый чугун (состав в %: 2,8—3,5 С; 1,8—2,5 Si; 0,5—0,8 Мп; до 0,6 Р и до 0,12 S) имеет достаточно высокую прочность, высокую циклическую вязкость, легко обрабатываем и дешев. Недостатком серого чугуна является низкая ударная вязкость и хрупкость. Прочность серых чугунов обусловлена пластинчатой формой графитовых включений и прочностью металлической основы, которая носит название ферритной, перлитной, ферритно-перлитной.

Наименьшую прочность имеет ферритная структура, а наибольшую - перлитная. Из серого чугуна изготовляют детали с повышенной прочностью, работающие при высоких нагрузках или тяжелых условиях износа (станины станков, корпуса и крышки редукторов, шкивы и другие отливки).

а) — серого; б) — высокопрочного; в) — ковкого

1 — пластинчатый графит; 2 — шаровидный графит;

3 — хлопьевидный графит; 4 — феррит; 5 - перлит

Рисунок 4 - Схемы микроструктур чугуна

Высокопрочный чугун (состав в мас. %: 3,2—3,6 С; 1,6—2,9 Si; 0,4—0,9Мп; не более 0,15 Р; не более 0,02 S; не менее 0,04 Мg) обладает высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабатывается. Высокие механические свойства этих чугунов получают обработкой расплавленного чугуна магнием или церием, при которой графит принимает шаровидную форму (рисунок 4 б).

Высокопрочные чугуны имеют различную структуру металлической основы, в том числе ферритную, ферритно-перлитную, перлитную, что и обусловило их различную прочность. В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму (рисунок 4 б). Его марки ВЧ 35, ВЧ 45, ВЧ 60, ВЧ 80, ВЧ 100.

Высокопрочные чугуны эффективно заменяют сталь во многих изделиях и конструкциях. Из него получают ответственные тяжелонагруженные детали: коленчатые валы, барабаны шахтных вагонеток, шатуны и др.

В чугунах с вермикулярным графитом до 40 % графита шаровидного, а остальной в вермикулярной форме (в виде мелких тонких прожилок). Маркируют их - ЧВГ 30, ЧВГ 35, ЧВГ 40, ЧВГ 45.

По механическим свойствам эти чугуны занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Из них изготавливают (отливают) блоки, поршни, гильзы и крышки цилиндров.

В ковких чугунах (КЧ 30-6, КЧ 35-8, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 60-3 и КЧ 80- 1,5) графит имеет хлопьевидную форму. Первая цифра, как и в других чугунах, указывают уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления при растяжении (в МПа), а вторая - значение относительного удлинения в процентах. Ковкий чугун (состав в масс. %: 2,4—2,8 С; 0,8—1,4 Si; менее 1 % Мп; примерно 0,2 Р; примерно 0,1 S) по прочности превосходит серые чугуны и имеет высокую пластичность. Получают ковкий чугун при отжиге отливок из белого чугуна (в белом чугуне углерод почти полностью находится в связанном состоянии в виде Fe₃C) в течение 30—60 ч при температуре 900—1050 °С. При отжиге образуется графит в виде хлопьев (рисунок 4 в). В зависимости от условий отжига ковкий чугун может быть ферритным, ферритно-перлитным и перлитным. Из ковких чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, и способные принимать ударные и знакопеременные нагрузки (корпусов пневматического инструмента, ступиц, кронштейнов, звеньев цепей и других деталей).

Жесткие, прочные, стойкие к удару и нагреву детали изготавливают из конструкционной углеродистой или легированной стали. По назначению стали бывают конструкционные, инструментальные и специальные.

По качеству все стали подразделяют по содержанию серы и фосфора на обыкновенные (до 0,05 % S и 0,04 % Р), качественные (не более 0,04 % S и 0,035 % Р), высококачественные (не более 0,025 % S и 0,025 % Р) и особовысококачественные (не более 0,015 % S и 0,025 % Р).

Углеродистые стали (состав в масс. %: 0,12—0,6 С; 0,2—0,5 Si; 0,5-0,8Мп; до 0,05 Р и до 0,05 S) имеют более высокие механические свойства, чем серый и ковкий чугуны. Структура литой стали состоит из перлита и феррита. Чем больше в ней перлита, тем выше прочность и ниже вязкость. Углеродистые стали применяют для изготовления различных цилиндров, станин прокатных станов, зубчатых колес и других изделий. Качественная углеродистая конструкционная сталь обозначается сотыми долями процента углерода, например, сталь 35 содержит 0,35 % углерода.

Легированные стали отличаются от углеродистых составом легирующих, т. е. дополнительно добавленных элементов (хром, никель, молибден, титан и др.) или повышенным содержанием марганца и кремния. Легирующие элементы придают стали высокую коррозионную стойкость, жаропрочность и другие специальные свойства. Легированная конструкционная сталь обозначается буквенно-цифровым индексом, например, сталь марки 45ХН2А.

Цифра 45- сотые доли процента углерода, буквы - обозначение легирующих элементов Х - хром, Н - никель, цифра 2-процентное содержание элемента в легированной стали, никеля 2 %, отсутствие цифры после буквы указывает, что количество легирующего элемента (хрома) ~1 %, обозначение других легирующих элементов Г - марганец, С - кремний, В - вольфрам, Т - титан, Ю -алюминий, Д - медь, М - молибден, Ф - ванадий, Б - ниобий, Р - бор, К – кобальт. Значение буквы А в маркировке стали зависит от места ее написания.

В начале шифра она обозначает автоматную сталь, в середине шифра – количество азота в сплаве, в конце шифра - высококачественную сталь. Из легированных сталей получают турбинные лопатки, коллекторы выхлопных систем, различную арматуру и прочие подобные детали.

Инструментальные стали бывают углеродистые, обозначают от У 7 до У 13 (цифры означают десятые доли процента углерода в сплаве) и легированные, например, 9ХС, ШХ9, ШХ15 и стали карбидного класса Х12М, Х6ВФ, в том числе и быстрорежущие (рапид) Р6М5 и Р18 (цифра после Р –процентное содержание вольфрама в сплаве).