Углеродистые конструкционные стали

Углеродистые стали выплавляют мартеновским, бессемеровским и конверторным способами. Предусматривается 2 класса углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-90) и качественные (ГОСТ 1050-90). В зависимости от условий раскислений стали делятся на 3 группы. Спокойные (сп), получаемые раскислением Al, FeSi, FeMn, полуспокойные и «кипящие». Поулспокойные, раскисляемые Mn и Al. Спокойные стали содержат минимальное количество закиси железа и это обеспечивает «спокойное застывание металла в изложнице происходящие с уменьшением объема и образованием концентрированной усадочной раковиной, удаляемой отрезкой перед прокаткой. Слиток плотный и однородный по составу.

В слитках «кипящей» стали отсутствует усадочная раковина и имеется большое количество газовых пузырей. «Кипящие» стали по сравнению со спокойной большей склонностью к старению и хладноломкостью и хуже свариваются. Кипящие стали содержат мало С (до 0,02 %) и хорошо поддаются вытяжке в холодном состоянии. Стали обыкновенного качества. К этой группе относятся стали содержащие до 0,6 % С, содержащие серы до 0,06 и фосфора до 0,08 %. Они применяются для изготовления неответственных деталей, уголков, листов, труб, строительных сварных, клепанных и болтовых конструкций и для малоответственных деталей машин (оси, валы, шестерни, пальцы и т. д.). Это наиболее дешевые стали. В зависимости от назначения и гарантируемых свойств стали обыкновенного качества делятся на 3 группы: А, Б, В.

ГРУППА А - стали, поставляемые по механическим свойствам без гарантированного химического свойства Ст. 1,2,3...7. Чем больше номер, тем больше С, ниже d, j. Стали используют в состоянии поставки без термической обработки и обработки горячим давлением.

ГРУППА Б - стали обыкновенного качества, поставляемые с гарантированным химическим составом. Они обозначаются М - мартеновская, Б - бессемеровская, К- конверторная. Чем больше цифра, тем выше содержание углерода в стали.

ГРУППА В - стали повышенного качества с гарантируемым химическим составом и механическими свойствами

ВМ Ст. 1.

Стали групп Б и В применяют, когда стальные детали подвергаются горячей деформации или обработкой давлением, конструкции - из спокойных и полуспокойных сталей групп В и Б.

Кипящие стали резко охрупчиваются при работе при минусовых температурах, поэтому для северного исполнения необходимо применять спокойную сталь. Стали повышенного качества (гр. В) имеют специализированное назначение (мостостроение, судостроение, с/х машиностроение) и поступают часто по особым техническим условиям.

Например для мостостроения в виде широких полос, фасонного и сортового профиля применяются 2 марки - М/вс (С - 0,2%) для сварных мостовых конструкций и Ст. 3,10,14 0,22%) для мостовых конструкций.

Качественные машиностроительные углеродистые стали ГОСТ 1050-90. Эти стали выплавляют вы мартеновских или электропечах. Стали эти в отличие от сталей обыкновенного качества выплавляются с соблюдением строгих условий в отношении состава шихты, условий ведения плавки и разливки.

В этих сталях ограниченно содержание серы ( 0,04 %) и фосфора (0,035-0,4%), количество неметаллических включений макро и микроструктура. Качественные углеродистые стали маркируются цифрами 0,8, 10, 15,20, 85 (среднее содержание углерода в сотых долях процента). Малоуглеродистые стали 0,8, 0,8 итого 10 обладают низкой прочностью и высокой пластичностью (d 6-30%, j 31-35%, s 550-600 МПа) Эти стали без термической обработки применяются для малонагруженных деталей (шайбы, канаты тракторов, узды элементов сварных конструкций и т. д.). Для холодноштамповочных деталей применяют холодно катанные кипящие стали 0,8п, 10п,15п. Стали 15, 20, 25 применяются без термической обработки или после нормализации. Они поступают в виде проката, полос, труб, листов, ленты, проволоки и предназначаются для изготовления неответственных деталей, хорошо свариваются. Применяются также для изготовления цементуемых деталей не испытывающих высоких нагрузок (кулачковые вилки, рычаги, оси, пальцы рессор).

Стали среднеуглеродистые 30, 35, 40, 45, 50 применяются после объемной термической обработки и поверхностного упрочнения (коленчатые, распределительные валы, шестерни, штоки). Стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью - шайбы, прокатные валки, шпиндели.

Стали марок 10, 15, 20, 25, 35, 40, 45, 50 применяют в виде тянутой калиброванной стали точных размеров.

Автоматные стали. Эти стали имеют повышенное содержание серы (0,15-0,3) и фосфора (0,05-0,15), что обуславливает хорошую обработку резанием. Тали маркируются А12, А20, А30 (ГОСТ 1414-54), С - 0,012 (среднее содержание углерода в сотых долях процента).

Инструментальные стали. Эти стали с содержанием углерода 0,65 %. Маркируются У8 (0,8 % С), У10 (1,0 % С), У 11, У12. Изготовляется деревообрабатывающий инструмент (молотки, зубила, отвертки, топоры - У7, У8) фрезы, сверла, пилы, ножовки (У10, У11, У12, У13).

Достоинства - дешевизна, хорошая обрабатываемость.

Недостатки - малая прокаливаемость и образование трещин при термической обработке.

ЧУГУНЫ

Серые чугуны характеризуются серым изломом, наличием в структуре свободного графита. Различаются по структуре основы и строению графита. По строению металлической основы чугуны разделяются на три группы:

Серые перлитные П+Г

Серые ферритно-перлитные Ф+П+Г

Серые ферритные Ф+Т.

Графит в чугунах может быть в 3-х формах - пластинчатый, шаровидный, хлопьевидный.

Пластинчатый графит наблюдается, как указано выше в серых литейных чугунах.

Шаровидный графит - в высокопрочных чугунах, выплавляемых с присадкой магния или церия.

Хлопьевидный графит получается при отжиге отливок из белого чугуна. Цементит при отжиге разлагается, образуя хлопьевидную форму так называемый углерод отжига. Чугуны с хлопьевидным графитом называются ковкими.

Структура и свойства серых чугунов.

Так как структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то свойства чугунов обуславливаются совместным влиянием свойств металлической основы и характера графитных включений.

Чем больше включений, чем они грубее в чугуне, тем ниже технические свойства. Графические включения снижают сопротивление разрыву, изгибу, кручению. Твердость и предел прочности на сжатие у чугунов мало отличаются от свойств сталей с аналитической структурой.

По мере перехода от пластинчатого графита к графиту со сферическими и хлопьевидными включениями пластичность чугунов возрастает.

Графит d %

пластинчатый 0,2 - 0,5

хлопьевидный 5 - 10

шаровидный 10 - 15

Твердость чугунов зависит от структуры металлической основы и мало зависит от формы графита.

Чугун

Ферритный - 150 МВ

Феррито-перлитный - 200 МВ

Перлитный - 250 МВ

Структура металлической основы чугунов может быть изменена, но так как это не оказывает влияние на свойства чугуна из-за определяющего влияния графитной составляющей, то термическая обработка серого чугуна практически не проводится. Наличие включений имеет и положительное значение, которое обуславливает преимущества чугуна перед сталью:

1. Наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой, т. к. стружка ломается, когда дойдет до графитовых включений.

2. Хорошие антифрикционные свойства обуславливаемые смазывающим

действием графита.

3. Наличие графитовых включений гасит резонансные колебания и вибрации.

4. Чугуны нечувствительны к дефектам поверхности (надрезам и т. д.).

5. Чугуны обладают хорошей жидкотекучестью и более низкой температурой плавления, хорошими литейными свойствами. Чугуны широко применяются для изготовления деталей машин, не испытывающих ударных нагрузок.

Влияние примесей.

Чугуны содержат те же примеси, что и углеродистые стали Mn, Si, S, P, но в большем количестве чем сталь. Эти примеси оказывают существенное влияние на графиты, следовательно на структуру и свойства чугуна.

Кремний усиливает графитизацию. Содержание кремния в чугунах изменяется в широких пределах от 0,3-0,5 до 3-5%, изменяя содержание кремния, можно получить чугуны различных по структурам и свойствам от белого до серого.

Марганец препятствует графитизации и способствует отбеливанию чугуна.

Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства (жидкотекучесть) d 0,08 и для крупных деталей d 0,1 - 0,12%

Фосфор не влияет на процесс графитизации, но является полезной примесью т. к. улучшает жидкотекучесть за счет образования легкоплавкой тройной эвтектики, плавящейся при 950⁰ С (А+Fe₃P). Для повышения свойств в чугуны вводят Ni, Cr, Cu, Al, Ti - легированные чугуны. Cr - препятствует графитизации чугуна, Cu, Ni - способствуют.

Влияние скорости охлаждения.

При изучении структуры отливки было замечено, что в одной отливке чугун может иметь разную структуру. В тонких частях у поверхности графитизация меньше, чем в массивных частях и в сердцевине отливок, следовательно, замедление охлаждения способствует графитизации. Основные факторы, способствующие графитизации - содержание углерода и кремния и скорость охлаждения. Для определения влияния этих факторов строятся структурные диаграммы, учитывающие влияние С и Si и толщины стенки.

Марки серых и высокопрочных чугунов.

Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на группы: ферритные и феррито-перлитные d_в 120-180 МПа, (СЧ20, СЧ30, СЧ50) структура П+Ф+Г (грубой или средней величины). Эти чугуны применяются для менее ответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе (фундаментные плиты, строительные полотна, литые детали станков).

Перлитные чугуны.

(СЧ 21-40, 24-44, 28-48, 32-52, 35-56, 38-60) - станины мощных станков и механизмов поршней, цилиндров, дизельные цилиндры, блоки двигателей. Структура - мелкопластинчатый перлит, мелкий завихренный графит. К перлитным относятся сталистые чугуны и модифицированные сталистые чугуны.

При плавке этих чугунов в шихту добавляют 20-30% стального лома, чугуны имеют пониженное содержание углерода, что обеспечивает получение более дисперсной перлитной основы с меньшим количеством графитных включений модифицированный чугун.

(СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 35-56, СЧ 38-60) получаются при добавке в жидкий чугун модификаторов - (Mg, FeSi, SiCa). Применяется для получения в отливках с разной толщиной стенки перлитной основы с шаровидным графитом.

Антифрикционные чугуны.

Применяется для подшипников скольжения, втулок и др. деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазки, АСЧ1, АСЧ2, АСЧ3 (с добавкой Сu, Mn, Ti).

Для деталей, работающих в паре с закаленными или нормализованными деталями применяют чугуны АСЧ-1, АСЧ-2, содержащие не менее 85 % перлита для работы в паре с не упрочненными, то применяют П-Ф чугуну. АСЧ3-перлитные чугуны, содержащие 0,3-0,5% Р применяют для поршневых палец. Белый чугун применяется для изготовления деталей. Отбеленные отливки, у которых поверхностный слой - белый чугун, сердцевина - серый. Отбел на определенную глубину 12-30 мм является следствием быстрого охлаждения при заливке в металлические формы (кокиль) - прокатные валки листовых станов, шары мельниц. Для этой цели применяются чугуны с пониженным содержанием кремния.

Такие отливки имеют большие внутренние напряжения и склонны к образованию трещин.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.

Получается присадкой в серый литейный чугун небольших добавок Mg (10,05-0,07%). Под действием Mg графит принимает шаровидную форму, шаровидный графит не является концентратором напряжений. Эти чугуны имеют высокие механические свойства, не уступающие литым углеродистым сталям. Сохраняя положительные свойства чугуна - обрабатываемость резанием, износостойкость, литейные свойства.

Высокопрочные чугуны подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений. В4 50-1,5 В4 60-2 - перлитная основа, В4 45-5, П-Ф и В4 40-40 ферритная.

Из высокопрочного чугуна изготавливают коленчатые валы, шаботы молотов, прокатные валки, насосы и вентили, работающие в коррозионных средах, а также для деталей станочного, кузнечно-прессового оборудования работающих подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях. Антифрикционные чугуны с глобулярным графитом изготовляют 2-х марок АВ 4-1 (перлитная основа) и АВ 4 2 (ферритно-перлитная основа).