Тема 10 Конструкційні матеріали
Характеристика, хімічний склад і класифікація чавуну
Продукт доменного виробництва чавун — залізовуглецевий сплав, який складається із заліза (до 92 %) і вуглецю (2,14...5 %), домішок силіцію до 4,3 %, мангану до 2 %, сірки до 0,07 % і фосфору до 1,2 %. Хімічний склад і призначення чавуну залежать від механічних властивостей і стану вуглецю в доевтектичному залізовуглецевому сплаві. У машинобудуванні використовуються чавуни з певним вмістом вуглецю в них. Вуглець може бути в зв'язаному стані, утворюючи цементит, який сприяє появі особливих механічних властивостей, а в зламі має характерний білий колір. Якщо злам сірого кольору, то вуглець у ньому міститься у вільному стані у вигляді графітних домішок кулястої чи пластинчатої форми, завдяки чому він набуває ливарних і механічних властивостей. Залежно від вмісту, розмірів і розміщення графітових включень чавуни поділяють на звичайні, високоміцні, ковкі тощо.
За кольором зламу чавуни бувають білими й сірими, а за призначенням їх поділяють на переробні, ливарні та спеціальні (доменні феросплави - дзеркальний чавун, феросиліцій та фероманган).
Чавун, який в основному переробляють на сталь, називають переробним. За ДСТУ 3133-95 його випускають марок ПІ, П2 — для сталеплавильного і ПЛІ, ПЛ2 — для ливарного виробництва, ПФ1, ПФ2, ПФЗ (фосфористий), ПВК1, ПВК2, ПВКЗ (високоякісний) із вмістом сірки не більше 0,010 % і фосфору не більше 0,015 % і відзначається масова частка титану, алюмінію і арсену. У переробному чавуні, виплавленому з руди, що містить мідь, в документі про якість вказують густину міді. Переробний чавун марок ПІ, П2, ПЛІ і ПЛ2 виготовляють із вмістом сірки не більше 0,06 %.
З сірого чавуну, який має ливарні властивості, виготовляють виливки, тому його називають ливарним. За ДСТУ 3132-95 залежно від вмісту силіцію і призначення чавун виготовляють марок Л1...Л6 (ливарний) і ЛР1...ЛР7 (ливарний рафінований магнієм).
Ливарний чавун марок Л1...Л6 виготовляють з вмістом сірки не більше 0,06 %. За вимогою споживачів забезпечуються й інші показники якості різних видів чавунів.
Спеціальні чавуни використовують у процесі виплавлення для розкислення і легування сталі та сплавів. Вони мають підвищений вміст силіцію або мангану. Виплавляють також хромонікелеві, ванадієві, ферохромові, ферофосфорні та інші леговані чавуни.
Хімічний склад чавуну залежить від призначення деталі. Вуглець, який входить до складу чавуну, може бути у вільному стані у вигляді частинок графіту, вкраплених між зернами заліза, та в хімічно зв'язаному стані у вигляді карбіду заліза Ре3С (цементиту).
Якщо чавун заливають у піщані форми, то його структура набирає вигляду сірого чавуну, а під час швидкого охолодження (лиття в металеві форми), якщо знижено вміст силіцію чи підвищено вміст мангану, утворюється структура білого чавуну. Білий чавун спеціальною обробкою можна перетворити на ковкий. Різновидом білого чавуну є відбілений чавун, який утворюється під час швидкого охолодження виливка. Виливки з цього чавуну (валки прокатних станів, вагонні колеса) мають твердий поверхневий шар з м'якою основною масою, тобто структура білого чавуну поступово переходить у сірий.
Чавуни, що містять спеціальні леговані домішки (нікель, молібден, хром) або звичайні домішки (силіцій, манган), але в більшій кількості, ніж звичайно, називають чегованими. Легуючі складові вводять для одержання виливків із спеціальними властивостями (підвищеною міцністю, ударною в'язкістю, електроопором, кислотостійкістю).
За призначенням виливки поділяють на звичайні машинобудівельні з сірого чавуну, підвищеної в'язкості з ковкого чавуну, поверхневої твердості з відбіленого чавуну, поліпшеними властивостями з легованих та модифікованих чавунів. Виливки, які виготовляють з чавуну, не повинні мати дефектів (раковин, тріщин тощо).
Маркірування та призначення чавуну
Сірий чавун маркірують літерами та цифрами.
Розрізняють такі марки сірого чавуну: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧЗО, СЧ35, СЧ40 і СЧ45. Виливки із сірого чавуну маркірують літерами СЧ і цифрами. Літери означають сірий чавун, число — границю міцності на розтяг. Наприклад, марка СЧ15 означає: сірий чавун з міцністю на розтяг до 150 МПа. Високоміцний чавун маркірують літерами та цифрами. Розрізняють такі марки: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100. Літери ВЧ означають високоміцний чавун, число - границю міцності на розрив у мегапаскалях.
З чавунів незначної міцності виготовляють деталі, що сприймають малі навантаження. Структурно вони складаються з великих пластинок графіту і феритної або феритно-перлітної основи.
Чавуни підвищеної міцності характеризуються дрібними включеннями графіту і перлітною основою. З них виготовляють станини верстатів, поршні та інші деталі. До цих чавунів належать також модифіковані чавуни. З них виготовляють деталі, що постійно спрацьовуються (зубчасті колеса, гальмові колодки тощо). Високоміцні чавуни мають графітові включення у формі дрібних кульок і лінійовану перлітну основу, їм властива висока міцність та пластичність — високоміцний чавун іноді може замінити сталь і кольорові метали та сплави. Такий чавун можна одержати, якщо у рідкий сірий чавун додати чистий магній (0,З..Л %) або сплав його з нікелем, міддю, алюмінієм чи силіцієм. Якщо крім магнію в чавун вводять І феросиліцій (0,6...2,2 % маси металу), то його якість значно поліпшується.
Модифікуванням чавуну можна регулювати розміри та форму графітових включень, змінюючи фізико-механічні та технологічні його властивості. Як модифікатор використовують присадки феросиліцію, силікокальцію, церію (до 0,8 %). Модифікований чавун застосовують замість ковкого чавуну, сталі та кольорових металів.
Антифрикційний чавун і його властивості
Антифрикційними є сірі, високоміцні та ковкі чавуни, що мають низький коефіцієнт тертя і достатню стійкість проти спрацювання тертям, їх застосовують як матеріали для підшипників кочення, що працюють під великим тиском та за малих швидкостей обертання вала.
Антифрикційні чавуни - - це замінники бронзи для підшипників ковзання, втулок і деталей, які спрацьовуються тертям. Застосовують ці підшипники для роботи за певних умов. Для забезпечення нормальної роботи в умовах тертя антифрикційний чавун повинен мати перлітну або перлітно-феритну основу з великою кількістю включень графіту, що забезпечує малий коефіцієнт тертя.
Антифрикційні властивості чавуну підвищуються, якщо металева основа містить до 15 % вільного фериту й дрібні включення фосфідної евтектики за наявності вуглецю у вигляді пластинчастого графіту. Під час роботи підшипника графітові пластинки на поверхні утворюють заглибини (графітові гнізда), в яких затримується олива. Це поліпшує роботу ділянок підшипникової пари, що зазнає тертя.
Залежно від вимог до роботи підшипникової пари можна введенням у чавун певної домішки підвищити або знизити його стійкість до спрацювання. Наприклад, вміст міді до 2 % підвищує стійкість до спрацювання перлітних чавунів, а вміст фосфору до 0,9 % надає чавунам м'якість.
Використовується таке маркірування антифрикційних чавунів: А — антифрикційний, Ч - чавун, С - сірий, 15 — високоміцний, К — ковкий, а цифра після літери означає відсотковий вміст домішок. Наприклад, антифрикційні сірі перлітні чавуни марок АЧС-1 (легований хромом 0,2...0,4 % і міддю 1,5...2 %), АЧС-2 (легований хромом 0,2...0,4 %, нікелем 0,2...0,4 %, титаном 0,03... 0,І % і міддю 0,3...0,5 %), АЧС-3 (перлітно-феритний, легований титаном 0,03...0,5 % і міддю 0,3...0,5 %), антифрикційні високоміцні чавуни з кульоподібним графітом марок АЧВ-1 та АЧВ-2 (перший — перлітний, другий -перлітно-феритний) і антифрикційні ковкі чавуни марок ЛЧК-1 і АЧК-2 (перший — перлітний, другий — перлітно-феритний) мають характеристики, близькі до антифрикційних високоміцних чавунів. Необхідно зауважити, що підшипники з чавунів із вмістом перліту більше 80 % працюють у парі з валами, які піддавалися гартуванню або нормалізації, а перлітно-феритні з вмістом перліту до 80 % (але не менше 50 %) — з термічно не обробленими палами.
Характеристика та класифікація сталі
Сталь можна кувати, прокатувати, відливати, обробляти різанням, гартувати. Сталь порівняно з чавуном менш рідкотекуча, легкоплавка і завдяки своїм механічним і технологічним властивостям застосовується як основний конструкційний метал. Основними класифікаційними ознаками сталі є спосіб виробництва, ступінь розкислення, характер тверднення, якість, призначення, хімічний склад і структура.
За способом виробництва сталі поділяють на конверторні, мартенівські, електросталі та сталі, які одержують спецметалургією.
За ступенем розкислення та характером тверднення сталі поділяють на спокійні (розкислені повністю), напівспокійні (розкислені частково) та киплячі (не розкислені).
За якістю розрізняють сталі звичайної якості, якісні та високоякісні. Якість сталі визначається вмістом шкідливих домішок, неметалевих включень, способом виробництва, сталістю механічних властивостей та хімічного складу. Домішки в сталях поділяють на технологічні (манган і силіцій), шкідливі (сірка, фосфор, кисень, азот), неметалеві включення та ін.
За призначенням сталі поділяють на конструкційні (будівельні та машинобудівельні), інструментальні та спеціального призначення. Кожна з груп поділяється на більш дрібні підгрупи, що характеризують специфічне
призначення сталі, наприклад котельна, судно-будівельна, ресорно-пружинна, шарикопідшипникова, штампувальна, для вимірювальних інструментів. Виділяють групи сталей і за характером їх наступної обробки: листова — для холодної обробки штампуванням, фасонного лиття. До сталей спеціального призначення належать корозієстійкі, жаростійкі, електротехнічні.
За хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві та леговані. Вуглецеві сталі поділяють на низько- (до 0,3 % С), середньо- (0,3...0,7 % С) та високо-вуглецеві (0,7...1,4 % С). Леговані сталі бувають низько-(до 2 % легуючих елементів), середньо- (2...5 %) і високолеговані (понад 5 %). Залежно від хімічного складу леговані сталі поділяють на трійні, що містять один легуючий елемент (хромисті, нікелеві); четверні, що містять два елементи (хромонікелеві), та складні, що містять три та більше легуючих елементів (хромонікелевотитанові).
Вплив елементів,що входять до складу сталі,на її властивості
Вуглець поліпшує механічні властивості виливків і сприяє рідкотекучості сталі. Підвищення вмісту вуглецю запобігає появі тріщин, газових раковин і неметалевих включень, ливарних напружень і зональної ліквації, зменшує пригар.
Манган певною мірою ліквідує шкідливу дію сірки, збільшує рідкотекучість і стійкість до спрацювання та усадки, що може призвести до утворення тріщин.
Більше 0,5 % силіцію легує сталь, зменшує теплопровідність, що збільшує можливість появи усадкових раковин, термічних ушкоджень, тріщин тощо. Вміст силіцію у низьковуглецевих сталях підвищує їх пластичність і в'язкість, у високовуглецевих підвищує міцність і знижує пластичність. Виливки з цих сталей характеризуються опірністю пластичним деформаціям і спрацюванню; їх застосовують для бігунів коліс кранів, деталей, що працюють в абразивних середовищах і в умовах корозійної дії кислот (за винятком соляної та фтористоводневої).
Наявність фосфору знижує пластичність, сприяє появі холодноламкості (властивості ставати крихкими у холодному стані), ліквації у виливків з товщиною стінок більше 100 мм.
Сірка — домішка, що викликає червоноламкість (властивість ставати крихким під час гарячої обробки тиском), гарячі тріщини та погіршує механічні властивості виливків. Проте вміст сірки до 0,3 % поліпшує обробку різанням.
Нікель легує метал, полегшує прокатування, підвищує границю текучості та міцності, зменшує чутливість до перенагрівання, підвищує корозійну стійкість, впливає на магнітні (що залежать від відсоткового вмісту) і ливарні властивості, прискорює тверднення виливків, зменшує теплопровідність, що сприяє утворенню великих усадкових раковин і збільшенню термічних напружень.
Хром легує сталь, збільшує прогартованість, сприяє появі однакової твердості по всьому перетину, підвищує опірність пластичним деформаціям і знижує пластичність, підвищує стійкість до спрацювання, корозійну стійкість -жароміцність. Головним недоліком хромистої сталі є висока в'язкість, схильність до крупнокристалічної будови, перегрівання, що призводить до появи усадкових раковин і тріщин.
Молібден підвищує відношення границі текучості до границі міцності під час розриву, покращує прогартованість, знижує крихкість відпускання та підвищує опірність повзучості, дещо знижує жароміцність.
Ванадій сприяє утворенню дрібнозернистої структури, підвищує міцність і в'язкість, а за температури нижче О °С — ударну в'язкість. Вольфрам поліпшує властивості Інструментальної сталі, але сприяє появленню усадкових раковин.
Конструкційні сталі
Конструкційна сталь буває вуглецевою та легованою. З неї виготовляють різні деталі машин, верстатів, кріпильні га інші вироби, їх поділяють на сталі звичайної якості (ДСТУ 2651-94) та якісні машинобудівельні. Приведено марки вуглецевих конструкційних сталей. Залежно від механічних властивостей її маркірують літерами Ст і цифрами 0...6. Чим більша цифра, тим більший відсоток вуглецю в сталі, тим вона твердіша та міцніша з відповідним зниженням пластичності. Наприклад, сталь Ст6 містить близько 0,56 % вуглецю з границею міцності на розтяг 600 МПа й більше. Позначення «кп» вказує на те, що під час розливання сталь була киплячою, тобто індекси «кп», «пс» і «сп» означають ступінь розкислення, а Г — підвищений вміст мангану. Наведемо класифікацію вуглецевих конструкцій сталей:
Сталь Марка сталі
Звичайної СтО, Стікп, Стіпс, Стісп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп,
якості СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, СтЗГпс, СтЗГсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп,
СтЗпс, Ст5сп, СтЗГпс, Стбпс, Стбсп
Якісна 05кп, 08кп, 08пс, 08, Юкп, Юпс, 10, Пкп, ІЗкп, ІЗпс, 15, 18кп,
20кп, 20пс, 20, 25, ЗО, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55пп), 60, 65, 70,
75, 80, 85
Марки сталі без індекса означають, що сталі спокійні, а пп в сталі якісній 58 (55пп) вказує, що вона пониженої прогартованості, бо містить незначну кількість мангану та силіцію. Маркірування виконують фарбами так: Ст0— червоний і зелений, Ст1—жовтий і чорний, Ст2—жовтий, СтЗ—червоний, СтЗГсп—синій і коричневий, СтЗпс— червоний і коричневий, Ст4—чорний, Ст5—зелений, Ст5Гсп—зелений і коричневий, Стб—синій.
З сталі звичайної якості виготовляють сортовий та листовий прокат, цвяхи, заклепки, болти, труби, невідповідальні конструкції тощо. Якісна сталь містить не більше 0,8 % мангану. Двозначне число означає кількість вуглецю в сотих частках відсотка — 0,05...0,9 % С. Якщо марка має літеру Г, це означає, що вміст мангану близько 1 %, а якщо після літери Г стоїть цифра 2, то сталь містить близько 2 % мангану. Вуглецеві якісні сталі використовують для виготовлення балок, осей, залізничних рейок, деталей машин, механізмів тощо. Основні властивості легованих сталей і сталей із спеціальними властивостями
Леговані сталі мають особливі властивості. Так, якщо до сталі додати легуючі домішки, то її називають легованою і вона набуває цінних якостей — підвищуються її міцність, твердість, в'язкість тощо. До легованих сталей із спеціальними властивостями належать магнітна, корозійностійка, кислотостійка, жароміцна, окалиностійка, стійка до спрацювання, з особливим тепловим розширенням і електроопором тощо.
Хімічний склад легованих сталей є основою для їх маркірування літерно-цифровою системою. Літерами позначають легуючі елементи. Якщо вміст легуючого елемента більше 1 %, то після літери пишуть число, яке вказує на відсотковий вміст його в сталі. Прийнято такі позначення: X — хром, Н — нікель, Г -- манган, С — силіцій, Т — титан, В — вольфрам, М — молібден, Ф — ванадій, Ю — алюміній, Д — мідь, К — кобальт, Р — бор. Літера А в кінці марки означає, що сталь високоякісна і вміст шкідливих домішок найменший. Високолеговані сталі позначають літерами, які ставлять спочатку марки, наприклад: Ш -- шарикопідшипникова, Р — швидкорізальна, літерами (дослідна), і числом — номером сталі. Число, що стоїть після літери, означає середній вміст легуючих елементів у процентах. За цифрами стоять літери умовних назв легуючих елементів і числа, які вказують відсотковий вміст їх у складних легованих сталях.