Углеродистые качественные стали

Эти стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений, поставляются в виде проката, поковок с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Стали маркируются словом «сталь» и двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20 ...85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050–88). Спокойные углеродистые качественные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие – с добавлением соответственно «пс» и «кп». Например, Сталь 20 кп.

Низкоуглеродистые стали типа 05, 08, 10 – малопрочные, высокопластичные, применяются для холодной штамповки различных изделий. Стали 10, 20, 25 пластичны, хорошо штампуются и свариваются, применяются для изготовления крепежных деталей, втулок, осей, кулачков и др. Низкоуглеродистые стали могут насыщаться с поверхности углеродом (цементация).

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 45, 50 имеют повышенную проч-ность, но меньшую вязкость и пластичность. Применяют эти стали для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и др. Изделия после механической обработки подвергают закалке и высокому отпуску (термическому улучшению). Стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 применяют для изготовления рессорно-пружинных изделий.

Если в конце марки стали стоит буква А (например 20А), то это сталь высококачественная, она содержит еще более низкое содержание вредных примесей и обладает лучшими механическими свойствами.

Инструментальные углеродистые стали

Инструментальные углеродистые стали содержат более 0,7 % С и отличаются высокой твердостью и прочностью. Эти стали делятся на качественные и высококачественные. Марки качественной стали по ГОСТ

1435–99 следующие: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественной: У7А, У8А, У13А. Цифры в марке показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Стали У7, У8, У9 имеют достаточную вязкость и применяются для столярных, слесарных, кузнечных инструментов, подвергающихся ударам. Стали У10, У11, У12 применяют для инструмента с высокой твердостью на рабочих гранях (НRС 62…64). Это напильники, пилы, метчики, резцы, калибры и т. д. Сталь У13 используют для инструментов, требующих наиболее высокой твердости: шаберов, гравировального инструмента.

Высококачественные стали (например У12А) имеют то же назначение, что и качественные, но из-за большей вязкости их применяют для инструментов с тонкой режущей кромкой.

ЧУГУНЫ

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С и затвердевающие с образованием эвтектики, называемой ледебуритом. Чугун отличается от стали составом (более высоким содержанием углерода), лучшими литейными качествами, малой величиной пластической деформации. Чугун дешевле стали.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств (жидкотекучести, температуры плавления), достаточной прочности и износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для производства качественных отливок сложной формы.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в этих сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

Белый чугун

Белыми называют чугуны, у которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Эти чугуны, фазовые превращения в которых происходят согласно диаграмме Fe-Fe₃C, подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. При цеховой температуре структура белого доэвтектического чугуна состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (рис. 4.1, а).

а

б

Рис. 4.1. Микроструктура белого чугуна:

а – доэвтектический; б – эвтектический белый чугун. х725

Ледебуритная составляющая на металлографическом шлифе имеет вид светлых цементитных полей с равномерно расположенными на них относительно мелкими темными перлитными участками. Перлит занимает также крупные темные области. Вторичный цементит часто виден в виде светлых выделений по границам перлитных областей, а частично слива­ется с цементитом ледебурита.

Эвтектический белый чугун имеет в своей структуре один ледебурит (рис. 4.1, б). Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (HB4500 –5500 МПа), хрупки и для изготовления деталей машин почти не используются.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и другие детали, работающие в условиях износа. Белый чугун используется также как передельный для получения с помощью графитизирующего отжига ковкого чугуна.

Серый чугун

Серыми называют чугуны, у которых весь углерод или часть его присутствует в свободном состоянии в форме графита. Термины белый и серый чугуны связаны с видом излома, определяемым наличием либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита. Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы.

Вместе с тем, включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава.

В зависимости от формы графита различают обыкновенный серый чугун (графит пластинчатой формы), высокопрочный чугун (графит сферической формы) и ковкий чугун (графит хлопьевидной формы).

Обыкновенный серый чугун – это сплав сложного состава. Химический состав серого чугуна колеблется в пределах: 3,2–3,8 % С, 1–5 % Si, 0,5–0,9 % Мn, 0,2–0,4 %Р, до 0,12 % S. Факторами, способствующими графитизации (выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu(препятствуют графитизации Mn, S, Cr, W).

Практически, изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации.

На рис. 4.2 показана микроструктура обыкновенного серого чугуна на феррито-перлитной основе.

Рис. 4.2. Микроструктура серого чугуна на феррито-перлитной основе

На свойства серого чугуна оказывают большое влияние вид графитовых включений, их размеры, характер металлической основы. От формы и количества графита зависит прочность и пластичность чугуна (от 0,5 % относительного удлинения при пластинчатой форме графита до 20 % – при шаровидной форме). Вытянутые пластинки графита фактически являются трещинами в металлической основе и сильными концентраторами напряжений, на их концах при приложении нагрузки напряжения быстро достигают разрушающих величин. Твердость и износостойкость чугунов растет с увеличением перлита в металлической основе серого чугуна (различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основой).

Обыкновенный серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов и характеризуется высокими литейными и механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, высокой износостойкостью, нечувствительностью к поверхностным дефектам.

Согласно ГОСТ 1412–85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение. Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σ_в = 250 МПа; твердость НВ = 1800 – 2500 МПа и структура металлической основы – феррит + перлит.

Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, корпусов редукторов и др.

Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: это блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.

Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами. Их применяют при высоких нагрузках: в зубчатых колесах, гильзах двигателей, шпинделях, распределительных валах и пр. Структура модифицированных чугунов – перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита.