какие железоуглеродистые сплавы называются чугунами
§ 2. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ. Чугун.
Чугун. Обычно применяют чугуны, содержащие до 5% углерода. Исходным материалом для получения чугуна служат железная руда, топливо и флюсы.
Чугун выплавляют в доменных печах. Доменная печь вместе с вспомогательными устройствами представляет собой сложнейшее сооружение, в котором происходят химические процессы между загруженной шихтой и потоком газов, образующихся в результате горения топлива.
Сущность доменной плавки состоит в восстановлении железа из его окислов, имеющихся в руде, в науглероживании железа до получения чугуна и превращении пустой породы в шлак.
Углерод в чугуне может содержаться в виде механической примеси (свободного графита) и химического соединения с железом.
Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый или темно-серый цвет и крупнозернистое строение. Такие чугуны называются серыми, или литейными. Они применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют формы и легко обрабатываются режущими инструментами.
Кроме углерода, в чугуне содержатся кремний, марганец, сера и фосфор. При низком содержании кремния и большом количестве марганца, а также при большой скорости охлаждения графит при затвердевании чугуна не выделяется (углерод находится в химическом соединении с железом). После затвердевания такой чугун; имеет в изломе белый оттенок и поэтому называется белым.
Белый чугун трудно обрабатывается режущим инструментом. Этот чугун преимущественно перерабатывается на сталь, поэтому и называется передельным чугуном.
Кроме серых (литейных) и белых (передельных) чугунов, в доменных печах получают специальные чугуны (высокопрочные, жаропрочные и антифрикционные).
Ковкий чугун по механическим свойствам приближается к стали, но является более дешевым материалом. Получают его путем длительного отжига белого чугуна в специальных печах. Ковкий чугун используют для изготовления деталей, работающих в трудных условиях (зубчатые колеса, звенья цепей, детали сельскохозяйственных машин, автомобилей, трубопроводов и т. д.), а также в качестве заменителей цветных металлов и некоторых сталей.
Чтобы повысить механические свойства чугуна и стали или придать им особые свойства, в их состав вводят специальные легирующие элементы: никель, хром, вольфрам, молибден, титан, ванадий, алюминий, марганец, кремний и т. д.
Ковкие чугуны, легированные хромом и молибденом, являются заменителями конструкционных сталей при изготовлении распределительных валиков, коленчатых валов, поршней, тормозных барабанов и т. п. При легировании медью и ванадием ковкие чугуны могут заменить некоторые антифрикционные сплавы для отливок втулок и подшипников.
Высокопрочный чугун получают из серого чугуна путем присадки магния перед разливкой в формы. Этот конструкционный материал по своим свойствам значительно отличается от всех марок серого чугуна.
Высокопрочный чугун используют в качестве заменителя стального и цветного литья, поковок и т. п.
Из него отливают рычаги поворотных устройств двигателей, кронштейны, зубчатые колеса, корпуса мостов автомобилей и тракторов, лопатки турбин и т. д.
Железоуглеродистые сплавы
Кристаллизация и формирование структуры сплавов
Сталями называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14 %. Сплавы с большим содержанием углерода (2,14 до 6,67 %) называются чугунами. Границей между сталями и чугунами принято считать проекцию точки Е, т. е. точки максимального насыщения аустенита углеродом, от которой начинается линия эвтектического равновесия. В результате первичной кристаллизации стали образуется аустенит (линия АЕ).
В отличии от сталей структура чугуна характеризуется наличием эвтектики, которая состоит из аустенита и цементита.
Первичная кристаллизация стали. На рис. 1 показан верхний участок упрощенной диаграммы Fe-Fe3C.
В сталях из жидкой фазы кристаллизуется аустенит. Состав жидкой фазы меняется по проекции линии АС на ось концентраций, твердой фазы по проекции линии АЕ.
Превращения в твердом состоянии. Окончательное формирование структуры стали происходит в результате превращений аустенита при дальнейшем охлаждении. Основой этого превращения является полиморфизм, связанный с перегруппировкой атомов из ГЦК решетки аустенита в ОЦК решетку феррита, а также изменение растворимости углерода по линии ES в аустените и PQ в феррите. В сплавах с содержанием от 0,025 до 2,14 %С вторичные превращения начинаются при температурах, соответствующих линиям GS и SE и заканчиваются при температуре ниже 727 °С и линии PSK, в результате эвтектоидной реакции.
Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % не испытывают эвтектоидного превращения. Критические точки аустенит ® феррит превращения (линия GS) в доэвтектоидных сталях обозначаются так же, как аллотропическое превращение в чистом железе, с индексом А3, т. е. при нагреве Ас3,т. е. при охлаждении Аr3. Выделение цементита из аустенита в заэвтектоидной стали (линия SE) обозначается индексом Аcm. При температуре 727 °С (линия PSK) критические точки обозначаются индексом А1; при нагреве Аc1; при охлаждении Аr1. Распад аустенита при эвтектоидном превращении по метастабильной системе проходит с образованием феррита и цементита при переохлаждении ниже 727 °С.
(Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом).
Рассмотрим структурообразование нескольких групп сплавов. На рис. 18 приведена левая нижняя часть диаграммы состояния железо-цементит с кривыми охлаждения типичных сплавов и микроструктурой.
Сталь эвтектоидного состава – содержание углерода 0,8 % (рис.2, сплав Ш).
В этом случае при охлаждении аустенита имеется только одна критическая точка Аs, отвечающая температуре 727 °С. При этой температуре аустенит находится в равновесии с ферритом и цементитом:
Аs
Фp+ Ц ( )
Эвтектоидный распад аустенита состава точки S (0,8 %С) на феррит состава точки Р (0,025 %С) и цементит происходит при некотором переохлаждении, т. е. ниже 727 °С. Эвтектоидная смесь феррита с цементитом называется перлитом. Соотношение феррита и цементита в перлите составляет примерно 7,3 : 1.
Подсчет ведется по правилу рычага, несколько ниже эвтектоидной линии:
Доэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % называются доэвтектоидными сталями. Рассмотрим фазовые и структурные изменения доэвтектоидной стали на примере сплава Ш (рис. 2г). В интервале температур t8–727 °C идет полиморфное превращение А® Ф. Состав аустенита меняется по линии GS, а феррита – по линии GP. При 727 °С концентрация углерода в аустените равна 0,8 % (точка S) и в феррите – 0,025 % (точка Р).
Ниже этой температуры происходит эвтектоидное превращение. В равновесии находятся три фазы: феррит состава точки Р, аустенит состава точки S, цементит. Так как число степеней свободы равно нулю, т. е. имеется нонвариантное равновесие, то процесс протекает при постоянном составе фаз. На кривых охлаждения или нагрева наблюдается температурная остановка. Таким образом, структура доэвтектоидной стали характеризуется избыточными кристаллами феррита и эвтектоидной смесью феррита с цементитом, называемой перлитом. Количественные соотношения феррита и перлита зависят от состава сплава. Чем больше углерода в доэвтектоидной стали, тем больше в структуре ее перлита и, наоборот, чем меньше углерода, тем больше феррита и меньше перлита. При дальнейшем охлаждении в результате изменения растворимости углерода в феррите (соответственно линии РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре обнаружить его при наличии перлита невозможно.
Заэвтектоидные стали. Сплавы с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % называются заэвтектоидными. Процессы структурообразования рассмотрим на примере сплава V. До температуры t10 (линия ES) аустенит охлаждается без изменения состава. Несколько ниже этой температуры аустенит достигает предельного насыщения углеродом согласно линии растворимости углерода в аустените ЕS. В интервале температур t1°C из пересыщенного аустенита выделяется высокоуглеродистая фаза – цементит, который называется вторичным. Состав аустенита меняется по линии ЕS и при температуре 727 °С достигает точки S (0,8 %С). Максимальное количество вторичного цементита:
Рис. 2. Левый нижний участок диаграммы состояния железо-цементит. Вторичная кристаллизация сплавов:
а) диаграмма, б), в), г), д), е) кривые охлаждения сплавов
Ниже 727 °С происходит эвтектоидное превращение: аустенит состава точки S (0,8 %С) распадается на смесь феррита состава точки Р (0,025 %С) и цементита. Таким образом, структура заэвтектоидной стали характеризуется зернами перлита и вторичного цементита.
В реальной стали с 1,2 %С (У12) количество вторичного цементита составляет всего около 6 %.
При медленном охлаждении цементит, как правило располагается в виде тонкой оболочки. В разрезе это выглядит как сетка цементита. Более благоприятной формой цементита является зернистая, она не приводит к значительному снижению пластических свойств стали.
Чугуны. Все превращения в белых чугунах, начиная от затвердевания и до комнатных температур, полностью проходят по метастабильной диаграмме Fe-Fe3C. Наличие цементита придает излому светлый блестящий цвет, что привело к термину “белый чугун”. Независимо от состава сплава обязательной структурной составляющей белого чугуна является цементитная эвтектика (ледебурит). На рис. 19 изображена структурная диаграмма равновесия железо-цементит и кривые охлаждения типичных сплавов.
Эвтектический белый чугун. Рассмотрим процессы затвердевания, формирования первичной структуры и дальнейших структурных превращений в твердом состоянии сплава эвтектического состава с 4,3 %С (сплав 1 рис. 3).
Затвердевание происходит в один этап при температуре ниже 1147 °С. Жидкая фаза с 4,3 %С образует эвтектическую структуру: смесь аустенита с 2,14 %С и цементита. Эта эвтектика называется ледебуритом. Как и всякая эвтектическая реакция, отвечающая нонвариантному (безвариантному) равновесию протекает при постоянной температуре и постоянном составе фаз. При эвтектической реакции ниже (1147 °С) содержание углерода в аустените максимально (2,14 %). Дальнейшее охлаждение от температуры 1147 °С до 727 °С приводит к непрерывному уменьшению в нем углерода согласно линии ограниченной растворимости ЕS. Углерод выделяется из аустенита в виде цементита, который называется вторичным цементитом (Цвторичн.). Однако он, как правило, не обнаруживается, т. к. присоединяется к эвтектическому цементиту. Ниже температуры 727 °С аустенит эвтектики состава (0,8 %С) претерпевает эвтектоидное превращение 
, т. е. образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называется превращенным. При охлаждении до комнатной температуры в результате изменения растворимости углерода в феррите (линия РQ) выделяется третичный цементит. Однако в структуре он не обнаруживается. На рис. 3 б показана структура белого чугуна эвтектического состава. Она представляет собой одну эвтектику – ледебурит. Темные участки (зернышки и пластинки) отвечают перлитным включениям, равномерно распределенным на светлом фоне цементита.
Доэвтектические белые чугуны. Железоуглеродистые сплавы состава 2,14 – 4.3 %С называются доэвтектическими белыми чугунами. Рассмотрим процесс кристаллизации и вторичных превращений на примере сплава П рис.3. От температуры несколько ниже линии ликвидус АС до 1147 °С из жидкости выделяются кристаллы аустенита. Аустенит кристаллизуется в форме дендритов, которые, как правило, обладают химической неоднородностью, называемой дендритной ликвацией. Состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус, стремясь к эвтектическому, а твердой по линии солидус, стремясь к составу точки Е. При температуре 1147 °С концентрация жидкой фазы достигает точки С (4,3 %С), а аустенита – точки Е (2,14 %С). Из жидкости эвтектического состава образуется смесь аустенита и цементита – ледебурит 1147 °С.
Таким образом, ниже эвтектической линии ЕСF структура характеризуется избыточными кристаллами аустенита и эвтектикой (ледебуритом). При охлаждении от 1147 до 727 °С состав аустенита непрерывно меняется по линии ЕS, при этом выделяется цементит вторичный (Цвторичн.). Вторичный цементит выделяется как из избыточного аустенита, так и из аустенита эвтектики. Однако, если вторичный цементит, выделяющийся из аустенита эвтектики, присоединяется к эвтектическому цементиту, то из избыточного аустенита он выделяется в виде оболочек вокруг дендритов аустенита и представляет собой самостоятельную структурную составляющую.
Ниже 727 °С весь аустенит: и избыточный, и тот, который входит в состав эвтектики – претерпевает эвтектоидное превращение, при котором образуется перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура доэвтектического белого чугуна характеризуется следующими структурными составляющими: избыточным перлитом (бывшим аустенитом), ледебуритом превращенным, состоящим из перлита и цементита и цементитом вторичным. Структура реального доэвтектического белого чугуна изображена на рис. 3 в. Чем ближе состав сплава к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики – ледебурита.
Заэвтектический белый чугун. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав Ш) называются заэвтектическими белыми чугунами. Кристаллизация начинается при температуре t4 несколько ниже линии СD выпадением цементита, который называется цементитом первичным (Цпервичн.). Состав жидкой фазы меняется по линии СD, твердая – остается без изменения. При температуре 1147 °С заканчивается кристаллизация избыточных кристаллов Цпервичн.. Жидкость состава точки С (4,3 %С) согласно эвтектической реакции образует ледебурит. При дальнейшем охлаждении изменение состава аустенита по линии ЕS приводит к выделению цементита вторичного (Цвторичнн.), который присоединяется к эвтектическому Температура 727 °С является температурой эвтектоидного равновесия аустенита, феррита и цементита. Ниже этой температуры аустенит превращается в перлит. Таким образом, ниже 727 °С структура заэвтектического белого чугуна характеризуется избыточными кристаллами цементита первичного (белые пластины) и превращенным ледебуритом, состоящим из темных полосок или зернышек перлита и светлой основы – цементита. На рис. 3 г изображена кривая охлаждения и структура белого заэвтектического чугуна.
Рис.3. Диаграмма состояния “железо-цементит” (структурная) и кристаллизация белых чугунов. а) – диаграмма, б), в), г) – кривые охлаждения сплавов со схемами микроструктур при нормальной температуре
Индивидуальное задание № 2
Диаграмма системы Fe-Fe3C
В таблице 1 приведены исходные данные для выполнения второго индивидуального задания, указана массовая доля углерода (колонка 2 табл.).
Железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун
Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун.
Сталь — это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.
К сталям относятся:
Чугун — сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5—3,5%.
Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:
кремний и марганец в десятых долях процента (0,15— 0,60%)
сера и фосфор в сотых долях процента (0,05—0,03%) каждого элемента.
Сталь
Сталь с содержанием углерода до 0,7% применяется для изготовления:
таврового и уголкового железа,
различного фасонного профиля,
а также для многочисленных деталей в машиностроении: шестерни, оси, валы, шатуны, болты, молотки, кувалды и т.п.
Сталь с содержанием углерода свыше 0,7% применяется для изготовления различного режущего инструмента:
Свойства стали зависят от содержания углерода. Чем больше углерода, тем сталь прочнее и тверже.
Чугун
Машиностроительный чугунприменяют для производства отливок всевозможных деталей машин.
По составу и строению чугуны делятся на:
Ковкий чугун
Ковкий чугун получается в результате специальной обработки белого чугуна. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии с железом (Fe3C — цементит), что придает этому чугуну большую твердость и хрупкость и плохую обрабатываемость.
Белый чугун
В машиностроении белый чугун применяют для изготовления отливок, отжигаемых на так называемый ковкий чугун.
При отжиге цементит разлагается па железо и свободный углерод, и отливки приобретают невысокую твердость и хорошую обрабатываемость.
Серый чугун
Наиболее широкое применение в технике имеет серый чугун, в котором большая часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Этому способствует высокое содержание кремния.
Такой чугун обладает хорошими литейными качествами и применяется для производства чугунных отливок. Детали из этого чугуна получаются путем отливки в земляные или металлические формы (станины, шестерни, цилиндры, блоки и т.п.).
Благодаря наличию свободного углерода (графита) серый чугун имеет небольшую твердость и хорошо обрабатывается резанием.
Классификация железоуглеродистых сплавов
Все железоуглеродистые сплавы, в соответствии с диаграммой железо-углерод, подразделяются на техническое железо (содержание углерода в сплаве менее 0,02%), стали (содержание углерода в сплаве от 0,02% до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%)
Характеристика сталей
*Данные характеристики представляют среднее значение. Фактическая величина свойств зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали. Для ее точного определения стоит пользоваться марочниками сталей и сплавов.
На практике используются стали с содержанием углерода не более 1,3%, т.к. при его более высоком содержании увеличивается хрупкость.
Классификация сталей
Стали характеризуются или классифицируются по множеству признаков:
Классификация по химическому составу
Если содержание Fe меньше 45 %, то это сплав, на основе элемента самого высокого содержания. Если содержание Fe больше 45 %, то это сталь.
Классификация по назначению
Классификация по структуре
Изначально эта классификация содержала только 4 типа сталей:
Позже были внесены дополнения:
Также могут быть смешанные классы: феррито-перлитный, аустенитно-ферритный и т.д.
Классификация сталей по качеству
Количественным показателем качества является содержания вредных примесей- серы и фосфора:
Классификация по способу выплавки
Классификация по степени раскисления
Расширенные характеристики и свойства (технологические, физические. химический состав) некоторых марок сталей смотрите здесь.
Классификация и маркировка чугунов
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.
Классификация чугунов
В зависимости от состояния углерода в чугуне, его подразделяют на следующие виды:
Такой чугун может быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом.
Еще чугуны классифицируются по основе, в которой расположен графит. Основа может быть перлитной, ферритной, феррито-перлитной.
Маркировка чугунов
Пример маркировки
Чугуны специального назначения
К этой группе чугунов относятся жаростойкие (ГОСТ 7769—82), жаропрочные и коррозионностойкие (ГОСТ 11849—76) чугуны. Сюда же можно отнести немагнитные, износостойкие и антифрикционные чугуны.
Жаростойкими являются серые и высокопрочные чугуны, легированные кремнием (ЧС5) и хромом (4Х28, 4Х32). Высокой термо- и жаростойкостью обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ.
К жаропрочным относятся аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.
В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) — ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом — 4Х22, 4Х28, 4Х32. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом (4С15М4, 4С17МЗ — антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун 4Н15Д7.
В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны.
К износостойким чугунам относятся половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам относится, например, серый чугун марки И4НХ2, легированный никелем и хромом, а также чугуны И4ХНТ, И4Н1МШ (с шаровидным графитом).
Лекция №3. Железоуглеродистые сплавы
Лекция №3. Железоуглеродистые сплавы
Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) являются наиболее распространенными материалами. Они называются черными металлами и составляют около 95% от производства металлов. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении сталей и чугунов.
3.1. Диаграмма состояния железо – углерод
Прежде чем рассматривать превращения в сплавах этой системы, рассмотрим свойства и строение компонентов и фаз системы, а также области их существования.
Цементит (Ц) – химическое соединение Fe 3 C- карбид железа, образующийся при содержании углерода 6,67%. Температура плавления 1600°С. Имеет белый, блестящий цвет, хрупкий, твердый. Может быть первичный, вторичный, третичный. Область цементита DFKL.
Имеется еще жидкая фаза, располагающаяся выше линии ликвидус. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу – Ж.
Железо, взаимодействуя с углеродом, образует ряд химических соединений: Fe 3 C, Fe 2 C, FeC и др. Поскольку химическое соединение в диаграммах состояния может быть рассмотрено как компонент, то диаграмму железо-углерод обычно изображают только до содержания углерода 6,67%, при котором образуется карбид железа Fe 3 C (устойчивое химическое соединение). Поскольку практическое значение имеет только эта часть диаграммы железо-углерод, то этот участок диаграммы называют диаграммой состояния железо – цементит.
Рис. 3.1. Диаграмма состояния железо – углерод (железо – цементит)
Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы Fe – Fe 3 C, т. е. критические точки, имеют условное обозначение. Все критические точки обозначаются буквой А. При нагреве к А добавляют букву «с», то есть Ас, а при охлаждении – «r», то есть Ar.
Все сплавы системы Fe-Fe 3 C по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.
Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом до концентрации 2,14%С. Это теоретическое определение. На практике в сталях, как правило, не содержится углерода более 1,5%. Их подразделяют на: доэвтектоидные стали – (содержащие от 0,025% до 0,8%С, Ф + П), эвтектоидную – (0,8%С, П), заэвтектоидные – (0,8%. 2,14%С, П + Ц II ), рис. 3.2.
Рис. 3.2. Микроструктуры углеродистых сталей:
а – доэвтектоидная; б – эвтектоидная; в – заэвтектоидная
В доэвтектоидной стали феррит выявляется в микроструктуре в виде светлых полей, а перлит – в виде полей полосчатого (темного) строения (рис.3.2а), где общий светлый фон – феррит, а темные места – тени от выступающих цементитных пластин.
Количество перлита в структуре стали возрастает пропорционально увеличению содержания углерода, это происходит до содержания углерода 0,8%, когда он становится единственной структурной составляющей эвтектоидной стали (рис. 3.2б).
Микроструктура заэвтектоидной стали состоит из перлита и цементита вторичного, который при медленном охлаждении выделяется в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 3.2в).
Рис. 3.3. Микроструктуры чугунов:
а– доэвтектический; б – эвтектический; в – заэвтектический
Кроме этого выделяют технически чистое железо (до 0,025%С, Ф + Ц III ).
При охлаждении железоуглеродистых сплавов углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в форме графита. Иначе говоря, жидкий раствор, феррит и аустенит могут находиться в равновесии не только с цементитом, но и графитом, и тогда диаграмма состояния будет железо – графит.
3.2. Углерод и постоянные примеси в стали, их влияние на ее свойства
Фазовый состав любой стали в равновесном состоянии – феррит + цементит. Количество цементита возрастает пропорционально росту содержания углерода, и поскольку цементит – твердая, хрупкая фаза, то повышаются прочностные свойства стали (до 0,9%С), твердость, снижаются пластичность и ударная вязкость. С повышением содержания углерода ухудшаются технологические свойства – падают свариваемость, обрабатываемость резанием, деформируемость в горячем и холодном состоянии. На каждые 0,1% С повышается на 20°С порог хладноломкости. Кроме железа и углерода в стали всегда присутствует постоянные примеси.
К постоянным примесям относятся марганец – Mn, кремний – Si, сера – S, фосфор – P.
Кремний и марганец являются технологическими примесями и находятся в углеродистых сталях в количестве 0,35…0,40% и 0,5…0,8% соответственно. Раскисляя сталь, Si и Mn улучшают её свойства и являются полезными примесями. Растворяясь в феррите, Si и Mn упрочняют его, повышают предел упругости, причем Mn связывает серу и парализует ее вредное влияние.
Сера резко ухудшает свойства стали, выше допустимого предела (0,06%) способна образовывать с железом легкоплавкую эвтектику FeS + Fe и вызывать красноломкость.
Фосфор допускается до 0,045%, растворяясь в феррите, упрочняет его и охрупчивает при низких температурах – резко повышает порог хладноломкости. Сера и фосфор являются вредными примесями.
Кроме постоянных примесей в сплавах железо-углерод имеются скрытые и случайные примеси.
Случайными называют примеси цветных металлов (Cu, Pb, Sn, Sb и др.), внесенные в сталь вместе с шихтовыми материалами.
3.3. Классификация и маркировка сталей
По химическому составу стали могут быть углеродистыми и легированными. Углеродистые содержат железо, углерод и примеси, а легированные содержат дополнительно легирующие элементы, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.
По содержанию углерода углеродистые и легированные стали делят на низкоуглеродистые (до 0,25%С), среднеуглеродистые (0,25…0,7%С) и высокоуглеродистые (более 0,7%С).
По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление конструкций, сооружений, деталей машин и инструментальные, идущие на изготовление различного инструмента.
Инструментальные углеродистые стали могут быть качественные и высококачественные (Р, S ≤0,035%).
По раскислению – в зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп), что и указывают в марке.
По выплавке – конверторные, мартеновские, электростали.
Углеродистые стали. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества а зависимости от назначения и гарантируемых свойств делятся на три группы А, Б и В.
Стали группы А имеют гарантируемые механические свойства. Они используются в состоянии поставки без горячей обработки. Они маркируются буквами Ст. и цифрами, обозначающими порядковый номер марки. Выпускается семь марок сталей этой группы: Ст.0, Ст.1, Ст.2…Ст.6. В зависимости от раскисления ставятся буквы «сп», «пс», «кп». Например, Ст.1сп, Ст.3кп, Ст.5пс. С увеличением номера стали увеличивается содержание углерода (от 0,1 до 0,5% С, исключение – Ст.0 ≈ 0,23% С).
Стали группы Б имеют гарантируемый химический состав. Эти стали подвергаются горячей обработке (ковке, сварке, термообработке, упрочнению ТМО и т. д.). При этом механические свойства не сохраняются, а химический состав важен для определения режима обработки. Они маркируются: БСт. 1… БСт.6.
Стали группы В имеют гарантируемые механические свойства и химический состав и используются, как и сталь группы Б. В марках этой стали на первое место ставится буква В: ВСт.1…ВСт.5. Углеродистая сталь обыкновенного качества – дешевая, ее выплавка составляет около 80 % всего производства углеродистых сталей.
Из сталей Ст.1, Ст.2, Ст. 3 группы А изготавливают крепеж, балки и т.д., из Ст.1,Ст.2,Ст.3 групп Б, В – цементуемые изделия, малонагруженные валы, детали машин, Ст.4 – используют в судостроении, Ст.5, Ст.6 – идут на изготовление средненагруженных деталей (валы, пружины, рессоры, крепеж)
Углеродистые качественные конструкционные стали маркируются двузначными цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента и буквами, показывающими степень раскисления стали: сталь 08, сталь 10кп, сталь 20 и т. д. При содержании в стали 0,7- 1% Mn в марке стали добавляется буква Г: 15Г, 30Г, 65Г и т.д. Качественные стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам.
Низкоуглеродистые конструкционные стали это малопрочные, высокопластичные стали, используемые для изготовления малонагруженных и цементуемых деталей, работающих на износ: шестерни, валы, втулки, прокладки и т.д.
Среднеуглеродистые стали более прочные и менее пластичные. Из них изготавливают: шпиндели, штоки, шатуны.
Высокоуглеродистые стали прочные с упругими свойствами, износостойкие. Из них изготавливают наиболее ответственные детали – пружины, рессоры и т.д.
Углеродистые инструментальные качественные стали маркируются буквой «У» и цифрой, обозначающей содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8 …У13. В высококачественных сталях в конце марки ставится буква А – У7А.
Легированные стали. Легированной называют сталь, содержащую специально введенные в нее легирующие элементы с целью изменения строения и свойств. Легирующие элементы могут образовывать с железом твердые растворы – легированный феррит и легированный аустенит, и химическое соединение – легированный цементит или специальные карбиды.
Легированные стали классифицируются:
по равновесной структуре: доэвтектоидные стали (с избыточным ферритом), эвтектоидные (перлитная структура) и заэвтектоидные (с избыточным карбидом) – эти стали составляют перлитный класс, ледебуритные, аустенитные, ферритные;
по составу: никелевые, хромистые, хромоникелевые и т.д.;
по назначению: конструкционные, инструментальные, с особыми свойствами;
по количеству легирующих элементов: низколегированные стали до 5%, среднелегированные – 5…10%, высоколегированные – более 10% легирующих элементов;
по качеству: качественные, высококачественные, особовысококачественные;
Маркируются легированные стали с помощью букв и цифр, указывающих примерный химический состав стали.
Для некоторых групп сталей применяют другую маркировку.
3.4. Классификация и маркировка чугунов
Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14%С. В практике машиностроения в большинстве случаев используют чугун с содержанием 2,5…4,0% С.
Чугуны классифицируются по назначению, степени графитизации или структуре, форме графита, микроструктуре металлической основы, химическому составу.
По назначению группы подразделяются на передельные (идут на переработку в сталь) и литейные (для изготовления отливок).
По структуре чугуны подразделяются на белый, серый и половинчатый, в зависимости от формы выделения С.
Белым называют чугун, в котором при нормальных условиях весь углерод находится в связанном состоянии, главным образом в форме цементита. На изломе у этого чугуна белый цвет и характерный металлический блеск. Наличие большого количества высокотвердого цементита обусловливает высокую хрупкость и плохую обработку резанием. Белый чугун в основном перерабатывают в сталь или при помощи термообработки трансформируют в ковкий чугун, иногда применяют как очень износостойкий материал.
Серым называют чугун, в котором весь углерод или большая его часть находятся в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержатся не более 0,8%. На изломе он имеет серый цвет.
В половинчатом чугуне часть углерода находится в виде графита, но при этом не менее 2%С присутствует в форме цементита.
По форме графита чугун подразделяется на серый – с пластинчатым графитом различной степени завихренности и толщины пластинок; ковкий – с хлопьевидными включениями графита; высокопрочный – с шаровидными включениями графита.
По химическому составу чугуны подразделяются на нелегированные, низко-, средне- и высоколегированные, содержащие соответственно 3…3,5%, 7…10% и более 10% легирующих элементов.
В промышленном чугуне кроме углерода обязательно содержатся кремний, марганец, сера и фосфор.
Кремний способствует графитизации чугуна и специально добавляется, его содержание в чугунах от 0,5% до 4,5%.
Марганец препятствует графитизации и способствует получению в структуре Fe 3 С, содержание Мn в чугунах от 0,4 до 1,3%.
Сера является нежелательным элементом, она снижает жидкотекучесть, отбеливает чугун. Содержание S допускается не более 0,08…0,12%.
Фосфор – полезная примесь, улучшает жидкотекучесть, увеличивает твердость и износостойкость чугуна. Содержание P – 0,3…0,8%.
На структуру чугуна кроме углерода и кремния существенно влияет скорость охлаждения отливок. При быстром охлаждении получается белый чугун, при медленном – серый. Наибольшее применение находит серый чугун.
Серый чугун содержит до 3,8%С, при этом в форме цементита находится не более 0,8%С, а остальной углерод находится в виде графитовых пластинок – чешуек.
Металлической основой серого чугуна может быть Φ, Φ+Π, Π, при этом структура не влияет на пластичность серого чугуна (все равно низкая), но оказывает влияние на его твердость и прочность.
Графит имеет низкую механическую прочность, и места его залегания можно рассматривать как внутренние надрезы, трещины, нарушения сплошности. Чем больше графита и чем крупнее включения, тем ниже механические характеристики. Для измельчения включений графита проводят модифицирование жидкого чугуна путем добавления в него силикокальция, алюминия и ферросилиция.
Серый чугун широко применяют в машиностроении. Это дешевый металл с хорошими литейными свойствами. Он легко обрабатывается режущим инструментом, обладает хорошими антифрикционными и демферирующими свойствами.
Рис. 3.4. Влияние металлической основы и формы включений
графита на свойства чугуна
Серые чугуны маркируются буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, показывающими предел прочности при растяжении (временное сопротивление при растяжении σ в ). Например: СЧ12, СЧ18, СЧ21, СЧ36, СЧ40 и т.д.
Чугуны СЧ12 – СЧ18 используют для изготовления неответственных деталей: крышек, корпусов подшипников, фундаментных плит и т.п.
Чугун, начиная с СЧ21, используют для изготовления станин мощных станков, ответственных деталей, зубчатых колес и т.п.
При быстром охлаждении отливок графитизация может произойти только в середине отливки, а поверхность приобретает структуру белого или половинчатого чугуна. Такие отливки из серого чугуна называют отбеленными, они обладают хорошим сопротивлением износу, из них изготавливают валки и шары для мельниц, тормозные колодки и т.д.
Высокопрочный чугун содержит около 3,0…3,6%С. Его получают добавлением в жидкий чугун магния (0,03…0,07%) или других щелочных или щелочноземельных металлов. При этом выделяющийся графит приобретает шаровидную форму, такой графит меньше ослабляет металлическую основу, и механические свойства чугуна улучшаются – повышается его пластичность и увеличивается твердость. Металлическая основа высокопрочного чугуна также может быть различной: Ф, Ф+П, П.
Высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности при растяжении в кгс/мм 2 и относительное удлинение в %, например: ВЧ38-47, ВЧ40-10, ВЧ50-2,5, ВЧ60-2 и т.д.
Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса двигателей внутреннего сгорания, крупные валы и другие ответственные детали.
Ковкий чугун содержит: 2,2…3,0%С, 0,7…1,5%Si, 0,2…0,6%Mn, менее 0,2%Р и менее 0,1%S. Термин «ковкий чугун» является условным и отражает повышенную пластичность этого чугуна при растяжении по сравнению с другими видами.
Ковкий чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна, в результате чего цементит распадается и графит выделяется в виде хлопьев.
При отжиге изделия из белого чугуна нагревают выше температуры А 1 (950…1000°С), выдерживают около 15 часов, медленно охлаждают в течение 30 часов в зоне А 1 (температуры эвтектоидного превращения) с 760°С до 720°С и затем охлаждают до комнатной температуры.
Рис. 5.4. Схемы отжига белого чугуна на ферритный (1) и перлитный (2) ковкие чугуны
При t = 950°С происходит распад цементита Fe 3 С →3Fe + Г, а затем при t = 760…720°С – распад аустенита А→ Ф + Г.
В результате всех превращений структура ковкого чугуна будет состоять из зерен Ф и равномерно распределенных хлопьев Г. Поскольку в таком чугуне находится довольно много графита, излом получается темным и его называют черносердечным (Ф + Г) – ковкий ферритный чугун.
Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами предела прочности и относительного удлинения, например: КЧ30-6, КЧ50-4, КЧ60-3 и т.д.
Из ковких ферритных чугунов изготавливают как изделия, работающие при высоких статических и динамических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, кроки), так и менее ответственные детали (хомуты, гайки, фланцы муфт).
Из ковкого перлитного чугуна делают вилки карданных валов, звенья и рамки конвейеров, втулки, тормозные колодки.
Ковкий чугун применяют для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
Легированные и специальные чугуны получают введением присадок легирующих элементов. В качестве присадок применяют Cr, Ti, V и др. Специальные чугуны отличаются содержанием кремния и марганца.
Маркируются чугуны по-разному, например, антифрикционные: АЧС-1, АЧК-1, АЧВ-1 или АЧС-2, АЧК-2 и т.д., кремнистые (14-18% Si): С-15, С-17, жаростойкие: ЖЧХ-20 (20% Cr), ЖЧХ-22 и т.д.