Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них-сталь и чугун - представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо--углерод, а также фазы в сплавах железа с легирующими элементами.
КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ В СИСТЕМЕ ЖЕЛЕЗО - УГЛЕРОД
Железо - металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999 % Fe, технические сорта 99,8-99,9 % Fe. Температура плавления железа 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации а и у. Модификация a-железа существует при температурах ниже 910 °С и выше 1392 °С (рис. 82). В интервале температур 1392-1539 °С a-железо нередко обозначают как б-железо.
Кристаллическая решетка а-железа - объемно центрированный куб с периодом решетки 0,28606 нм. До температуры 768 °С a-железо магнитно (ферромагнитно). Температуру 768 °С, соответствующую магнитному превращению, т. е. переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначают А. г.
Плотность а-железа 7,68 г/см 3 .
Рис. 82. Кривая охлаждения чистого железа (а) и схема микроструктуры феррита a-Fe (б) и аустенита y-Fe (в), X 150
у-железо существует при температуре 910-
1392 °С; оно парамагнитно.
Кристаллическая решетка у-железа гранецентрированная кубическая (а =
0,3645 нм при 910 °С).
Критическую точку превращения a^=ty(pnc. 821 при 910 С С обозначают со ответственно Ас 3 (при нагреве) и Аг ъ (при охлаждении). Критическую точку перехода у ^ а при 1392 °С обозначают Ас х (при нагреве) и Аг 4 (при охлаждении) .
Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см 8 , температура плавления 3500 с С, атомный радиус 0,077 нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метаста- бильной модификации алмаза.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.
В системе Fe-С различают следующие фазы: жидкий сплав , твердые растворы-феррит и аустенит , а также цементит и графит.
Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в a-железе. Различают низкотемпературный a-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 6-феррит о предельной растворимостью углерода 0,1 %. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, где помещается сфера радиусом 0,29 атомного радиуса железа, а также в вакансиях, на дислокациях и т. д. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (см. рио. 82, б).
Феррит (при 0,06 % С) имеет примерно следующие механические свойства: а„ = 250 МПа, а оа = 120 МПа, б 50 %, ф ^ 80 %, 80-90 НВ.
Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в у-железе. Предельная растворимость углерода в у-железе - 2,14 %. Атом углерода в решетке у-железа располагается в центре элементарной ячейки (см. рис. 29, б), в которой может поместиться сфера радиусом 0,41# (# - атомный радиус железа) и в дефектных областях кристалла.
Различные объемы элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в у-железе по сравнению с растворимостью в a-железе. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис. 82, в).
Цементит (Ц) - это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа Fe 3 G. В цементите содержится 6,67 % С. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада. До температуры 210 Ь С, обозначаемой А 0 , цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость 1000 HV и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.
Графит имеет гексагональную слоистую (см. рис. 88, а) кристаллическую решетку. Межатомные расстояния в решетке небольшие и составляют 0,142 нм, расстояние между плоскостями равно 0,340 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.
В сплавах Fe-G существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная - цементит и стабильная - графит. Поэтому различают две диаграммы состояния - метастабильную Fe- Fe 3 G и стабильную Fe-G (графит).
- Обозначения Ас и Аг происходят от начальных букв французских слов:А - arreter - остановка (площадка на кривой охлаждения), с - choffage-нагрев иг - refroidissnwnt - охлаждение.
Основа всех технич. отраслей промыш-ти. Fe в земной коре после Al занимает 2 место. В чистом виде Fe на практике прак-ки не сущ. В виде соед-й: железной руды Fe3O4.
Классиф-я сплавов на основе Fe :
Стали -сплавы на основе Fe, содержащ. менее 2,13% углерода.
Класс -я стали:
По химич. составу: -углеродистые; -легированные.
По назначению: конструкционные; -инструментальные.
По качеству: -обыкнов. качества; -качественные; -высококачественные; -особо высококачественные.
Обыкновеннокачест. (самое низкое качество). Исп-ся для изготов. неответствен. и неотгружен. изделий. Выпускается со следующ. гарантиями поставщика: -группа А (по механ. св-вам); -Б (по хим. св-вам).
Существует 7 марок сталей (от Ст0 до Ст7).
Легированные стали по %-му содерж. легирующ. вещ-в: -низко (до 2); -средне (до 7-8); -высоко (более 8).
Предназначенные для решения спец. задач:
Магнитотвёрдые.
Намагниченные мягкие.
Не намагниченные.
Коррозионно-стойкие (Cr и Ni).
Нержавеющие (содерж. более 13% Cr или Ni)
Класс-я инструментальные стали:
Углеродистые (У Ст8 – 0,8% углерода).
Легированные (осн. легирован. элемент – вольфрам).
Недостаток углер. инстр. –низкая t нагрева режущ. кронки, приводящ. к потере режущих св-в. Они не пригодны для обработки твер. Me и сплавов, железобет. конструкций.
Скорость резания легиров. превышает в десятки раз углеродистые. t нагрева от 250-650*С. Самые современные высоколегированные стали наз. мартенсипостареющие (очень высокие прочност. св-ва, нержавеющие, очень дорогие).
Стали спец назначения: -жаростойкие; -жаропрочные. Рабочие t-ы у них достигают 1150*С и при этом не теряют прочность.
2. Чугуны -сплавы на основе Fe с более высок. содерж. углерода.
Класс-я чугунов:
По назначению: -литейные; -передельные (для изготовления методом переплава в сталь). Сущ. 3 вида передела: 1) конверторный (по названию осн-го агрегата), 2)Мартеновский, 3)Электроплавка.
По структуре: -серые (С); -белые (Б); -ковкие (К). Ковкие, как и др, ковать нельзя. Название своё получили за самую высокую пластичность.
Виды поставок: -в виде отливок(чушек); -в жидкой фазе в расплаве (для последущ. переплава в сталь).
Ферросплавы -сплавы, содерж. очень высокие %-е доли друг. вещ-в. Они основные промышлен: FeMg, FeCu, FeCr, FeВольврам. Явл. очень ценным сырьём.
Цветные Ме и сплавы.
Al и его сплавы.
Al занимает 1 место по содержанию в земной коре; легкий; предел прочности очень низкий =150 М Па; пластичность =45%. Обладает очень высокими показателями тепло и электропроводности, уступая только меди и серебру. Промыш-ть выпускает след. марки по чистоте: -высокие (пищевые Al 99); -технические (Al 99,5).
Класс-я по назначению:
Литейные; -деформируемые (для изготовления деталей методом пластич. деформации: ковка, штамповка, пресование, протяжка).
Основные области использ-я в чистом виде: -электротехнич. пром-ть (кабельно-проводниковая); -изготовление материалов для пищевой пром-ти (фольга); -посуда, столовый инструмент.
Достоинства Al: высококорроз. стойкость, лёгкость. Недостатки: низкая прочность.
Использование: авиастроение, судо строение, двигателестроение.
Самые дешевые литейные сплавы –силумины (на основе Al и Силициума). Дост-ва: дешев. и высокие литейные св-ва. Нед-ки: хрупкость и невысокая термостойкость.
Чистое железо – металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe. Температура плавления железа 1539С. Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и режимов технической обработки.
Сталь
Является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей: Mn, Si, S, O, N, H и др., которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (P, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты - легированного металлического лома (Cr, Ni и др.).
Конструкционные стали и сплавы. Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Конструкционными сталями могут быть углеродистые и легированные стали.
Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.
Углеродистые конструкционные стали. Углеродистые конструкционные стали подразделяются на два класса: обыкновенного качества и качественные стали. В зависимости от условий и степени раскисления различают несколько видов сталей.
Спокойные стали. Эти стали, получаемые полным раскислением металла в печи, а затем в ковше, содержат минимальное количество закиси железа, что обеспечивает «спокойное» застывание металла в изложнице, происходящее с уменьшением объема.
Кипящие стали. К этому виду относятся стали, полностью нераскисленные и содержащие поэтому до затвердевания повышенное количество FeO. По сравнению со спокойной и полуспокойной сталью они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хорошо принимают вытяжку в холодном состоянии.
Полуспокойные стали. Это стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение.
Стали обыкновенного качества. Эти наиболее дешевые стали получили широкое применение. В процессе выплавки они по сравнению с качественными сталями меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора.
Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, уголки, швеллеры, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.
Качественные углеродистые стали. Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом в мартеновских или электропечах. Качественные углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.
Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность к образованию при сварке горячих и холодных трещин.
Среднеуглеродистые стали применяют после нормализации, улучшении и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности.
Высокоуглеродистые стали обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют после закалки и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки.
Автоматные стали. Автоматные стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество поверхности. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.
Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.
Стали с повышенным содержанием серы обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не могут быть рекомендованы для тяжело нагруженных ответственных деталей.
Конструкционные низколегированные стали. Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки.
Низколегированные стали не образуют при сварке холодных и горячих трещин.
Конструкционные цементуемые легированные стали. Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.
Хромистые стали. Хром широко используется для легирования стали. Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Хромованадиевые стали . Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.
Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали.
Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.
Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.
Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжело нагруженных деталей.
Хромомарганцевые стали. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.
Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.
Хромомарганцевые стали применяют в автомобильной и тракторной промышленности, а также в станкостроении.
Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.
Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали. Легирование бромом повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость против перегрева. Дополнительное легирование стали никелем повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость.
Конструкционные улучшаемые легированные стали. Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска.
Хромистые стали. Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Введение 0,1 - 0,2% ванадия повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.
Введение бора увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.
Чугун.
Сплавы железа с углеродом (> 2,14%) называютчугуном.Различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.
Серый чугун представляет собой сплав Fe - Si - C, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 - 3,8% углерода. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств углерода должно быть не менее 2,4%. Кремний оказывает большое влияние на строение, а следовательно и на свойства чугунов.
В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугуна:
1. Белый чугун; весь углерод находится в виде цементита Fe 3 C.
2. Половинчатый чугун; большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe 3 C.
3. Перлитный серый чугун; 0,7 - 0,8% углерода находится в виде Fe 3 C, входящего в состав перлита.
4. Ферритно-перлитный серый чугун. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% углерода.
5. Ферритный серый чугун. В этом случае весь чугун находится в виде графита.
Количество марганца в чугуне не превышает 1,25 - 1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, т.е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.
Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1 - 0,12%.
Серые чугуны по их применению можно разделить на группы:
1. Ферритные и ферритно-перлитные чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе.
2. Перлитные чугуны применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений.
3. Антифрикционныечугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл.
Белый и отбеленный чугунобладает высокой твердостью и хрупкостью. Практически не поддается обработке резанием. Высокая твердость поверхности обуславливает хорошую сопротивляемость против износа, поэтому его используют для изготовления прокатных валков листовых станков, колес, шаров для мельниц и т. д.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще для этой цели применяют магний.
Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, износостойкость и т. д.
Высокопрочные чугуны применяют в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении - для многих деталей прокатных станков; в химической и нефтяной промышленности - для корпусов насосов, вентилей.
Ковкий чугун. Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах отливок из белого чугуна. Ковкий чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния. Более низкое содержание углерода способствует повышению пластичности, так как при этом уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге.
Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения.
РАЗДЕЛ II МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИИ
Гл а в а 3 КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1. Сплавы железа
Конструкционные материалы - это материалы, применяемые для изготовления устройств (машин, механизмов, приборов, аппаратов, транспортных средств и др.), воспринимающих силовую нагрузку. Данные материалы могут быть металлическими (сплавы на основе железа, меди, никеля, титана, алюминия и других металлов), неметаллическими (пластмассы, стекло, резина, керамика, древесина и др.), композиционными (волокнистые, слоистые, порошковые) и др.
Металлические материалы для краткости обычно называют металлами и разделяют на черные (железо и сплавы на его основе - 95 % всей металлопродукции) и цветные (все металлы и сплавы, кроме сплавов железа), в числе которых легкие - алюминий, магний, бериллий, титан, стронций, цезий, барий, натрий, кальций и калий; тяжелые - медь, никель, свинец, олово, цинк, кобальт, сурьма, ртуть, висмут, кадмий; тугоплавкие - вольфрам, молибден, тантал, ванадий, ниобий, рений, хром, цирконий, гафний; благородные (драгоценные) - золото, платина, серебро и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий, иридий) и др.
Предметом нашего рассмотрения являются металлы, имеющие промышленное применение в качестве конструкционных.
Чугун - черный металл, представляющий собой сплав железа с углеродом (более 2 %) и некоторым количеством марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов (см. подразд. 2.1). Основная доля получаемого в доменных печах чугуна предназначается для передела в сталь и такой чугун называют передельным. Кроме того выплавляется литейный чугун и ферросплавы - специальные чугуны с увеличенным содержанием кремния, алюминия, хрома, ванадия, никеля, титана. Ферросплавы применяются для раскисления и легирования сталей.
Присутствие в чугуне свободного углерода С (графита) проявляется в сером цвете излома, и такой чугун называют серым, а если углерод находится в связанном состоянии, т.е. в виде карбида железа Fe3C, то излом чугуна будет светлым, блестящим и чугун называют белым.
Серый чугун является основным материалом машиностроения благодаря хорошим литейным свойствам, малому удлинению, пониженной чувствительности к нагреву, хотя прочность и износостойкость его невысоки. Из этого чугуна преимущественно отливают детали достаточно сложной формы, к которым не предъявляются жесткие требования к сохранению заданных габаритных размеров, и толщина стенок изделий определяется не условиями прочности, а технологией производства. Серые чугуны малой прочности обладают лучшими литейными свойствами, характеризуются меньшими механическими напряжениями и короблением, чем серые чугуны повышенной прочности.
Отливки из серых чугунов средней прочности наиболее широко применяют в машиностроении для изготовления корпусных и опорных деталей станков и машин. Для таких целей используют чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ 18 (здесь буквы «СЧ» - серый чугун, цифры1 - предел прочности при растяжении, кгс/мм2). Например, чугун марки СЧ 18 - это серый чугун с пределом прочности на растяжение не менее 180 МПа.
Коленчатые валы, детали передач, тяжелонагруженные станины и направляющие, работающие на износ в условиях значительных нагрузок, скоростей и напряжений, производят из серых чугунов повышенной прочности - марки СЧЗО и СЧ35 (ГОСТ 1412 - 85).
Улучшение прочности серого чугуна достигается при обеспечении выделения и равномерного распределения мелкопластинчатого графита путем специальной обработки - модифицирования. Модифицируют чугуны введением в расплав графитизирующих добавок (ферросилиций, силикокальций, силикоалюминий и др.), которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего и получается мелкопластинчатый графит. Такой чугун называют модифицированным, он отличается от обычного серого чугуна более высоким сопротивлением разрыву, улучшенными литейными свойствами, однородностью структуры. Его применяют для изготовления отливок ответственного назначения (дизельные цилиндры, блоки цилиндров, кулачковые коленчатые валы и др.).
Высокопрочные чугуны получают модифицированием серого чугуна магнием (0,5... 1,2 %), кальцием, церием и др. Эти добавки способствуют тому, что графит при кристаллизации чугуна формируется в виде шаров, придавая чугуну высокую прочность на растяжение до 1 ГПа (100 кгс/мм2) и удлинение 8... 10%. Такая пластичность, как у чугуна с шаровидным графитом, отсутствует даже у самых лучших серых чугунов с мелкопластинчатым графитом. Кроме того, благодаря шаровидному графиту чугун приобретает высокую стойкость против истирания и хорошие антифрикционные свойства.
Структура отливки из чугуна при одном и том же составе может быть разной в зависимости от толщины отливки. Чтобы обеспечить необходимую структуру отливок разной толщины, нужно знать их химический состав.
Тонкостенные отливки выполняют из чугунов с содержанием углерода до 3,6 % и кремния до 2,8 %, повышению жидкотекуче-сти чугуна способствует фосфор (но пластические свойства чугуна фосфор снижает; для получения чугуна с высокими пластическими свойствами содержание фосфора не должно превышать 0,08 %). В чугуне для тонкостенных отливок и для художественного литья содержание фосфора может быть до 1,2 %. Антифрикционные свойства отливок повышают добавками никеля и хрома, снижая содержание кремния, серы и фосфора одновременно. Повышенное содержание хрома и никеля в чугуне делает его жаро- и коррозионно-стойким.
Изделия, работающие в условиях повышенного износа (тормозные колодки, щеки камнедробилок и др.), высоких температур (колосники и др.), химического воздействия реагентов (емкости и арматура для агрессивных сред), изготовляют методом литья из белого чугуна. Прокатные валки, вагонные колеса, гидроцилиндры и другие изделия делают из отбеленного чугуна (поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а основная масса изделия имеет структуру и свойства серого чугуна). Отбеленный чугун хорошо сопротивляется изнашиванию.
Белые чугуны бывают легированные и нелегированные. Введение в состав белых чугунов никеля и бора делает их износостойкими, легирование хромом придает им износо- и теплостойкость, а кремнием - кислотостойкость.
По названию легирующего компонента, содержание которого в чугуне наибольшее, легированные чугуны могут называться никелевыми, алюминиевыми, хромистыми и др. Например, легированный никелевый чугун марки ЧН19ХЗШ, обладающий повышенными коррозионной стойкостью, прочностью, пластичностью, содержит 17...20% никеля, 2,5...3,5% хрома и суммарно менее 0,08 % серы. Буква «Ш» в марке означает, что углерод (графит) в структуре данного чугуна имеет шаровидную форму. Алюминиевый чугун марки ЭАЧЮ-22 как жаростойкий и износостойкий материал (буква «А» - антифрикционный) имеет в своем составе
19...25 % алюминия и пластинчатый углерод.
Сплав чугаль - жаростойкий и коррозионно-стойкий чугун, содержащий 19...25 % алюминия. Из него изготовляют детали отжиговых печей, работающих в парах серы, тигли для плавления алюминия и др.
Хромистые чугуны (марки ЖЧХ1 - ЖЧХЗО) предназначены для изготовления жаростойких (буква «Ж» в марке чугуна), коррозионно-стойких и износостойких отливок. Предельная рабочая температура для изделий из хромистых чугунов, содержащих 13... 16 % хрома, составляет 900 °С, а для чугунов с 20... 30 % хрома - 1 200 С.
Ковкий чугун - чугун, характеризующийся по сравнению с серым чугуном более высокими прочностью, пластичностью и вязкостью. Ковкий чугун получают специальной термической обработкой белого чугуна. В результате ковкий чугун может быть со структурой чистого феррита с внедренными в него включениями углерода отжига (графит хлопьевидной формы). У такого чугуна предел прочности при растяжении составляет 0,35...0.4 ГПа (35...40 кгс/мм2) и удлинение 1.5... 15%. Ковкий чугун с перлитной основой имеет предел прочности при растяжении 0,5... 0.6 ГПа (50...60 кгс/мм2), но низкое удлинение 2...4% и значительно меньшее сопротивление удару, чем у ковкого чугуна со структурой феррита. Но главным преимуществом перлитного ковкого чугуна перед ферритыым - высокое сопротивление изнашиванию. Ковкий чугун ориентировочно содержит 0,5... 1,6% углерода, 0,3...0,5% марганца, менее 0,2% фосфора и менее 0,! % серы.
Ковкие чугуны представляют собой наиболее дешевый и удобный материал для изготовления мелких литых изделий сложной формы. Из них получают литьем детали автомобилей, станков, водопроводной арматуры, конвейеров и элеваторов. Достоинством ковкого чугуна является высокое отношение предела текучести к пределу прочности, относительно высокое сопротивление изгибу и кручению, он износостоек, литая поверхность обладает коррозионной стойкостью, хорошо обрабатывается режущим инструментом, имеет малую плотность. Ковкий чугун дешев, доступен и может служить конструкционным материалом.
Ковкие чугуны маркируют по их названию и некоторым механическим свойствам. Например, в марках КЧ 40-4 и ВЧ 60-8 буквы «Ч» - чугун, «К» - ковкий, «В» - высокопрочный, а цифры - предел прочности при растяжении (40 и 60 кгс/мм2, т.е. 400 и 600 МПа) и относительное удлинение в процентах (4 и 8 % соответственно).
Стали по химическому составу разделяют на два класса: нелегированные (углеродистые) и легированные. Нелегированная (углеродистая) сталь - сплав железа с углеродом (0,04...2% С) и постоянными примесями марганца, кремния, серы и фосфора, которые неизбежно присутствуют в связи с условиями его производства. По содержанию углерода нелегированную (углеродистую) сталь подразделяют на подклассы: низкоугаеродистая (до 0,25 % С), среднеуглеродистая (0,25...0,60 % С) и высокоуглеродистая (более 0,60 % С). Легированная сталь подразделяется на подклассы низко-, средне-, высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой, никелевой основе и др. В технике используется классификация сталей по их назначению, качеству и др.
По назначению выделяют группы сталей: конструкционная; инструментальная; топочная и котельная; для железнодорожного транспорта (рельсовая, для колес и др.); подшипниковая; рессорно-пружинная, трубная и др.
По качеству различают группы сталей обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначаются буквами «Ст» (от слова «сталь») и номером марки от 0 до 6 в порядке возрастания прочности; в конце марки указаны буквы, характеризующие способ раскисления: «сп» - спокойная; «пс» - полу-спокойная; «кп» - кипящая, т.е. сталь нераскисленная, менее однородная, так как содержит растворенные газы. Цена на такую сталь снижается примерно на 12 %. Углеродистые стали обыкновенного качества используют в конструкциях, требующих при изготовлении гибки, резки, пробивки отверстий, холодной высадки с большим деформированием металла (элементы котлов и резервуаров, крепежные изделия - заклепки, шайбы, болты). Например, металлические крановые и строительные конструкции делают из стали СтЗпс и СтЗкп.
Стали качественные бывают легированные и углеродистые. Обозначение марок легированных сталей включает в себя примерный химический состав стали. Первые цифры в обозначении, например, конструкционных сталей - среднее содержание углерода в сотых долях процента, а в обозначении инструментальных сталей - в десятых долях процента. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами русского алфавита: азот (не в конце марки) - А, алюминий - Ю, бор - Р, ванадий - Ф, вольфрам - В, кремний - С, марганец - Г, медь - Д, молибден - М, никель - Н, титан - Т, хром - X и др. Цифры, стоящие в марке после букв, указывают примерное процентное содержание соответствующего легирующего элемента. Если содержание элемента около или менее 1 %, то цифра не указывается. Высококачественные легированные стали дополнительно отмечают буквой «А» в конце марки, которая указывает, что в данной стали суммарное содержание вредных примесей - фосфора и серы - содержится менее 0,05 %. Буква «Л» в конце марки - литейная.
Конструкционные качественные углеродистые стали широко применяют в
машиностроении для изготовления разных деталей как термически
обрабатываемых, так и необрабатываемых термическим способом. При
маркировке этого материала после слова «сталь» указывают двухзначную
цифру - среднее содержание углерода в сотых долях процента. Марки этой
стали: 08; 10; 15; 20;
25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 58; 60; 65; 70. Считается, что закалку
начинает принимать сталь, содержащая 0,30...0,35 % углерода. Когда
необходимо иметь твердую поверхность и мягкую сердцевину, то используют
низкоуглеродистую качественную сталь (например, сталь 20). Из этой стали
изготовляют детали, которые подвергают цементации и закалке до получения
твердости 60...64 HRC, после чего их обрабатывают окончательно.
Среднеуглеродистая качественная сталь (например, сталь 45) закалку принимает, но твердость при этом будет 42...44 HRC. Для деталей, изготовляемых на токарных автоматах, используют так называемые автоматные стали с повышенным содержанием фосфора и серы. Эти стали обозначают буквой «А» и двухзначным числом - содержание углерода в сотых долях процента. Например, автоматная сталь AI2 содержит в среднем 0,12% углерода. Детали из автоматных сталей имеют калиброванный наружный диаметр (для зажима прутка из таких сталей цангой) с малой шероховатостью, они хорошо обрабатываются резанием, образуя обычно мелкую стружку скалывания.
Из конструкционной стали производится большой ассортимент сортового проката простого и фасонного профиля: холоднокатаные (толщиной 0,05...3,6 мм) и горячекатаные (2,2...3,6 мм) ленты, тонкий (0,2...4 мм) и толстый (4... 160 мм) лист, полоса (4...8 мм), широкая полоса (6..,60 мм), изделия круглого, квадратного, шестигранного сечений, уголки (равнобокие и неравнобокие), швеллеры, двутавры, фасонный прокат, трубы (электросварные, бесшовные, волоченые) и др.
Для изготовления стальных изделий методом литья используют специальные углеродистые стали. По свойствам получаемые так называемые отливки разделяют на три группы: I - обыкновенного, II - повышенного и III - особого качества. Стальные отливки, как правило, имеют несколько худшую структуру и соответственно более низкие механические свойства, чем стальные изделия, изготовленные давлением.
Легированная сталь - это сталь, в которой наряду с обычными примесями (углерод, кремний, марганец, сера, фосфор) содержатся специально вводимые легирующие эдементы или кремний и марганец в повышенном количестве. При суммарном содержании легирующих элемен тов до 2,5 % сталь считается низколегированной, 2,5... 10% - среднелегированной и более 10% - высоколегированной. Легирующими элементами служат хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, гитан. По основным легирующим элементам стали называют соответственно хромистыми, никелевыми, хромоникелевыми, молибденовыми и другими и указывают легирующие элементы в марке. Например, в конструкционной высококачественной (буква «А» в конце марки) хромоникелевой стали марки 40ХН2МА содержится 0.4% углерода, примерно 1 % хрома, примерно 2 % никеля и примерно 1 % молибдена.
Коррозионно-стойкие стали также являются конструкционными материалами, широко используемыми в промышленности. Коррозионно-стойкими высоколегированными называют стали, устойчивые к коррозии в воздушной атмосфере, морской и речной воде, а также в некоторых агрессивных средах. Наиболее известны хромистые (содержат 12...27 % хрома) и хромоникелевые (18 % хрома и 9 % никеля) стали, которые могут иметь в своем составе и другие добавки (титан, алюминий). Коррозионно-стойкие высоколегированные стали можно классифицировать по назначению, выделяя группы конструкционных, инструментальных, кислотостойких, жаростойких, окалиностойких (жароупорных) материалов, а также стали с большим электрическим сопротивлением. Ознакомимся с некоторыми из них более подробно.
Коррозионно-стойкие стали можно также разделить на две большие группы атмосферостойких и кислотостойких (стойкие в агрессивных средах) сталей. Следует заметить, что атмосферные воздействия выдерживают все коррозионно -стойкие стали, однако по экономическим соображениям в качестве атмосферостойких рекомендуется использовать стали марок Х14, 20X13, 30X13, 40X13, Х13Н4Г9 и др. Из указанных сталей изготовляют лопатки для турбин, клапаны гидравлических прессов, шестерни, предметы бытового обихода. Сталь 40X13, используемая для производства хирургического, режущего, мерительного инструментов, принимает закалку (содержит до 0,4 % углерода) и удерживается на магнитном столе при проведении шлифования.
Кислотостойкими являются стали XI7, Х17Н2, Х25, Х28, 20Х18Н9, Х18Н9Т, Х18Н11Б и другие, из которых делают оборудование для азотно-кислотных заводов, баки, трубопроводы, теплообменники, абсорбционные башни. Кроме того, из сталей Х17, Х17Н2 изготовляют оборудование кухонь, столовых, консервных заводов и предметы домашнего обихода.
Сернистой, кипящей фосфорной, муравьиной и уксусной кислотам хорошо противостоит сталь Х18Н12МЗТ, которую и используют для производства соответствующего оборудования и приспособлений, контактирующих с данными средами.
Окалиностойкая сталь противостоит образованию окалины при воздействии на нее газовой атмосферы с высокой температурой. Жаростойкость - способность сплава сопротивляться химическому разрушению в газовых средах при высокой температуре эксплуатации (выше 550 °С). Жаростойкая сталь способна работать в агрессивной среде при высокой температуре, сохраняя механические свойства. С этими сталями будем знакомиться одновременно, так как свойства окалино- и жаростойкости, дополняющие одно другое, стали приобрели благодаря введению больших количеств хрома (до 30 %) и никеля (до 78 %). Повышению жаростойкости инструментальных сталей способствуют также добавки вольфрама и молибдена.
Некоторые жаростойкие стали являются жаропрочными, т.е. могут работать в агрессивной среде и в условиях высоких температур в течение определенного времени в нагруженном состоянии. Например, стали Х18Н25С2 и Х25Н2С2 окалиностойки при температуре до 1 100 °С, жаростойки и кислотостойки и жаропрочны. Их используют для изготовления таких изделий, работающих в сильно нагруженном состоянии, как конвейерные ленты для печей, которые испытывают одновременное силовое воздействие больших перемещаемых термически обрабатываемых изделий и высокой температуры. Стали Х20Н14С2, Х23Н13 и Х23Н18 окалиностойки до температуры 1 ООО °С, они жаропрочны и кислотостойки. Из них делают подвески и опоры в котлах, детали в установках пиролиза газа, сварочную проволоку, трубы и др. Такие стали, как Х9С2, Х12ЮС, Х14Н14В2М (ГОСТ 20072-75), применяют для производства деталей паровых и газовых турбин, пароперегревателей и др., работающих в условиях высоких давлений и температур (до 800 °С), так как они не образуют окалины и жаропрочны. Задвижки, штоки, отдельные детали насосов, трубы и другие изделия, выдерживающие температуру до 650 °С в условиях воздействия паров серной кислоты, выполняют из стали Х6СМ и Х7СМ, которые в этих условиях не окисляются. Детали из стали Х18Н9Т способны работать при температуре нагрева до 600 °С. Эта сталь не подвержена межкристаллитной коррозии (коррозия по границам зерен), не выделяет газов при нагреве и поэтому используется для изготовления вакуумных систем.
Нитраллой - общее название группы сталей (например, 38ХЮ, 38ХМЮА), предназначенных для изготовления деталей, работающих в тяжелых условиях и поэтому специально азотируемых. Легирующими элементами таких сталей являются алюминий, хром, молибден, ванадий, образующие мелкокристаллические твердые нитриды, придающие поверхностному азотируемому слою большую твердость (до 1 200 HV) и износостойкость.
Хромансиль - конструкционная среднелегированная сталь, имеющая в своем составе по одному проценту хрома, марганца и кремния и характеризующаяся благоприятным сочетанием прочности и пластичности. Такую сталь используют в машиностроении для изготовления различных конструкций.
Железо (Fe) - металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe, технические сорта 99,8 - 99,9% Fe. Температура плавления железа 1539 о С. Железо имеет две полиморфные модификации и . Модификация - железа существует при температурах ниже 910 о С и выше 1392 о С (рис. 40). В интервале температур 1392-1539 о С - железо нередко обозначают как - железо.
Кристаллическая решетка - железа - объемно центрированная кубическая (ОЦК). До температуры 768 о С - железо магнитно (ферромагнитно). Эту точку перехода от ферромагнитного в парамагнитное состояние называют точкой Кюри (А 2 ).
Модификация - железа существует при температуре 910-1392 о С. Оно парамагнитно. Кристаллическая решетка - железа - гранецентрированная кубическая (ГЦК) (рис.40).
В дальнейшем точки, соответствующие температуре превращения одной фазы в другую будем называть критическими точками, обозначающимися буквой А с индексами c и r (c - при нагреве, r - при охлаждении) и цифрами. Ас 3 при нагреве (или А r 3 - при охлаждении) -
переход ↔ при температуре 910 о С. Ас 4 (А r 4 ) - критическая точка перехода γ↔α при температуре 1392 о С (рис.41).
Рис.40. Кривая охлаждения чистого железа
Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами - растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом - растворы внедрения.
В промышленности обычно используются сплавы железа с другими элементами. Наиболее широко применимы сплавы железа с углеродом - стали и чугуны. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы.
8.1. Диаграмма железо-углерод
Диаграмма состояния железо-углерод дает представление о строении железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.
8.1.1. Компоненты и фазы в системе железо - углерод
Кроме железа , рассмотренного ранее, в состав железоуглеродистых сплавов входит углерод. Углерод (С) является неметаллическим элементом, атомный номер 6, температура плавления 3500 о С. Углерод в обычных условиях находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.
Углерод растворим в железе в твердом и жидком состояниях, а также может быть в виде химического соединения - цементита (Fe 3 C), а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.
В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав , твердые растворы - феррит и аустенит , а также цементит и графит .
Феррит (Ф) - твердый раствор углерода и других примесей в α- железе. Различают низкотемпературный α -феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный δ- феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен (рис.39 б ). Феррит пластичен, но обладает низкой прочностью и твердостью.
Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в γ - железе. Предельная растворимость углерода в γ - железе 2,14%. Микроструктура аустенита - полиэдрические зерна (рис.41 а ). Аустенит облазает высокой пластичностью и низкими прочностными свойствами.
Рис.41. Микроструктура железа, х400: а - аустенит, б - феррит
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа (Fe 3 C). В цементите содержится 6,67% С. До температур 210 о С (А 0 ) цементит ферромагнитен. Он обладает очень высокой твердостью и очень малой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.
Графит - модификация углерода в равновесном состоянии. Он мягок, обладает низкой прочностью и электрической проводимостью.
Различают диаграммы состояния железо-углерод и железо-цементит. Первая диаграмма соответствует равновесному состоянию, вторая -метастабильному.
На диаграмме железо-цементит (рис. 42) дан фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). В таблице 2 представлены характерные точки этой диаграммы.
Точки N (1392 0 C) и G(911 0 C) соответствуют полиморфному превращению α↔γ .
Таблица 2
Характерные точки на диаграмме железо-цементит
|
Температура, 0 C |
Концентрация С,% | ||
|
1539 (t пл Fe) | |||
Линии диаграммы состояния Fe-Fe 3 C имеют следующие обозначения и физический смысл.
АВС D - линия ликвидус, AHJECF - линия солидус. АВ показывает температуру, ниже которой происходит кристаллизация δ -феррита (Ф δ) из жидкого сплава (Ж); ВС соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава; С D соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe 3 C I) из жидкого сплава; АН является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов δ-феррита; ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB - линия перитектического равновесия (1499 0 С) с протеканием перитектической реакции (жидкость состава точки В взаимодействует с кристаллами δ -феррита состава точки Н с образованием аустенита состава точки J ):
Ж В +Ф Н А J
Линия ECF соответствует кристаллизации эвтектики - ледебурита (А Е + Fe 3 C ) :
Ж С А Е + Fe 3 C .
Структура ледебурита характерна для эвтектического сплава, содержащего 4,3% углерода. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение (рис. 43). После охлаждения ниже температуры 727 0 С ледебурит представляет собой эвтектическую смесь перлита и цементита.
Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называются сталями , а сплавы, содержащие выше 2,14% углерода, чугунами .
При охлаждении ниже температуры 727 0 С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция:
А Е Ф Р + Fe 3 C .
Линия эвтектоидного превращения соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида - ферритоцементитной структуры - перлита (Ф Р + Fe 3 C ) (рис. 44, ж ).
Рис.43. Микроструктура чугунов, х450: а - доэвтектический чугун (перлит, ледебурит, вторичный цементит), б - эвтектический (ледебурит), в - заэвтектический (первичный цементит и ледебурит)
Стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, называются заэвтектоидными и после охлаждения имеет структуру перлита и избыточного цементита, который располагается по границам перлитных зерен (рис. 44, з ). Выделение избыточного цементита в виде сетки или игл делает сталь хрупкой. Поэтому специальной термической обработкой и деформацией ему придают зернистую форму (рис. 44, и ).
Рис.44. Микроструктура
стали в зависимости от содержания
углерода, х450: а
- техническое железо, б-е
- доэвтектоидные стали (б
- 0,1% С, в
- 0,22% С, г
- 0,3% С, д
- 0,4% С, е
- 0,55% С), ж
- эвтектоидная сталь (0,8% С), з-и
- заэвтектоидные стали (з
- 1,3% С, и
- 1,1% С)
Чугуны, в зависимости от содержания углерода, подразделяются на доэвтектический (2,14 - 4,3% С, структура после охлаждения - перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит), эвтектический (4,3% С, структура после охлаждения - ледебурит (перлит + цементит)) и заэвтектические (более 4,3% С, структура - ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит) (рис. 43). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.
Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют указанную выше различную структуру. Однако фазовый состав всех сплавов одинаков: при температуре ниже 727 0 С они состоят из феррита и цементита .