Диаграмма состояния системы железо углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы стали (стр. 7 из 9)

Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение временного сопротивления, умноженное на

СЧ 15.

3.5. Высокопрочный чугун

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.

Высокопрочный чугун имеет в своем составе выделения графита шаровидной формы, поэтому соединяет в себе высокую прочность стали с важнейшими технологическими достоинствами чугунов. Графит шаровидной формы возникает непосредственно кристаллизации жидкого чугуна в результате модифицирования его магнием (иногда церием) перед заливкой в формы. Вместе с магнием в чугун вводят также ферросилиций.

Шаровидная форма графита в значительно меньшей степени оказывает вредное надрезывающее воздействие на металлическую основу чугуна, чем пластинчатые выделения графита. Поэтому высокопрочный чугун имеет все показатели механических свойств намного выше, чем серый. Структура основы высокопрочного чугуна, так же как и серого, может быть чисто ферритной, перлитной или феррито - перлитной. Формирование этой структуры происходит в процессе эвтектоидных превращений, как было показано ранее.

Из высокопрочного чугуна изготовляют весьма ответственные изделия: коленчатые валы автомобилей и тракторов, детали оборудования прокатных станов и другие.

Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.

Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на

ВЧ 100.

3.6. Ковкий чугун

Ковкий чугун имеет выделения графита в виде компактных образований неправильной формы или хлопьев. Получается он путем специального отжига отливки из малоуглеродистого белого чугуна. Свое название ковкий чугун получил за более высокие пластические свойства по сравнению с серым чугуном, хотя свободной ковке (без оправки) он, конечно, никогда не подвергался.

Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.

Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.

Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига, схема которого представлена на рис. 11.4.

Рис. 16. Отжиг ковкого чугуна.

Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000° С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита:.

.

Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига). Затем следует охлаждение до температуры стабильного эвтектоидного превращения (примерно до 760° С). При медленном охлаждении в интервале 760…720° С, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига - получается ферритный ковкий чугун (режим а, рис. 16). При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 16) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун. Структура чугуна, отожженного по режиму в (рис.16), состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун). Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы. Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Обозначаются индексом КЧ (ковкий чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на

, а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6.

4. Стали

4.1. Влияние углерода

При комнатной температуре сталь состоит из смеси мягкого и пластичного феррита и очень твердого и хрупкого цементита. Поэтому увеличение процентного содержания С в стали, вызывая увеличение количества цементитной фазы, естественно, приводит к росту твердости и прочности и к снижению пластичности и вязкости стали. Однако общий ход изменения механических свойств и значения конкретных величин различных свойств зависят также от сочетания и дисперсности фаз. Как известно, структура доэвтектоидной стали после медленного охлаждения состоит из избыточного феррита и перлита, а заэвтектоидной - из вторичного избыточного цементита и перлита. Структура эвтектоидной сталь (0,8 % С) состоит из одного перлита. Повышение содержания углерода в стали до 0,8 % вызывает увеличение количества перлита и уменьшение феррита, а при дальнейшем увеличении С (> 0,8%) - к появлению наряду с перлитом вторичного цементита.

Влияние содержания углерода на механические свойства стали показано на рис. 17. Следует обратить внимание на изменение прочности. Прочность повышается до содержания углерода около 1 %, а затем она уменьшается. Это объясняется появлением в структуре заэвтектоидной стали хрупкого вторичного цементита в виде тонкой оболочки вокруг перлитных зерен, что и вызывает преждевременное разрушение стали при растяжении. Приведенные на рис. 9 цифры значений механических свойств являются средними и могут колебаться в ту и другую сторону в зависимости от содержания примесей и условий охлаждения стали.

Рис.17. Влияние углерода на свойства сталей

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

4.2. Примеси в сталях

В сталях всегда присутствуют постоянные, вредные и случайные примеси, т.к. сталь является многокомпонентным сплавом.

Сера, фосфор и все газы являются вредными примесями, и усилия металлургов всегда направлены на максимальное снижение этих элементов в стали.

Сера. Содержание серы в сталях промышленных марок составляет обычно 0,015…0,050 %. Сера образует с железом легкоплавкую эвтектику FеS, (температура плавления 988°), обычно располагающуюся вокруг зерен, закристаллизовавшихся ранее этой эвтектики. При горячей механической обработке (ковка, прокатка) эвтектика плавится, что вызывает потерю связи между зернами стали: слиток или поковка разваливается на части. Это явление называется красноломкостью.