Раскисление стали – это снижение содержания кислорода в стали.

Все способы выплавки стали из чугуна и скрапа – окислительные процессы.

В конце выплавки сталь всегда содержит кислород [O] он ухудшает прочность, пластичность, вязкость стали, поэтому нужно уменьшать содержание кислорода до допускаемых норм т.е. раскислить сталь.

Для кислородно-конвертерной стали применяют глубинное (осаждающее) раскисление – в глубину металла. Для этого вводят раскислители - Это элементы, вступающие в реакцию с кислородом. Вещества, образующие при их окислении, имеют меньшую плотность, чем сталь: они всплывают в шлак.

Наиболее часто сталь раскисляют ферросплавами Mn, Si, Al.

[Mn]+[O]=(MnO)+Q

[Si]+2[O]=(SiO2)+Q

2[Al]+3[O]=Al2O3+Q

Классификация сталей по степени раскисления:

Кипящая сталь – наименее раскисленная – получена при раскислении только одним ферромарганцем. Реакция [C]+[O]=CO не прекращается и металл “кипит”. Из слитка кислород удляют горячей прокаткой.

Кипящая сталь наиболее дешевая, так как при ее выплавке расходуется минимальное количество специальных добавок и обеспечивается максимальный выход годного продукта. Пониженное содержание кремния и марганца обусловливает меньшую прочность и большую пластичность, чем у спокойной стали. Недостатками кипящей стали являются развитая ликвация, в головной части слитка неоднородность содержания углерода достигает 400 %, серы — 900 % от их среднего содержания. В спокойной стали неоднородность содержания углерода лишь на 60 %, а по сере на 110 % превышает их среднее содержание в стали. Прокат из кипящей стали более неоднороден по химическому составу, чем прокат из спокойной стали. Листы и профили, изготовленные из разных частей слитка, различаются по содержанию углерода, серы и фосфора. Поэтому прокат из кипящей стали характеризуется неоднородностью структуры и механических свойств даже для металла одной плавки. В среднем кипящая сталь содержит около 0,02 % кислорода, что в несколько раз больше, чем у спокойной стали. Хладостойкость кипящей стали понижена, в среднем Т₅₀ у нее на 10–20 °С выше по сравнению с Т₅₀ для спокойной стали. Пониженное сопротивление хрупкому разрушению особенно характерно для проката значительной толщины (14–20 мм и более) из кипящей стали.

Спокойная сталь – наиболее раскисленная – получается при последовательном раскислении металла FeMn, FeSi, FeAl. После введение раскислителей выделение пузырьков СО прекращается, сталь наиболее качественная и дорогая.

Спокойная сталь гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящая сталь. Благодаря присутствию в спокойной стали остаточного (кислоторастворимого) алюминия у нее ниже склонность к росту зерна, чем у кипящей стали. Поэтому прочность и хладостойкость более однородного и мелкозернистого проката из спокойной стали выше, чем проката из кипящей стали. Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного металла слитков спокойной стали около 85%, но металл значительно более плотен и имеет более однородный химический состав.

Но при затвердевании спокойной стали в изложницах образуется большая усадочная раковина, для удаления которой прибегают к обрезанию слитка (12–16 % по массе). Вследствие этих потерь, а также дополнительных расходов, в том числе на ферросплавы и алюминий для раскисления, спокойная сталь значительно дороже кипящей.

Полуспокойная сталь – получается при раскислении ферромарганцем FeMn и уменьшенным количеством ферросилициума FeSi. Раскислители вводят не в конвертер, а на струю металла при выпуске плавки.

По однородности химического состава, микроструктуры и механических свойств, по сопротивлению хрупкому разрушению и прочностным показателям прокат из полуспокойной стали уступает прокату из спокойной стали и занимает между ним и прокатом из кипящей стали промежуточное положение.

Основным преимуществом кипящей стали является высокий (более 95 %) выход годного металла. У полуспокойной стали, раскисляемой марганцем и в ковше кремнием, выход годного металла составляет около 90 %.

Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного металла слитков спокойной стали около 85%, но металл значительно более плотен и имеет более однородный химический состав.

Разливка стали

Из разливочного ковша сталь разливают в изложницы - чугунные формы для изготовления слитков.

Слитки используют для: отливок до 25 тонн или поковок до 300 тонн.

Способы разливки

1. Разливка сверху (для углеродистых сталей)

1. Сифонная разливка (для легированных. высококачественных сталей)

3.Непрерывная разливка (машины непрерывного литья – вытягивание слитков из кристаллизаторов

Введение

Правильно выбрать способ получения заготовки – означает определить рациональный технологический процесс её получения с учётом материала детали, требований к точности её изготовления, технических условий, эксплуатационных характеристик и серийности выпуска. Поэтому очень важен экономически и технологически обоснованный выбор вида заготовки для данного производства.

Важнейшим направлением повышения эффективности литейного процесса является:

• улучшение качества,

• надежности,

• точности и шероховатости отливок с максимальным приближением их к форме готовых изделий путем внедрения новых технологических процессов

• улучшения качества литейных сплавов,

• устранение вредного воздействия на окружающую среду и улучшения условий труда.

Общие сведения о литейном производстве

Литейная технология – это процесс получения литых заготовок путем заливки расплавленного металла в формы, полость которых повторяет конфигурацию отливки. При охлаждении металл затвердевает и принимает конфигурацию полости формы.

Литьем получают разнообразные конструкции отливок массой от нескольких грамм до 300т, длиной от нескольких сантиметров до 20м, со стенками толщиной 0,5-500 мм (блоки цилиндров, поршни, коленчатые валы, корпуса и крышки редукторов, зубчатые колеса, станины станков, станины прокатных станов, турбинные лопатки и т.д.). Отливки получают из черных сплавов (чугуны, стали) и цветных сплавов (алюминиевых, магниевых, медных, цинковых, титановых и др.).

Для получения расплава применяют шихтовые материалы:

-небольшие слитки металлургического производства (чушки)

-отходы собственного производства

-лом

-флюсы

Требования к литейным материалам:

1. Состав материалов должен обеспечивать получение в отливке заданных физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура должны быть стабильными в течение всего срока эксплуатации отливки.

2. Материалы должны обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, низкой склонностью к образованию трещин и поглощению газов, герметичностью), хорошо свариваться, легко обрабатываться режущим инструментом. Они не должны быть токсичными и вредными для производства. Необходимо, чтобы они обеспечивали технологичность в условиях производства и были экономичными.

 Литейные свойства сплавов.

Получение качественных отливок без раковин, трещин и других дефектов зависит от литейных свойств сплавов, которые проявляются при заполнении формы, кристаллизации и охлаждении отливок в форме.

К основным литейным свойствам сплавов относят:

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить контуры отливки.

Жидкотекучесть зависит от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т.д.

Чистые металлы и сплавы, затвердевающие при постоянной температуре, обладают лучшей жидкотекучестью, чем сплавы, затвердевающие в интервале температур (твердые растворы). Чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. С увеличением поверхностного натяжения жидкотекучесть понижается. С повышением температуры заливки расплавленного металла и формы жидкотекучесть улучшается. Увеличение теплопроводности материала формы снижает жидкотекучесть. Так, песчаная форма отводит теплоту медленнее, и расплавленный металл заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Наличие неметаллических включений снижает жидкотекучесть. Так же влияет химический состав сплава (с увеличением содержания серы, кислорода, хрома жидкотекучесть снижается; с увеличением содержания фосфора, кремния, алюминия, углерода жидкотекучесть увеличивается).

Усадка – свойство металлов и сплавов уменьшать объем при охлаждении в расплавленном состоянии, в процессе затвердевания и в затвердевшем состоянии при охлаждении до температуры окружающей среды.

Изменение объема зависит от химического состава сплава, температуры заливки, конфигурации отливки. Различают объемную и линейную усадку. В результате объемной усадки появляются усадочные раковины и усадочная пористость в массивных частях отливки. Для предупреждения образования усадочных раковин устанавливают прибыли – дополнительные резервуары с расплавленным металлом, а также наружные или внутренние холодильники.

Линейная усадка определяет размерную точность полученных отливок, поэтому она учитывается при разработке технологии литья и изготовления модельной оснастки.

Линейная усадка составляет:

Материал	Линейная усадка, %
Серый чугун	1…1,3 %
Высокопрочный чугун	0,8…1 %
Литейные стали	2…2,4 %
Алюминиевые сплавы	0,9…1,45 %
Медные сплавы	1,4…2,3 %.

Газопоглощение – способность литейных сплавов в расплавленном состоянии растворять водород, азот, кислород и другие газы.

При затвердевании и последующем охлаждении растворимость газов уменьшается, в результате их выделения в отливке могут образоваться газовые раковины и поры. Растворимость газов зависит от химического состава сплава, температуры заливки, вязкости сплава и свойств литейной формы.

Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Ликвация образуется в процессе затвердевания отливки, из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в его твердой и жидкой фазах. В сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор и

Литейные сплавы

1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок.

Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам. Из серого чугуна получают самые дешевые отливки (в 1,5 раза дешевле, чем стальные, в несколько раз – чем из цветных металлов). Область применения чугунов расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик. Используют серые, высокопрочные, ковкие и легированные чугуны.

Блок цилиндров Ступица заднего колеса

Материал: СЧ 25 ГОСТ 1412-85 Материал: ВЧ 50 ГОСТ 7293-85

Масса: 23,8 кг Масса: 47 кг

Группа сложности отливки: 4 Применяется: задний мост КАМАЗ

Метод производства: литьё в Метод производства: литьё в

песчано-глинистые формы песчано-глинистые формы

2. Сталь как литейный материал применяют для получения отливок деталей, которые наряду с высокой прочностью должны обладать хорошими пластическими свойствами. Чем ответственнее машина, тем более значительна доля стальных отливок, идущих на ее изготовление. Стальное литье составляет: в тепловозах – 40…50 % от массы машины; в энергетическом и тяжелом машиностроении (колеса гидравлических турбин с массой 85 тонн, иногда несколько сотен тонн) – до 60 %.

Стальные отливки после соответствующей термической обработки не уступают по механическим свойствам поковкам.

Используются: углеродистые стали 15Л…55Л; легированные стали 25ГСЛ, 30ХГСЛ, 110Г13Л; нержавеющие стали 10Х13Л, 12Х18Н9ТЛ и др.

Среди литейных материалов из сплавов цветных металлов широкое применение нашли медные и алюминиевые сплавы.

3. Медные сплавы – бронзы и латуни.

Латуни – наиболее распространенные медные сплавы. Для изготовления различной аппаратуры для автомобилестроения, работающей при температуре 300⁰С, втулок и сепараторов подшипников, нажимных винтов, червячных винтов применяют сложнолегированные латуни. Обладают хорошей износостойкостью, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью.

Из оловянных бронз (БрО3Ц7С5Н1) изготавливают арматуру, шестерни, подшипники, втулки.

Безоловянные бронзы по некоторым свойствам превосходят оловянные. Они обладают более высокими механическими свойствами, антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью. Однако литейные свойства их хуже. Применяют для изготовления гребных винтов крупных судов, тяжело нагруженных шестерен и зубчатых колес, корпусов насосов, деталей химической и пищевой промышленности.

4. Алюминиевые сплавы.

Отливки из алюминиевых сплавов составляют около 70 % цветного литья. Они обладают высокой удельной прочностью, высокими литейными свойствами, коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы системы алюминий – кремний (Al-Si) – силумины АЛ2, АЛ9. Они широко применяются в машиностроении, автомобильной и авиационной промышленности, электротехнической промышленности.

Также используются сплавы систем: алюминий – медь, алюминий – медь – кремний, алюминий – магний.

Способы изготовления отливок.

Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.

Виды литейных форм :

• из неметаллических материалов (песчаные формы, формы изготовляемые по выплавляемым моделям, оболочковые формы) для одноразового использования,

• из металлов (кокили, изложницы для центробежного литья) для многократного использования. 

Технология:

Приготовление расплава 

Приготовление литейных сплавов связано с плавлением различных материалов. Для получения заданного химического состава и определенных свойств, в сплав в жидком или твердом состоянии вводят специальные легирующие элементы: хром, никель, марганец, титан и др.

• Чугуны, в основном, выплавляют в вагранках. В последнее время развивается плавка в электрических печах, а также дуплекс-процесс, в особенности, вариант вагранка – индукционная печь.

• Плавку стали ведут в электродуговых, индукционных и плазменно-индукционных печах.

• Для плавления цветных металлов применяют индукционные печи промышленной частоты, электрические печи сопротивления. Плавку тугоплавких металлов и сплавов ведут в вакууме или в среде защитных газов.

Сборка и заливка литейной формы 

Сборка литейной формы включает: установку нижней полуформы; установку стержней, устойчивое положение которых обеспечивается стержневыми знаками; контроль отклонения размеров основных полостей формы; установку верхней полуформы по центрирующим штырям.

З аливка форм расплавленным металлом осуществляется из ковшей чайникового, барабанного и других типов. Важное значение имеет температура расплавленного металла. Целесообразно назначать ее на 100…150 ⁰C выше температуры плавления:: низкая температура увеличивает опасность незаполнения формы, захвата воздуха, ухудшения питания отливок; при высокой температуре металл больше насыщен газами, сильнее окисляется, возможен пригар на поверхности отливки.

Заливку ведут непрерывно до полного заполнения литниковой чаши.

 

Охлаждение, выбивка и очистка отливок

О хлаждение отливок до температуры выбивки длится от нескольких минут (для небольших тонкостенных отливок) до нескольких суток и недель (для крупных толстостенных отливок). Для сокращения продолжительности охлаждения используют методы принудительного охлаждения:

а) обдувают воздухом,

б) при формовке укладывают змеевики, по которым пропускают воздух или воду.

Выбивка отливки – процесс удаления затвердевшей и охлажденной до определенной температуры отливки из литейной формы, при этом литейная форма разрушается. Осуществляют на специальных выбивных установках. Форма выталкивается из опоки выталкивателем на виброжелоб, по которому направляется на выбивную решетку, где отливки освобождаются от формовочной смеси. Выбивку стержней осуществляют вибрационно-пневматическими и гидравлическими устройствами.

Обрубка отливок – процесс удаления с отливки прибылей, литников, выпоров и заливов по месту сопряжения полуформ. Осуществляется пневматическими зубилами, ленточными и дисковыми пилами, при помощи газовой резки и на прессах. После обрубки отливки зачищают, удаляя мелкие заливы, остатки выпоров и литников. Выполняют зачистку маятниковыми и стационарными шлифовальными кругами, пневматическими зубилами.

Очистка отливок – процесс удаления пригара, остатков формовочной и стержневой смесей с наружных и внутренних поверхностей отливок.

Осуществляется в галтовочных барабанах периодического или непрерывного действия (для мелких отливок), в гидропескоструйных и дробеметных камерах, а также химической или электрохимической обработкой.

 

Рис.1 Отливка до и после очистки

Изготовление отливок в песчаных формах

Литье в песчаные формы является самым распространенным способом изготовления отливок. Изготавливают отливки из чугуна, стали, цветных металлов от нескольких грамм до сотен тонн, с толщиной стенки от 3…5 до 1000 мм и длиной до 10000 мм.

Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах представлена на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема технологического процесса изготовления отливок в песчаных формах

Рис.3 а) чертеж отливки; б) модель из дерева ; в)стержневой ящик; г)литейная форма; д)отливка; е)стержень

Сущность литья в песчаные формы заключается в получении отливок из расплавленного металла, затвердевшего в формах, которые изготовлены из формовочных смесей путем уплотнения с использованием модельного комплекта.

Литейная форма для получения отливок в песчаных формах представлена на рис.4.

Литейная форма обычно состоит из верхней 1 и нижней 2 полуформ, которые изготавливаются в опоках 7, 8 – приспособлениях для удержания формовочной смеси. Полуформы ориентируют с помощью штырей 10, которые вставляют в отверстия ручек опок 11.

Для образования полостей отверстий или иных сложных контуров в форме устанавливают литейные стержни 3, которые фиксируют посредством выступов, входящих в соответствующие впадины формы (знаки).

Литейную форму заливают расплавленным металлом через литниковую систему.

Литниковая система – совокупность каналов и резервуаров, по которым расплав поступает из разливочного ковша в полость формы.

Основными элементами являются: литниковая чаша 5, которая служит для приема расплавленного металла и подачи его в форму; стояк 6 – вертикальный или наклонный канал для подачи металла из литниковой чаши в рабочую полость или к другим элементам; шлакоуловитель 12, с помощью которого удерживается шлак и другие неметаллические примеси; питатель 13 – один или несколько, через которые расплавленный металл подводится в полость литейной формы.

Для вывода газов, контроля заполнения формы расплавленным металлом и питания отливки при ее затвердевании служат прибыли или выпор 4. Для вывода газов предназначены и вентиляционные каналы 9.

Рис. 4. Литейная форма

 

Разновидности литниковых систем представлены на рис.3.

 

 

Рис. 3. Разновидности литниковых систем

 

Различают литниковые системы с питателями, расположенными в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

По способу подвода расплава в рабочую полость формы литниковые системы делят на: нижнюю, верхнюю, боковую.

• Нижняя литниковая система (рис.3.б) – широко используется для литья сплавов, легко окисляющихся и насыщающихся газами (алюминий), обеспечивает спокойный подвод расплава к рабочей полости формы и постепенное заполнение ее поступающим снизу, без открытой струи металлом. При этом усложняется конструкция литниковой системы, увеличивается расход металла на нее, создается неблагоприятное распределение температур в залитой форме ввиду сильного разогрева ее нижней части. Возможно образование усадочных дефектов и внутренних напряжений. При такой системе ограничена возможность получения высоких тонкостенных отливок (при литье алюминиевых сплавов форма не заполняется металлом, если отношение высоты отливки к толщине ее стенки превышает , ).Нижний подвод через большое количество питателей часто используется при изготовлении сложных по форме, крупных отливок из чугуна.

• Верхняя литниковая система (рис.3.в). Достоинствами системы являются: малый расход металла; конструкция проста и легко выполнима при изготовлении форм; подача расплава сверху обеспечивает благоприятное распределение температуры в залитой форме (температура увеличивается от нижней части к верхней), а следовательно, и благоприятные условия для направленной кристаллизации и питании отливки.Недостатки: падающая сверху струя может размыть песчаную форму, вызывая засоры; при разбрызгивании расплава возникает опасность его окисления и замешивания воздуха в поток с образованием оксидных включений; затрудняется улавливание шлака. Верхнюю литниковую систему применяют для невысоких (в положении заливки) отливок, небольшой массы и несложной формы, изготовленных из сплавов не склонных к сильному окислению в расплавленном состоянии (чугуны, углеродистые конструкционные стали, латуни).

• Боковая литниковая система (рис.3.а). Подвод металла осуществляется в среднюю часть отливки (по разъему формы).Такую систему применяют при получении отливок из различных сплавов, малых и средних по массе деталей, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью разъема формы. Является промежуточной между верхней и нижней, и следовательно сочетает в себе некоторые их достоинства и недостатки.

Иногда при подводе металла снизу и сверху используют массивные коллекторы.

 

Черные сплавы

Черными называют сплавы на основе железа.

Сплав-это двух или многокомпонентная система, основным компонентом которой является металл.

Сталь – сплав железа с углеродом, где содержание углерода не более 2,14%

Чугун – сплав железа с углеродом, где содержание углерода от 2,14% до 6,67%

В сталях всегда присутствуют примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

• Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы.

• Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, σ_в. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке

• Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности σ_в и предел текучести σ_т , но снижает пластичность и вязкость. Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.

• Сера – уменьшает пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое при нагреве под прокатку или ковку плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах

• Кислород, азот, водород - скрытые примеси . Они загрязняют углеродистую сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромо-никелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин —флокенов.

КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Конструкционные стали должны обладать высокой конструктивной прочностью, обеспечивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации. Поэтому особенность требований, предъявляемых к конструкционным материалам, состоит в необходимости обеспечения комплекса высоких механических свойств, а не одной какой-либо характеристики.

Материалы, используемые для изготовления конструктивных элементов, деталей автомобилей и механизмов, должны иметь высокие механические свойства

• высокую прочность

• хорошую пластичность

• хорошо сопротивляться ударным нагрузкам

• обладать запасом вязкости

• при знакопеременных нагрузках конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением усталости

• при трении — сопротивлением износу

• необходимо сопротивление коррозии - коррозионостойкость

• учитывая, что в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин.

Помимо высокой надежности и конструктивной прочности конструкционные материалы должны иметь высокие технологические свойства:

• хорошие литейные свойства,

• обрабатываемость давлением, резанием, хорошую свариваемость

• должны быть дешевы

не должны содержать дефицитных легирующих элементов.

Из всех материалов, применяемых в настоящее время и прогнозируемых в будущем, только сталь позволяет получать сочетание высоких значений различных механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому сталь является основным и наиболее распространенным конструкционным материалом.

Классификация сталей

1. По химическому составу:

• углеродистые

• легированные.

2. По содержанию углерода:

   • низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %;

   • среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %;

   • высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %

3. По структуре:

• доэвтектоидные, содержащую до 0,8 % С

• эвтектоидные, содержащую около 0,8 % С

• заэвтектоидные, содержащую 0,8–2,14 % С

4. По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора (при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах)

   • , – углеродистые стали обыкновенного качества:

   • – качественные стали;

   • – высококачественные стали.

5. По способу выплавки:

   • в мартеновских печах;

   • в кислородных конверторах;

   • в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

6. По назначению:

   • конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;

   • инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;

   • специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

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.

В зависимости от состояния углерода, различают конструкционные чугуны:

Белые чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида, и

Чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава, чугуны подразделяют на: 1) серые – имеют структуру с пластинчатой формой графита Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагрузках и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше, чем у стали). Применяют для крупногабаритных отливок (станин), поршней, цилиндров, деталей работающих на износ (дизельные цилиндры, блоки двигателей)

2) ковкие - хлопьевидный графит. Ковкий чугун используют для отливок в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении для отливок, работающих в условиях высоких динамических и статических нагрузок (картеры редукторов, ступицы шестерен, крюки, скобы), а также глушители, фланцы, муфты, хомуты, гайки и т.д.

3) высокопрочные - шаровидный графит. Такой чугун применяется для замены стальных литых и кованых деталей автомобилей (коленчатые валы двигателей, компрессоров, кронштейны, шестерни, поршневые кольца, подвески рессор и т.д.) Наблюдается тенденция в автомобилестроении к замене ковкого чугуна высокопрочным с целью повышения прочностных параметров отливок

МАРКИРОВКА

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению предела прочности при растяжении в МПа. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).

Примеры марок: СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении σ_в100 МПа; ВЧ70 - высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении σ_в700 МПа; КЧ35-4 - ковкий чугун с пределом прочности при растяжении примерно σ_в350 МПа, относительное удлинение δ 4%

Легированные чугуны

Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания чугуну особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др.). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные чугуны классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов - хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д.

По степени легирования различают

• низколегированные (суммарное количество легирующих элементов < 2,5%),

• среднелегированные (2,5-10%)

• высоколегированные (> 10%).

Обозначение марок легированных чугунов состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав чугуна , и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей.

Например: ЧН19ХЗ – чугун, содержащий ~19% Ni и ~3% Cr.

Если в легированном чугуне регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).

По эксплуатационным характеристикам различают чугуны

• Антифрикционные чугуны для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из АЧС-1, АЧС-6, АЧК-1,АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. Цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79

• Износостойкие чугуны используется как материал высокой твердости (получают из белого чугуна, добавляя легирующие элементы Ni,Cu,Mo,Ti,W,Cr)

Примеры марок ИЧХ4Г3Д – износостойкий чугун с содержанием Cr 4%,Mn3%,Cu1%.

ИЧХ13Н2МД- износостойкий чугун с содержанием Cr 13%,Ni2%,Mo1%,Cu1%.

• Коррозионостойкие чугуны применяют в двигателестроении (поршневые кольца, детали газокомпрессоров) (легирующие элементы Ni,Cu,Mo,Cr,Si,Ti)

Примеры марок: ЧН1МД - чугун с содержанием Ni1%,Mo1%,Cu1%.

ЧХНТ чугун с содержанием Cr 1%,Ni1%, Ti1%

СЧЩ-1; СЧЩ-2 –чугуны, работающие в щелочных средах

• Жаростойкие чугуны – стойкие к окалинообразованию (легирующие элементы Cr,Si,Al) Примеры марок ЖЧХ-0,8 –жаростойкий чугун с содержанием Cr 0,8% ; ЖЧХ-2,5;ЖЧХ-30

• Жаропрочные чугуны – способны сохранять эксплуатационную прочность в условиях высоких температур (легирующие элементы Cr, Ni,Mn)

Примеры марок ЧХ3Н2Т; ЧН11Г7Х2

Углеродистые стали

Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств стали. Рис.1. Влияние углерода на свойства сталей Классификация углеродистых сталей 1.По качеству Стали обыкновенного качества Стали обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380–94. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Маркировка Обозначают их буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1, Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры — условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная. В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают. Группа А поставляются только по механическим свой­ствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пла­стичность. Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки. Группа В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются буквой В и цифрой, например — В СтЗпс. Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества Таблица 1 Марка стали Массовая доля, % C Mn Si Cт0 0,23 – – Ст1кп 0,06–0,12 0,25–0,5 0,12–0,3 Ст1сп 0,06–0,12 0,25–0,5 0,07 Ст2кп 0,09–0,15 0,25–0,5 0,12–0,3 Ст2сп 0,09–0,15 0,25–0,5  0,07 Ст3кп 0,14–0,22 0,3–0,6 0,05–0,17 Ст3сп 0,14–0,22 0,4–0,65 0,12–0,3 Ст4кп 0,18–0,27 0,4–0,65  0,07 Ст4сп 0,18–0,27 0,4–0,7 0,12–0,3 Ст5кп 0,28–0,37 0,4–0,7 0,05–0,17 Ст5сп 0,28–0,37 0,5–0,8 0,15–0,35 Ст6кп 0,38–0,49 0,5–0,8 0,05–0,17 Ст6сп 0,38–0,49 0,5–0,8 0,15–0,35 Механические свойства проката (не менее) из углеродистых сталей обыкновенного качества Таблица 2 Марка стали σв, МПа σт, МПа, при толщине проката, мм δ, %, при толщине проката, мм < 10 10–20 20–40 40–100 > 100 ≤ 20 20–40 > 40 Cт0 ≥ 300 – – – – – 18 18 15 Cт3кп 360–460 235 235 225 215 185 27 26 24 Ст3пс 370–480 245 245 235 225 205 26 25 23 Ст3сп 380–490 255 245 235 225 205 25 25 22 Ст4кп 400–510 255 255 245 235 225 25 24 22 Ст4пс, Cт4сп 410–530 265 265 255 245 235 24 23 21 Ст5пс 490–630 285 285 275 265 255 20 19 17 Ст5сп 490–630 295 285 275 265 255 20 19 17 Ст6пс, Ст6сп ≥ 590 315 315 315 295 295 15 14 12 Качественные углеродистые стали Качественные углеродистые стали выплавляются в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050–88. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы — не более 0,04 %, фосфора — не более 0,035 %). Маркировка Качественные углеродистые стали маркируют словом Сталь и двузначными цифрами 05, 10, 15, ..., 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (Например Сталь 45 – сталь конструкционная углеродистая качественная с содержанием углероды 0,45%) При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается. Углеродистые стали, содержащие 0,7—1,3 % С, являются инструментальными, их используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента Для изделий ответственного назначения применяют стали высококачественные с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь У10А. Таблица 3 Применение качественных углеродистых сталей Марки стали Свойства Область применения Сталь 05, Сталь 08, Сталь 10 малопрочные, высокопластичные применяют для холодной штамповки; в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой. Сталь15, Сталь20, Сталь25 Цементуемые – после ХТО имеют твердую, износостойкую поверхность и вязкую сердцевину для деталей небольшого размера, невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры, кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т. п.) Стали 30, 35 Обладают большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т. п.) Стали 40, 45, 50, 55 после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ имеют высокую твердость поверхности (HRCЭ 40–58) и сопротивление износу для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках (шейки коленчатых валов, кулачки распределительных валиков, зубья шестерен и т. п.). Стали 60, 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г, 70Г Закалкой и средним отпуском достигают высоких упругих и прочностных свойств (σв > 800 МПа) для силовых упругих элементов — плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и других деталей пружинного типа Таблица 4 Химический состав углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-88) Марка стали C,% Mn,% Si,% Cr,%, не более 08кп 0,05–0,12 0,25–0,50 ≤ 0,03 0,10 08пс 0,05–0,11 0,35–0,65 0,05–0,17 0,10 08 0,05–0,12 0,35–0,65 0,17–0,37 0,10 10кп 0,07–0,14 0,25–0,50 ≤ 0,07 0,15 10пс 0,07–0,14 0,35–0,65 0,07–0,17 0,15 10 0,07–0,14 0,35–0,65 0,17–0,37 0,15 11кп 0,05–0,12 0,30–0,50 ≤ 0,06 0,15 15кп 0,12–0,19 0,25–0,50 ≤ 0,07 0,25 15пс 0,12–0,19 0,35–0,65 0,05–0,17 0,25 15 0,12–0,19 0,35–0,65 0,17–0,37 0,25 18кп 0,12–0,20 0,30–0,50 0,17–0,37 0,15 20кп 0,17–0,24 0,25–0,50 0,17–0,37 0,25 20пс 0,17–0,24 0,35–0,65 0,17–0,37 0,25 20 0,17–0,24 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 25 0,22–0,30 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 30 0,27–0,35 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 35 0,32–0,40 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 40 0,37–0,45 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 45 0,42–0,50 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 50 0,47–0,55 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 55 0,52–0,60 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 58 (55пс) 0,55–0,63 ≤ 0,20 0,10–0,30 0,15 60 0,57–0,65 0,50–0,80 0,17–0,37 0,25 Таблица 5 Механические свойства проката из углеродистой качественной стали диаметром (толщиной) не более 80 мм Марка стали Не менее σи МПа σв, МПа Ψ, % δ, % 08 196 320 33 60 10 205 330 31 55 15 225 370 27 55 20 245 410 25 55 25 275 450 23 50 30 295 490 21 50 35 315 530 20 45 40 335 570 19 45 45 355 600 16 40 50 375 630 14 40 55 380 650 13 35 58 (55пс) 315 600 12 28 60 400 680 12 35 Примечания: При толщине проката свыше 80 мм допускается снижение δ на 2 % и ψ — на 5 %. Твердость не должна превышать 255 НВ, у калиброванного проката или со специальной отделкой поверхности — 269 НВ. Если в стали B = 0,002–0,006 %, то в конце марки ставят Р. Таблица 6 Характеристика сталей по пучку искр, полученного в результате шлифования Сталь Характеристика пучка искр Низкоуглеродистая нелегированная (углерода до 0,15%). Короткий тёмно-жёлтый пучок искр, принимающий форму полосок и становящихся более светлыми в зоне сгорания; мало звёздообразных разветвлений. Среднеуглеродистая нелегированная (углерода 0,15…1,0%). С увеличением содержанием углерода образуется более плотный и более светлый жёлтый пучок искр с многочисленными звёздочками и ответвлениями лучей. Высокоуглеродистая нелегированная (углерода более 1 %). Очень плотный жёлтый пучок искр с многочисленными звёздочками. При увеличении содержания углерода уменьшается яркость и укорачивается пучок искр. Нелегированная с повышенным содержанием марганца. Широкий плотный ярко-жёлтый пучок искр; внешняя зона линий искр особенно яркая. Многочисленные разветвления лучей. Марганцовистая (марганца 12%). Преобладание зонтообразных искр. Конструкционная (никеля до 5%). Яркие жёлтые линии искр в виде язычков, расщеплённые на конце; увеличение яркости в зоне сгорания. При увеличении содержания углерода на концах искр появляются звёздочки. Хромистая с низким содержанием углерода и высоким содержанием хрома. Короткий тёмно-коричневый пучок искр без звёздочек, слаборазветвлённый; искры прилипают к поверхности шлифовального круга. Никелированная высоколегированная При содержании 35% никеля красно-жёлтое окрашивание пучка. При более высоком содержании никеля (около 47%) яркость искр значительно ослабевает. Хромоникелевая Жёлто-красные искры с более яркими полосами в воне сгорания. При повышении содержании хрома и никеля пучок искр более тёмный. Вольфрамовая Красные короткие искры; линии искр отчётливо изгибаются вниз. Разветвление звёздочек углерода отсутствует. Чем выше содержание вольфрама, тем слабее образование искр. Молибденовая Ярко-жёлтые искры в виде язычков. При низком содержании кремния язычки видны перед звёздочками углерода, при повышенном содержании – за звёздочками углерода.

Рессорно-пружинные стали

Стали с высокой концентрацией углерода (60, 65, 70, 75, 80, 85), а также с увеличенным содержанием марганца (60Г, 65Г и 70Г) преимущественно применяют в качестве рессорно-пружинных. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита для получения высоких упругих и прочностных свойств (σ_в > 800 МПа). Стали используют для силовых упругих элементов — плоских и круглых пружин, рессор, упругих колец и других деталей пружинного типа. (Сталь 60, 65Г, и т.д.)

Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 801-80)

Стали с высокой концентрацией углерода, основной легирующий элемент хром ,с добавлением легирующих элементов – кремния и марганца. Обладают высокой износостойкостью и прочностью.

Используются для деталей подшипников (кольца, ролики, шарики)

Маркировка:

Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента: ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома; ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния. ШХ9 сталь шарикоподшипниковая, с содержанием хрома 0,9%

ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ