6. Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов

На свойства железоуглеродистых сплавов влияет наличие в них постоянных примесей (вредных - серы, фосфора, кислорода, азота, водорода; полезных -кремния, марганца и др.). Эти примеси могут попадать в сплав из природных соединений (руд), например, сера и фосфор; из металлического лома - хром, никель и др.; в процессе выплавки и раскисления - углерод, кремний и марганец.

Углерод находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода в сталях возрастают твердость, прочность и уменьшается пластичность.

Сера является вредной примесью. Она образует легкоплавкую эвтектику FeS + Fe, которая при кристаллизации сплава располагается по границам зерен и при повторном нагреве расплавляется, что приводит к образованию трещин и надрывов. Это явление носит название красноломкости. Содержание серы должно быть менее 0,06 %.

Фосфор ухудшает пластические свойства сплава, вызывая явление хладноломкости. Его содержание в стали не должно превышать 0,08 %. В чугуне допускается до 0,3 % Р.

Азот, кислород и водород присутствуют в сплавах в составе оксидов FeO, SiO₂, А1₂О₃, нитридов Fe₄N или в свободном состоянии, при этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Оксиды и нитриды служат

17

концентраторами напряжений и могут снижать механические свойства (прочность, пластичность).

Водород растворяется в стали при расплавлении. При охлаждении сплава растворимость водорода уменьшается, он накапливается в микропорах под высоким давлением и может стать причиной образования внутренних надрывов в металле (флокенов) и трещин.

Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый сплав при его выплавке и в процессе раскисления. Кремний повышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости. Кремний способствует графитизации чугуна. Марганец образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и прочность феррита.

7. Классификация сталей и чугунов и их маркировка

Классификация сталей. Стали классифицируются по химическому составу, качеству и назначению. По химическому составу классифицируют главным образом конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Конструкционные стали делят на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые: С ≤ 0,09 ... 0,25 %; среднеуглеродистые: С ≤ 0,25 ... 0,45 % и высокоуглеродистые: С ≤ 0,45 ... 0,75 %. Легированные стали условно подразделяют на низколегированные с содержанием легирующих элементов 2,5 %; среднелегированные - от 2,5 до 10 % и высоколегированные - более 10 %.

Другие стали, например инструментальные, с особыми физико-химическими свойствами по химическому составу обычно не классифицируются.

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и стали и сплавы с особыми свойствами - жаропрочные, кислотостойкие, износостойкие, магнитные и др.

По качеству различают стали общего назначения, качественные, высококачественные и особовысококачественные, в последнем случае в маркировке указывается способ выплавки и последующей обработки стали.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми количественно трудноопределяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные - не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Стали углеродистые обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) обозначаются индексом "Ст" и порядковым номером, например, Ст1, Ст3, Ст5. Чем выше номер в обозначении стали, тем выше ее прочность и ниже пластичность.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si ≤ 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.

Качественные углеродистые стали согласно ГОСТ 1050-88 маркируются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: сталь 10, сталь 15,..., сталь 80. Содержание серы и фосфора в этих сталях не должно превышать 0,035 %. Стали этой группы, содержащие свыше 0,2 % С, выпускаются только спокойными.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-99) с содержанием углерода более 0,7 % имеют в обозначении букву "У" и цифру, указывающую на содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8, ..., У13.

Легированные конструкционные стали (ГОСТ 4543-71) в зависимости от содержания серы и фосфора подразделяются на качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Все высоколегированные стали содержат минимальное количество вредных примесей и являются высококачественными. Для придания особых свойств их подвергают дополнительной обработке специальными методами, которые отражены в обозначении сталей в конце наименования марки: ВД - вакуумно-дуговой переплав, Ш - электрошлаковый переплав, ВИ - вакуумно-индукционная выплавка, СШ - обработка синтетическими шлаками.

Маркировка легированных сталей. В основу маркировки легированных сталей положена буквенно-цифровая система (ГОСТ 4543-71) Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: марганец - Г, кремний - С, хром - X, никель - Н, вольфрам - В, ванадий - Ф, титан - Т, молибден - М, кобальт - К, алюминий - Ю, медь - Д, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Количество углерода, как и при обозначениях углеродистых сталей, указывается в сотых долях процента цифрой, стоящей в начале обозначения; количество легирующего элемента в процентах указывается цифрой, стоящей после соответствующего индекса. Отсутствие цифры после индекса элемента указывает на то, что его содержание менее 1,5 %. Высококачественные стали имеют в обозначении букву А, а особовысококачественые - букву Ш, проставляемую в конце. Например, сталь 12Х2Н4А содержит 0,12 % С, около 2 % Сг, около 4 % Ni и менее 0,025 % S и Р.

В легированных инструментальных сталях цифра в начале указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание менее 1 %, если равно 1 % или больше, то цифру не ставят, например: сталь ЗХ2В8Ф содержит 0,3 % С, а сталь ХВГ - больше 1 % С.

В маркировке сталей иногда ставят буквы, указывающие на их применение: А - автоматные, Р - быстрорежущие, Ш - шарикоподшипниковые, Э - электротехнические.

Классификация чугунов. Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С и затвердевающие с образованием эвтектики. Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для производства качественных отливок сложной формы при отсутствии жестких требований к габаритам и массе деталей.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные чугуны, чугуны с вермикулярным графитом и ковкие чугуны. Высокопрочные чугуны и чугуны с вермикулярным графитом являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особые группы.

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Согласно диаграмме состояния Fe-Fe₃C белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Из-за большого количества цементита они твердые (450 ... 550 НВ), хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны - отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготовляют прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.

В промышленности широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в виде графита. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, а также высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на их механических свойствах, которые в большой степени зависят от структуры металлической основы. Прочность, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в металлической основе, которая по всем показателям близка к сталям.

Серыми называются чугуны с пластинчатой формой графита. По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны - сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Fe, С, Si - и постоянные примеси: Мn, Р и S. Содержание этих элементов в серых чугунах колеблется в следующих пределах, %: 2,2 ... 3,7 С; 1 ... 3 Si; 0,2 ... 1,1 Мn; 0,02 ... 0,3 Р; 0,02 ... 0,15 S. В небольших количествах в обычных серых чугунах могут содержаться Cr, Ni и Си, которые попадают из руды. Почти все эти элементы влияют на условия графитизации, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как следствие, свойства чугунов. Обозначают серые чугуны индексами СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30. Цифра в обозначении указывает на предел прочности чугуна при растяжении в 0,1 МПа(табл. 1.1).

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02 ... 0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чугунов чистым магнием сопровождается сильным пироэффек-том, чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля).

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав, %: 3,0 ... 3,6 С; 1,1 ... 2,9 Si; 0,3 ... 0,7 Мm; до 0,02 S и до 0,1 Р. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным. Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита, допускается до 20 % перлита. Структура перлитного чугуна - сорбитообразный или пластинчатый перлит и шаровидный графит, допускается до 20 % феррита.

Шаровидный графит - менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый, поэтому он меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшенное в 10 раз значение его временного сопротивления (см. табл. 1.1.).

В чугунах с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до 40 %) и вермикулярную - в виде мелких тонких прожилок - форму.

После модифицирования эти чугуны содержат, %: 3,1 ... 3,8 С; 2,0 ... 3,0 Si; 0,2 ... 1,0 Мn; до 0,025 S; 0,08 Р.

Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40; ЧВГ 45 (табл. 1.1.). Число в марке обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Они прочнее серых чугунов, особенно при циклических нагрузках; предел выносливости σ_-1 составляет 140 МПа у ЧВГ 30 и 190 МПа у ЧВГ 45. Механические свойства этих чугунов в меньшей степени зависят от массы отливок. Они отличаются хорошей теплопроводностью [40 ... 50 Вт/(м · К)], что обеспечивает их стойкость к теплосменам.

Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит в отличие от пластинчатого меньше снижает механические свойства металлической основы, вследствие чего ковкие чугуны по сравнению с серыми обладают более высокими прочностью и пластичностью.

Отливки из белых чугунов, подвергаемые отжигу на ковкие чугуны, изготовляют тонкостенными. Они не должны иметь толщину в сечении более 50 мм, иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит и чугун становится непригодным для отжига. По этой же причине исходные белые чугуны имеют пониженное содержание углерода и кремния. Их химический состав следующий, %: 2,4... 2,9 С; 1,0... 1,6 Si; 0,2... 1,0 Мn; до 0,2 S и до 0,18 Р.

По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными. Ковкие чугуны обозначают индексом и последующими цифрами, первая из которых характеризует прочность, а вторая пластичность КЧ 30-6, КЧ 60-3 и т.д. (см. табл. 1.1.).

Таблица 1.1.

Свойства промышленных чугунов

Марка чугуна	σВ	σ0,2	δ%	НВ	Структура металлической основы
	МПа
Серые чугуны (ГОСТ 1412-85)
СЧ 10	100	-	-	∼190	Ф
СЧ 15	150	-	-	163 ... 210	Ф
СЧ25	250	-	-	180 ... 245	Ф + П
СЧ35	350	-	-	220... 275	П

Продолжение табл. 1. 1

Марка чугуна	σВ	σ0,2	δ%	НВ	Структура металлической основы
	МПа
Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85)
ВЧ 35	350	220	22	140 ... 170	Ф
ВЧ 45	450	310	10	140 ... 225	Ф + П
ВЧ 60	600	370	3	192 ... 227	Ф + П
ВЧ 80	800	490	2	248 ... 351	п
ВЧ 100	1000	700	2	270 ... 360	Б
Чугуны с вермикулярным графитом (ГОСТ 28384-89)
ЧВГ зо	300	240	3	130... 180	Ф
ЧВГ 35	350	260	2	140... 190	Ф + П
ЧВГ 40	400	320	1,5	170... 220	Ф + П
ЧВГ 45	450	380	0,8	190... 250	П
Ковкие чугуны (ГОСТ 1215-79)
КЧ ЗО-6	300	-	6	100... 163	Ф + до 10 %П
КЧ 35-8	350	-	8	100... 163	-
КЧ 37-12	370	-	12	ПО... 163	-
КЧ 45-7	450	-	7	150... 207	-
КЧ 60-3	600	-	3	200... 269	П + до 20 % Ф
КЧ 80-1,5	800	-	1,5	270... 320	П