16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
3.3. Конструкционные чугуны Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %. В состав чугунов всегда входят кремний (0,5…3 %) и марганец (0,5…1,5 %). Чугуны являются исключительно литейными сплавами. Они не подвергаются никакому пластическому деформированию. Чугунные отливки составляют более 80 % всего фасонного литья. По структуре и свойствам чугуны подразделяются на белые (структура которых рассмотрена в гл. 3 настоящего пособия, серые, высокопрочные и ковкие. В серых чугунах часть углерода находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита или весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита (пластинчатая форма (риса. Высокопрочные и ковкие чугуны имеют основу аналогичную серым, но форму графита соответственно шаровидную (рис. 60, б) и хлопьевидную (рис. 60, в. В зависимости от формы графитных включений изменяется прочность чугуна. Наиболее сильно ослабляет металлическую основу пластинчатый графит, наименее сильно – шаровидный. 94 а б в Рис. 60. Типы чугунов с различной формой графита а – пластинчатая серый чугун, x 100; б – шаровидная (высокопрочный чугун, × 100; в – хлопьевидная (ковкий чугун, × 100 3.3.1. Серые чугуны При производстве отливок возможны случаи, когда кроме белых чугунов (в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита) и феррито-графитных (в которых углерод находится в свободном состоянии в виде графита) получаются чугуны, в структуре которых имеются и графит и цементит, те. часть углерода находится в свободном, а часть в связанном состоянии. В соответствии с этим конструкционные чугуны производятся со следующими структурами – ферритные, со структурой феррит + графит. В них металлической основой является феррита весь углерод присутствует в виде графита – перлитные, со структурой перлит + графит. Эти чугуны имеют перлитную основу, а графит выделен в виде тонких пластин (прожилок – феррито-перлитные, со структурой феррит + перлит и включениями веретенообразного (вермикулярного) графита. В таких чугунах количество углерода в связанном состоянии не превышает 0,8 %. Образование отмеченных структур вызывается тем, что кристаллизация чугуна начинается по графитной системе, те. выделяется какое-то количество графита. Однако, чтобы все время выделялся графит, необходимо очень медленное охлаждение. При этом чем ниже температура, тем меньше должна быть скорость. Если при какой-то температуре скорость охлаждения больше скорости, обеспечивающей выделение графита, то его выделение частично или полностью прекращается. Сплав по отношению к условиям кристаллизации графита оказывается переохлажденным, что способствует выделению цементита. Следовательно, кристаллизация с графитной системы переходит на цементитную. Процесс кристаллизации в этом случае становится смешанным. На структуру (а соответственно и свойства) чугуна сильное влияние оказывает химический состав. Кремний, титан, никель, медь, алюминий называются графитизирующими элементами, так как они способствуют 95 выделению углерода в виде графита. Препятствуют выделению графита марганец, молибден, хром, ванадий, вольфрам, сера. Такие элементы относятся к антиграфитизирующим. Для получения заданной структуры обычно регулируется содержание углерода, кремния и марганца. Чем больше в чугуне кремния, тем меньше в структуре связанного углерода и тем он мягче. Поэтому все- рые чугуны вводится 1,5…3,5 % кремния. При увеличении содержания марганца (0,5…1 %) количество связанного углерода увеличивается, нов тоже время он связывает серу в соединение MnS тем самым уменьшая отбеливающее действие серы. Фосфор образует в чугунах фосфидную эвтектику Р, которая плавится при температуре 905 С. Поэтому, чем больше в чугуне фосфора, тем больше его жидкотекучесть. Фосфидная эвтектика повышает твердость и хрупкость чугуна. В обычном сером чугуне фосфора содержится 0,3…0,4 %. В случае изготовления художественных отливок для повышения жидкотекучести его количество повышается до 1 %. Сера в чугунах является вредной примесью. Она способствует увеличению углерода в связанном состоянии (явление отбела), понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Поэтому сера допускается в минимальном количестве (не более 0,08…0,1 %). Значительное влияние на структуру чугуна оказывает скорость охлаждения. При одном и том же химическом составе в отливках разной толщины получается различная структура. Следовательно, для производства отливок с разными толщинами стенок необходимо использовать различный химический состав чугунов. При выборе химического состава для получения отливок с требуемой структурой используются структурные диаграммы, получаемые опытным путем. На рис. 61 показана диаграмма, характеризующая структуры, получаемые в зависимости от суммарного содержания углерода и кремния в отливках с разной толщиной стенок. К примеру, если детали отлиты из чугуна с суммарным содержанием кремния и углерода 4 % (линия а–а), тов изделиях с толщиной стенок до 10 мм получается белый чугун, 10…20 мм – половинчатый, 20…60 мм – перлитный серый, 60…120 мм – феррито-перлитный серый. Маркируются серые чугуны двумя буквами СЧ, за которыми следует двузначное число, показывающее предел прочности при растяжении. Например, СЧ – серый чугун, имеющий предел прочности в = 35 МПа · 10 -1 (35 кгс/мм 2 ). 96 Толщина стенки, мм (С +S i), % 10 Рис. 61. Зависимость структуры чугуна от толщины стенки отливки и суммы углерода и кремния. Области чугунов I – белый II – половинчатый серый перлитный IV – серый фер- рито-перлитный; V – серый ферритный Отливки из серого чугуна широко используются в машиностроении для станин металлорежущих станков, маховиков, корпусов, поршневых колец, головок блоков двигателей, поршней, гильз автомобильных и тракторных двигателей, картеров, зубчатых колес, распределительных валов и др. 3.3.2. Высокопрочные чугуны Высокопрочные чугуны имеют шаровидную форму графита. Для его получения в жидкий расплав вводятся небольшие добавки некоторых щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще всего для этих целей используется магний в количестве 0,03…0,07 %. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого, те. в зависимости от химического состава и скорости охлаждения могут быть получены следующие структуры основы – феррит + шаровидный графит – феррит + перлит + шаровидный графит – перлит + шаровидный графит. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при определенном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый. Чугуны с такой формой графита имеют более высокие механические свойства (не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом высокие литейные свойства обрабатываемость резанием, высокую износостойкость, способность гасить вибрации и др. Обычный состав высокопрочного чугуна следующий, %: 2,7…3,6 углерода 1,6…2,7 кремния 0,5…0,6 марганца серы и фосфора менее 1 % каждого. Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ, за которыми следуют два числа, показывающие предел прочности при растяжении и относительное удлинение. Например, ВЧ 42–12 – высокопрочный чугун с 97 пределом прочности в 42 МПа · 10 -1 (42 кгс/мм 2 ) и относительным удлинением = 12 %. Отливки из высокопрочного чугуна широко используются в различных отраслях в авто- и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров для многих деталей прокатных станов в кузнечно-прессовом оборудовании в химической и нефтяной промышленности для корпусов насосов, вентилей и др. Замена стальных деталей литыми из высокопрочного чугуна является экономически выгодной, Например, заготовка литого чугунного коленчатого вала дизеля магистрального тепловоза в три раза легче заготовки из легированной стали. 3.3.3. Ковкие чугуны Ковкие чугуны получаются в результате длительного нагрева при высоких температурах (отжиге) отливок из белых чугунов. При отжиге происходит распад цементита с образованием графита характерной хлопьевидной формы (см. рис. 60, в. Такой отжиг называется графитизи- рующим. Наиболее часто белые чугуны, подвергаемые отжигу, имеют следующий химический состав 2,5…3 % углерода 0,7…1,5 % кремния 0,3…1 % марганца менее 0,12 % серы и не более 0,18 % фосфора. По структуре ледебурит + цементит вторичный) + перлит, те. доэвтекти- ческий чугун. Для получения требуемой структуры ковкого чугуна (феррит + графит) в процессе отжига разлагаются цементит ледебурита, вторичный цементит и эв- тектоидный цементит (входящий в состав перлита. Разложение цементита ледебурита и частично цементита вторичного происходит на первой стадии при температуре выше Ас С. Разложение эвтектоидного цементита осуществляется на второй стадии графитизации, которая проводится выдержкой при температуре 740…720 С, или очень медленным охлаждением в интервале критических температур 760…720 С рис. 62). Отжиг белого чугуна с получением ферритного ковкого называется полным графитизирующим отжигом. Рис. 62. Схемы отжига белого чугуна на ковкий чугун 98 Ферритный ковкий чугун – мягкий материал (НВ < 163), с высокой пластичностью дои удовлетворительной прочностью в = 30…37 МПа · 10 -1 ). Иногда в условиях производства требуется ковкий чугун со структурой феррит + перлит + графит или перлит + + графит. В этом случае вторая стадия графитизации проводится не до конца, или не проводится совсем, а из аустенитного состояния охлаждение ведется на воздухе, что не дает перлиту возможности разложиться полностью. Маркируются ковкие чугуны буквами КЧ и следующими за ними двумя числами – предел прочности при растяжении и относительное удлинение, те. аналогично маркировке высокопрочных чугунов. Отливки из ковких чугунов применяются для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках – картеры редукторов, ступицы, крюки, глушители, фланцы, муфты и др. 3.3.4. Специальные чугуны Аналогично сталям свойства чугунов можно улучшить введением в них легирующих элементов, которые оказывают влияние на металлическую основу, а также на размеры и форму графитных включений. Таким приемом формируются легированные чугуны, обладающие необходимыми для данной группы изделий свойствами износостойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью, антифрикцион- ностью и т. д. Износостойкие чугуны предназначены для работы в условиях абразивного износа. Как правило, такие чугуны содержат 3,5…5 % никеля и 0,8 % хрома. Чугуны для работы в условиях сухого трения легируются хромом дои никелем до 2,5 % с добавками меди, титана, вольфрама, молибдена. Из таких чугунов изготавливаются тормозные барабаны автомобилей, диски сцепления, суппорты токарных станков и др. Высокую износостойкость имеют высокохромистые чугуны, содержащие, % : 12…14 хрома 2,8…3,8 марганца 0,4…0,8 молибдена. Жаростойкие чугуны легируются в основном хромом, никелем и алюминием. Так, для изделий работающих при температурах до 800 С используются кремнистые чугуны (5…6 % Si); при температурах 850…900 С – хромистые (28…32 % Cr), а при более высоких (до 1150 С) температурах – алюминиевые (19…25 % Al). Жаропрочные чугуны формируются с шаровидной формой графита и имеют в своем составе 10…12 % никеля, 5…8 % марганца, 1 …2,5 % хрома. Корр о з ионно стойкие чугуны наиболее часто легируются никелем (0,7…1,5 %), хромом (0,2…0,6 %), молибденом (0,3…0,6 %), медью (0,2…0,5 %). Высоколегированные чугуны (кремнистые сплавы – 99 ферросилиды) содержат до 14…18 % кремния. Они используются для изготовления деталей насосов, оборудования для концентрированных серной и азотной кислот и др. Антифрикционные чугуны используются для изготовления деталей, работающих в узлах трения со смазкой. Они обеспечивают низкий коэффициент трения и малую скорость изнашивания сопряженной стальной детали. Чугуны имеют перлитную металлическую основу, наличие фосфидной эвтектики и большое количество крупных включений графита. Перлитная основа обеспечивает достаточную прочность изделия, фосфидная эвтектика благоприятствует повышению износостойкости, а в местах расположения графита происходит впитывание и удержание смазки. Большинство антифрикционных чугунов содержат в небольшом количестве добавки хрома, титана, меди и других элементов. Маркируются антифрикционные чугуны буквами АЧ (А – антифрикционный, Ч – чугун. Следующая за ними буква показывает к какой группе относится основа (С – серый чугун с пластинчатым графитом, К – ковкий чугун с хлопьевидным графитом, В – высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Цифра в конце марки обозначает ее порядковый номер. Например, АЧС-2 антифрикционный серый чугун с пластинчатым графитом, второй марки. Отбеленные чугуны в сердцевине отливки имеют структуру серого, а на поверхности – белого чугуна. Примерный химический состав углерода 0,5…0,8 кремния 0,4…0,6 марганца. Отбел (на глубину 10…30 мм) является следствием быстрого охлаждения при отливке в металлические или сырые земляные формы. Отбеленные чугуны отличаются высокой твердостью поверхности, большой износостойкостью. Поэтому они используются для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, шаров для мельниц и т. д. В этих случаях в чугунах занижается количество кремния, что увеличивает их склонность к отбеливанию. Контрольные вопросы 1. Дайте характеристику основных компонентов диаграммы железо – цементит. 2. Какие фазы образуют компоненты сплавов системы железо цементит Дайте их характеристику. 3. Какой сплав системы железо – цементит называется эвтектическим. Что называется сталью 5. Какой сплав системы железо – цементит называется эвтек- тоидным? 100 6. По каким признакам классифицируются стали 7. Как маркируются углеродистые стали 8. Какие компоненты называются легирующими Как они влияют на свойства сталей 9. Как маркируются легированные стали 10. Какие сплавы называются чугунами Приведите классификацию и свойства чугунов. 4. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Для изготовления режущего инструмента, обладающего повышенными эксплуатационными свойствами и красностойкостью не менее 800…900 С, широко применяются пластины из вольфрамсодержащих и безвольфрамовых спеченных твердых сплавов. Вольфрам содержащие твердые сплавы подразделяются натри группы – вольфрамо-кобальтовые (ВК) – на основе карбидов вольфрама – титано-вольфрамовые (ТК) – на основе карбидов вольфрама и титана – титано-тантало-вольфрамовые (ТТК) – на основе карбидов вольфрама, титана и тантала. Во всех трех группах сплавов в качестве связующего используется кобальт. Сплавы первой группы обозначаются буквами ВК, за которыми следует численное содержание кобальта в процентах. Например, ВК6 – вольфрамо-кобальтовый твердый сплав, содержащий 6 % кобальта. Остальное (94 %) – карбиды вольфрама. Сплавы второй группы маркируются буквами Т и К. За первой буквой следует содержание карбидов титана, аза второй – кобальта. Например, Т5К10 – титано-вольфрамовый твердый сплав, имеющий 5 % карбидов титана и 10 % кобальта. Остальное (85 %) карбиды вольфрама. Сплавы третьей группы обозначаются следующим образом вначале обозначения проставляются буквы ТТ и совместное содержание карбидов титана и тантала. Далее следует буква К и процентное содержание кобальта. Например, ТТ8К6 – твердый сплав, состоящий из 8 % карбидов титана и тантала, 6 % кобальта и 86 % (остальное) карбидов вольфрама. Прочность и твердость сплавов зависят от содержания в них кобальта чем больше его количество, тем выше прочность при изгибе, но меньше твердость. Сплавы вольфрамовой группы при одинаковом химическом составе отличаются размерами карбидных составляющих, что предопределяет различие их физико-механических свойств и областей применения 101 – особомелкозернистые имеют не менее 70 % зерен карбидов с размерами менее 1 мкм. Они обозначаются буквами ОМ в конце марки сплава (ВК6ОМ, ВК10ОМ); – мелкозернистые – зерна с размерами менее 1 мкм составляют 50 % карбидной фазы. Для обозначения таких сплавов в конце ставится буква М (ВК6М); – среднезернистые – сплавы с зернами карбидов размерами 1...2 мкм. В обозначении таких сплавов в конце буква не ставится (ВК6); – крупнозернистые – с карбидными зернами 2…5 мкм. В таких сплавах при обозначении в конце ставится буква В (ВК8В). Крупнозернистые сплавы имеют невысокие износостойкость и теплостойкость, высокую прочность, хорошо сопротивляются ударными циклическим нагрузкам. В этой связи их целесообразно использовать при черновом точении труднообрабатываемых материалов при наличии на поверхностях изделий трещин, раковин, неравномерных припусков. Сплавы с мелкозернистой, особомелкозернистой структурами и повышенным содержанием кобальта (ВК10М, ВК10ОМ) применяются для изготовления мелкозернистого инструмента (сверл, метчиков. Они более износостойкие, чем ВК3М, ВК6М, но имеют меньшую эксплуатационную прочность. Такие твердые сплавы используются при получисто- вой и чистовой обработке на повышенных режимах резания. Без вольфрамовые твердые сплавы подразделяются на две группы – первая – состоит из карбидов и карбонитридов титана с никельмо- либденовой связкой. Они обозначаются буквами ТНМ или КТНМ, за которыми проставляется цифра, указывающая на содержание связки (ТНМ-20, ТНМ-25, КТНМ-30 и др – вторая – карбидохромистые сплавы с никелевой связкой. Маркируются они буквами КХН с последующей цифрой, соответствующей содержанию никеля в процентах (КХН-20, КХН-30, КХН-35, КХН-40).Эти сплавы не окисляются на воздухе при нагреве до 1100 С, хорошо сопротивляются истиранию, коррозионностойкие, обладают низкой склонностью к схватыванию. Безвольфрамовые твердые сплавы используются в машиностроении для изготовления режущего инструмента, измерительных калибров, вытяжных матриц, прессформ. Они имеют высокую окалиностойкость враз выше, чему сплавов Т5К10, Т15К6), небольшой коэффициент трения, обеспечивают низкую шероховатость обработанной поверхности. В тоже время, у безвольфрамовых твердых сплавов пониженная прочность, склонность к разупрочнению и трещинообразованию при высоких температурах. Поэтому их целесообразно использовать при чистовой и получистовой обработке низколегированных, высокохроми- 102 стых и хромоникелевых сталей с НС ≤ 31 и цветных металлов вместо сплавов Т30К4 и Т15К6. Керамические режущие материалы это материалы на основе химических соединений (оксидов или нитридов, получаемые порошковой металлургией. По составу основы керамические материалы подразделяются на оксидные (на основе Al 2 O 3 ) и нитридные (на основе Si 3 N 4 ). Керамика на основе подразделяется на группы – оксидная чистая (белая, легированная оксидами MgO, и др – оксидно-карбидная (черная, легированная карбидами тугоплавких металлов и оксидами – оксидно-нитридная, легированная нитридом титана и др. Основные марки и области применения керамики отечественного производства приведены в табл. 5. Таблица 5 Основные марки и области применения керамики Марка Химическая основа Область применения ЦМ-332 Al 2 O 3 ( 99 %), MgO ( 1 %) Обработка серых чугунов, конструкционных сталей ВО Al 2 O 3 ( 99 %) Обработка серых и ковких чугунов, конструкционных и улучшенных сталей ВШ-75 Обработка серых и ковких чугунов конструкционных и улучшенных сталей ВОК-60 Al 2 O 3 ( 60 %) Обработка отбеленных чугунов, улучшенных и цементу- емых сталей В TiC ( 40 %) Обработка отбеленных чугунов, цементуемых сталей, сплавов на основе меди ОНТ-20 Al 2 O 3 , TiN Обработка отбеленных чугунов, цементуемых сталей, сплавов на основе меди и никеля Сверхтвердые режущие материалы предназначены для обработки резанием закаленных сталей с твердостью около 60 HRC, жаропрочных сталей и сплавов, керамики, пластмасс, сплавов на основе титана и других аналогичных материалов. Наиболее перспективными материалами этого класса являются – природные и синтетические алмазы с твердостью около 100 ГПа; – нитрид бора со структурой сфалерита с твердостью 70…90 ГПа; – тугоплавкие карбиды, бориды, нитриды, оксиды с твердостью 33…34 ГПа. Сверхтвердые материалы для режущих инструментов производятся в виде монокристаллов поликристаллов сверхтвердых композитов, полученных высокотемпературным спеканием, в которых частицы сверхтвердых веществ соединены металлической или керамической связкой. Преимуществом композитов является отсутствие в них дорогих и дефицитных вольфрама и кобальта. Режущие инструменты из сверхтвердых материалов используются для получистовой и тонкой обработки при скоростях резания, на порядок превышающих скорости резания твердосплавными инструментами. Высокие скорости резания обеспечивают точность размеров, низкую шероховатость обработанной поверхности, высокую производительность и экономичность. Среди сверхтвердых материалов первое место принадлежит алмазу, твердость которого враз превосходит твердость карбида вольфрама ив раз твердость быстрорежущей стали. Преимущественно используются синтетические алмазы (борт, баллас, карбонадо) поликристаллического строения. Область применения алмазных инструментов ограничивается высокой адгезией к железу, что является причиной его низкой износостойкости при обработке сталей и чугунов. Алмазный инструмент используют при обработке цветных металлов и их сплавов, а также пластмасс и керамики. Большей универсальностью обладают инструменты из поликристаллического нитрида бора BN с кубической решеткой (кубический нитрид бора. В зависимости от способа получения нитрид бора выпускается под названиями эльбор, эльбор-Р, боразон. Кубический нитрид бора по твердости не уступает алмазу, но превосходит его по теплостойкости и химической инертности. Он эффективно используется для обработки труднообрабатываемых сталей, в том числе цементованных и закаленных. При этом высокоскоростное точение закаленных сталей может заменить шлифование, сокращая в 2…3 раза время обработки и обеспечивая низкую шероховатость. Контрольные вопросы 1. На какие группы подразделяются инструментальные вольфрамсо- держащие твердые сплавы 2. На какие группы подразделяются инструментальные безвольфрамо- вые твердые сплавы 3. Что используется в качестве связующего у вольфрамсодержащих инструментальных твердых сплавов 4. Как маркируются инструментальные твердые сплавы 5. На какие группы по размерам карбидных составляющих делятся инструментальные твердые сплавы вольфрамовой группы |