книги / Основы металловедения и термообработки
..pdfУвеличение содержания углерода существенно влияет на технологические свойства стали: ухудшает ковкость стали, об рабатываемость резанием и свариваемость, но повышает литей ные свойства стали.
Стали с содержанием углерода до » 0,45 % используются как конструкционные для изготовления деталей машин, конструкций, сооружений. Стали с содержанием углерода 0,5-0,7 % известны как рессорно-пружинные стали, а с содержанием углерода 0,7-1,3 % - как инструментальные.
Наличие примесей Мп и Si обусловлено их введением как раскислителей при выплавке стали. Количество вредных приме сей S и Р (до 0,05 % каждого) и неметаллических включений (окислы, нитриды, сульфиды, силикаты) зависит от загрязненно сти шихты, способа и совершенства технологии выплавки стали. Вредные примеси и неметаллические включения резко ухудшают качество стали, значительно снижают пластичность и вязкость.
KCU, мДж/м2
Рис. 82. Влияние фосфора на хладноломкость стали: 1 - 0,008 % Р; 2 - 0,06 % Р
Вредное влияние S связано также с явлением красноломко сти стали, то есть с повышенной хрупкостью, растрескиванием в горячем состоянии при ковке и прокатке. Сульфид железа FeS 121
входит в состав легкоплавкой эвтектики, выделяющейся по гра ницам зерен и охрупчивающей сталь при температуре выше 800 °С. Красноломкость уменьшается введением Мп, образую щего MnS, температура плавления которого 1620 °С.
Вредное влияние фосфора проявляется в увеличении хлад ноломкости (повышение Ткр) - рис. 82.
7.1. Углеродистые конструкционные стали.
Классификация и маркировка
углеродистых сталей
По качеству различают углеродистые стали обыкновенного качества и качественные. Качество стали определяется совокуп ностью механических свойств, которые в первую очередь зави сят от степени загрязнения стали вредными примесями и неме таллическими включениями. Стали обыкновенного качества со держат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р. Отметим, что высококачественные стали содержат не более 0,025 % S и Р (каждого), а особо высококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
Углеродистую конструкционную сталь обыкновенного ка чества подразделяют:
а) по способу производства - мартеновская (М), конвер торная (К) и бессемеровская (Б);
б) по степени раскисления - кипящая (кп), полуспокойная (пс) и спокойная (сп). Раскисление - процесс удаления из жид кого металла кислорода (связывание его в окислы, всплываю щие в шлак) для предотвращения охрупчивания стали при горя чей деформации. Спокойную сталь раскисляют введением фер росплавов, содержащих Mn, Si или А1, она затвердевает без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только Мп и остаю
щийся кислород при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и выделяется в виде пузырей СО;
в) по назначению и гарантируемым характеристикам — группы А, Б, В. Для сталей группы А гарантируются механиче ские свойства, для сталей группы Б гарантируется химический
состав, для сталей группы В - механические свойства и отдель ные требования по химическому составу.
Сталь обыкновенного качества маркируется «Ст» и номера ми 1 , 2, 3, 4, и т.д. Чем больше номер, тем больше содержание уг лерода в стали, выше прочность и ниже пластичность (табл. 3 и 4).
Т а б л и ц а 3
Механические свойства сталей группы А
|
Сталь |
Ст1 |
Ст2 |
СтЗ |
Ст4 |
Ст5 |
Стб |
ств, МПа |
320-420 |
340-440 380-490 420-540 500-640 |
600 |
||||
ст^МПа Не |
- |
200 |
210 |
240 |
260 |
300 |
|
ь , % |
менее |
31 |
29 |
23 |
21 |
17 |
12 |
Т а б л и ц а 4
Химический состав сталей группы Б (%)
Марка |
Б Ст1 |
Б Ст2 |
Б СтЗ |
Б Ст4 |
Б Ст5 |
Б Стб |
|
С |
|
0,06-0,12 0,09-0,15 0,14-0,22 0,18-0,27 0,28-0,37 0,38-0,49 |
|||||
Мп |
|
0,25-0,50 0,25-0,50 0,30-0,65 0,40-0,70 0,50-0,80 0,50-0,80 |
|||||
|
КП |
0,05 |
0,05 |
0,07 |
0,07 |
- |
- |
Si |
ПС |
0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 |
|||||
|
СП |
0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,15-0,35 0,15-0,35 |
|||||
S |
Не |
0,05 |
0,05 |
0,05 |
0,05 |
0,05 |
0,05 |
Р |
более |
0,04 |
0,04 |
0,04 |
0,04 |
0,04 |
0,04 |
Сталь группы В маркируется буквой В и цифрой. Сталь ВСт1 имеет механические свойства как Ст1 , а химический со ставкак сталь БСт1кп. То же относится к сталям ВСт2, ВСтЗ
и т.д. Перед обозначением марки сталей групп Б и В добавляют М, К, Б, указывающие способ выплавки стали.
Сталь группы В широко применяют для производства сварных конструкций. Для оценки свариваемости важно знать химический состав стали. Эти стали, поставленные по техниче ским условиям, имеют также специализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали СтЗ и Ст4 (всех групп) широко применяются в сельскохозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготавливаемые холодной штам повкой, а также цементируемые шестерни, «червяки», поршне вые пальцы и т.д.). Стали номеров 5 и б предназначены для рельсов, колес, валов, шкивов, шестерен и других деталей гру зоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые дета ли из этих сталей подвергают термическому улучшению (закал ке с последующим высоким отпуском).
Углеродистые конструкционные качественные стали ме нее загрязнены вредными примесями и неметаллическими включениями, чем стали обыкновенного качества. Их маркиру ют двухзначными числами 05, 08,10,15, 20...85, обозначающи ми содержание углерода в сотых долях процента. Они постав ляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с га рантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 5).
Спокойные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами соответственно «пс» и «кп». Кипящими производят стали 05кп, 08кп, Юкп, 15кп, 20кп, полуспокойными - 08пс, Юпс, 15пс, 20пс. Кипящие стали практически не содержат кремния, в полуспокойных его количество ограничено 0,17 %.
Стали 05, 08, 10, как малопрочные и высокопластичные, применяют при холодной штамповке деталей с глубокой вы тяжкой. В горячекатанном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холод ной деформацией и сваркой без последующей термообработки.
Т а б л и ц а 5
Механические свойства углеродистых качественных сталей
Свойства после нормализации |
После отжига |
Сталь |
Содержание |
<*в |
< *0 , 2 |
|
углерода, % |
|
|
МПа
8 нв НВ кси
% МПа МПа МДж/м2
08 |
0,05-0,12 |
320 |
200 |
33 |
60 |
1310 |
- |
- |
10 |
0,07-0,14 |
340 |
210 |
31 |
55 |
1430 |
- |
- |
15 |
0,12-0,19 |
380 |
230 |
27 |
55 |
1490 |
- |
- |
20 |
0,17-0,24 |
420 |
250 |
25 |
55 |
1630 |
- |
- |
25 |
0,22-0,30 |
460 |
280 |
23 |
50 |
1700 |
- |
0,9 |
30 |
0,27-0,35 |
500 |
300 |
21 |
50 |
1790 |
- |
0,8 |
35 |
0,32-0,40 |
540 |
320 |
20 |
45 |
2070 |
- |
0,7 |
40 |
0,37-0,45 |
580 |
340 |
19 |
45 |
2170 |
1870 |
0,6 |
45 |
0,42-0,50 |
610 |
360 |
16 |
40 |
2290 |
1970 |
0,5 |
50 |
0,47-0,55 |
640 |
380 |
14 |
40 |
2410 |
2070 |
0,4 |
55 |
0,52-0,60 |
660 |
390 |
13 |
35 |
2550 |
2170 |
- |
60 |
0,57-0,65 |
690 |
410 |
12 |
35 |
2550 |
2290 |
- |
65 |
0,62-0,70 |
710 |
420 |
10 |
30 |
2550 |
2290 |
- |
70 |
0,67-0,75 |
730 |
430 |
9 |
30 |
2690 |
2290 |
- |
75 |
0,72-0,80 |
1100 |
900 |
7 |
30 |
2850 |
2410 |
- |
80 |
0,77-0,85 |
1100 |
950 |
6 |
30 |
2850 |
2410 |
- |
85 |
0,82-0,90 |
1150 |
1000 |
6 |
30 |
3020 |
2550 |
- |
60Г |
0,57-0,65 |
710 |
420 |
11 |
35 |
2690 |
2290 |
- |
65Г |
0,62-0,70 |
750 |
440 |
9 |
- |
2850 |
2290 |
- |
70Г |
0,67-0,75 |
800 |
460 |
8 |
- |
2850 |
2290 |
- |
Примечание: 1. В сталях содержание Мп до 0,8 % (в сталях 60Г и 70Г до 1,2 %); 0,37 % Si; 0,04 % S; 0,035 % Р.
2.Механические свойства относятся к заготовкам сечением до 80 мм.
3.Механические свойства сталей 75, 80, 85 получены после закалки и среднего отпуска при 480 °С.
4.Ударная вязкость сталей 25-50 определялась после улучшения - закалки
ивысокого отпуска при 600 °С.
5.Указанные значения механических свойств означают «не менее».
Стали 15, 20, 25 - цементуемые, предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шес терни и т.п.), от которых требуется твердая износостойкая по
верхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после це ментации упрочняют закалкой в воде и низким отпуском. Эти стали применяют также для изготовления крепежных дета лей, втулок, штуцеров и т.п., а также для деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от -40 до 425 °С.
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. Раз мер поперечного сечения деталей, изготавливаемых из этих ста лей, ограничивается 12 мм из-за их малой прокаливаемости. Для валов, осей и тому подобных деталей, испытывающих глав ным образом напряжения изгиба и кручения, которые макси мальны в поверхностных слоях, возможный размер поперечного сечения - до 30 мм. Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагруз ках, используют стали 40, 45, 50, после нормализации и поверх ностной закалки. Закалку тех мест деталей, которые должны иметь высокую твердость поверхности (HRC 40-58) и сопро тивление износу (шейки коленчатых валов, кулачки, зубья шес терен, поверхность ходовых винтов станков и т.п.), проводят с индукционным нагревом ТВЧ на требуемую глубину (рис. 83).
7
Рис. 83. Сечение ходового винта после поверхностной индукционной закалки:
1- закаленный слой; 2 - сердцевина
Стали с высокой концентрацией углерода (60, 65,70,75, 80, 85), а также с увеличением содержания марганца (60Г, 65Г, 70Г) применяют в качестве рессорно-пружинных. Их термообрабатывают на структуру троостита (закалка и средний отпуск) для получения высоких упругих и прочностных свойств.
7.2. Углеродистые инструментальные стали
Углеродистые стали с содержанием углерода 0,7-1,3 % от носятся к инструментальным. Их производят качественными У7, У8-У13 и высококачественными У7А, У8А-У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента. Из-за низкой прокаливаемости (1 0 -1 2 мм) их применяют для изготовления мелких инструментов, а инструмент сечением до 25 мм имеет закаленным только поверхностный слой (метчики, напильники, сверла, развертки, шаберы, пилы и т.п.).
Режущий инструмент из сталей У10, У11-У13 подвергают неполной закалке (с температуры 750 °С) и низкому отпуску при 150-180 °С на структуру мартенсита отпуска с карбидами. Такой инструмент обладает повышенной твердостью (HRC 62-64) и из носостойкостью. Однако из-за низкой теплостойкости мартенсита твердость сильно снижается при нагреве выше 200 °С. В связи с этим инструмент из этих сталей пригоден для обработки сравни тельно мягких материалов и при небольших скоростях резания.
Эти стали используют также для изготовления измеритель ного инструмента (калибры) и небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.
Стали У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вяз кость, применяют для изготовления инструмента, подвергаю щегося ударным нагрузкам: зубила, бойки, матрицы, пуансо ны, деревообрабатывающий инструмент. После полной закал ки инструмент из этих сталей подвергают отпуску на структуру троостита при температуре 275-325 °С (HRC 48-55) или при 400-450 °С (HRC 38^15).
7.3. Чугуны
Чугуны отличают высокие литейные свойства и относи тельная дешевизна, что при достаточной прочности дало им широкоеприменениев машиностроении, чаще всего в отливках.
Как отмечалось ранее (подраздел 4.3), углерод в чугунах
может быть в связанном состоянии в виде цементита (белые чу гуны) и в свободном состоянии в виде графита (графитосодер жащиесерые,высокопрочныеиковкиечугуны).
Б ел ы е чугуны из-за большого количества цементита имеют
оченьбольшуютвердость (НВ4500-5500 МПа) и весьмахрупки, что исключаетих использование в деталях машин. Ограниченно применяются отбеленные чугуны-отливки из серого чугуна со слоембелогочугунав видетвердойкоркинаповерхности.
В промышленности широко применяют серые, высоко прочныеиковкиечугуны, вкоторыхвесь углерод или часть его находится в виде графита. Их отличает хорошая обрабатывае мость резанием, а наличие графита обеспечивает низкий коэф фициенттрения и высокие антифрикционные свойства. Вместе едем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Формавключений графитаво многом определяет механические
свойствачутунов. |
|
Сфш |
имеют включения графита пластинчатой фор |
мы. Химический состав серых чутунов по основным элементам: 2Д-ЗД % Q 1-3 % Si; ОД-1,1 % Мщ ОД-ОД % Р; ОД-0,15 % S;
*небольшихколичествахможетбытьOr,Ni, Си, попадающиеиз Щ Ш - Углерод и кремнийявляютсяосновными элементами, оп-
Р 1ШОДМММ структуру металлической основы серого чугуна, так как с увеличением их содержания степень графилвации «гараетает,
|
Црмишь,твердостьи износостойкостьчугуновтем выше, |
чтем |
количество перлита в металлической основе, кого |
рт*шк» строениюаналогичнасталям. Графитныепластинкидей-
ствуют как надрезы или трещины, ослабляя металлическую ос нову,иснижаютее пластичностьособенно прирастяжении.
По этой причине относительное удлинение серых чугунов не превышает 0,5 % независимо от структуры металлической основы. В связи с этим отливки серого чугуна целесообразно использовать в деталях, работающих на сжатие. Марка серого чугуна состоит из букв СЧ и цифры, показывающей значение прочностиприрастяжении(ств,кг/мм2) - табл. 6.
Таблица б
Механические свойства, химичес
и структура серых чугунов
Марка |
о*, МПа, |
н в, |
Химический состав, % |
Структура ме- |
||
МПа, |
|
|
|
тмлкческой |
||
чугуна |
|
С |
Si |
Мн |
||
|
u t более |
основы |
||||
|
|
|||||
СЧ10 |
100 |
190 |
3,5-3,7 |
2Д-2,6 03- 0,8 |
Феррит |
|
СЧ 15 |
150 |
210 |
33-3,7 |
2.0-2.4 0,5-0,8 |
Феррит |
|
СЧ25 |
250 |
245 |
33-3,4 1,4-2,4 0,7-1,0 |
Феррит* перлит |
||
СЧЗО |
300 |
260 |
3,0-33 |
13 -»3 0,7-1,0 |
Феррит+ перлит |
|
СЧ40 |
400 |
280 |
з з - з з |
13-13 |
0,8-1,1 |
Перлит |
Приметами: S = 0,12-0,15 нР=ОД-0,3 %.
Отливки серого чугуна используют какдля небольших де талей (например, поршневые кольцадвигателей),так и для мас сивныхдеталей встотонни более(станиныстанков).
Наиболее высокими механическими свойствами обладают перлитные серые модифицированные чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45. Модификация жидкого чугуна силикокальцием (03-0,6 % от массы шихты) измельчает графитные включения и снижает их вредное влияние на механические свойства. Этачугуны используютдля деталей, р а б о та ю щ и х при высоких
нагрузках или в условиях износа: зубчатые колеса, гильзы бло ков цилиндров,шшщдели,распределительныевалы я тл.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяютлегированные серые чугуны; жаростойкие (дополнн-
129
тельно содержит Сг, А1), жаропрочные (Сг, Ni, Mo). Отливают немагнитные, хромоникелевые чугуны с аустенитной структурой.
Термообработка отливок из серого чугуна включает низкий отжиг (560 °С) для снятия внутренних напряжений и стабилиза ции размеров, нормализацию и закалку с отпуском для повыше ния механических свойств и износостойкости.
Высокопрочные чугуны с шаровидной формой включений графита получают модификацией жидкого чугуна магнием (0,02-0,08 %), вводимого в виде лигатуры (сплав Ni - Mg). Хи мический состав высокопрочного чугуна: 3,0-3,6 % С; 1,1-2,9 % Si; 0,3-0,7 % Мп, до 0,02 % S и до 0,1 % Р. Шаровидные вклю чения графита - менее эффективные концентраторы напряже ний, чем пластинчатые, и поэтому меньше снижают механиче ские свойства чугуна. Маркируют высокопрочные чугуны по значениям прочности (ств, кг/мм2) - табл. 7.
|
|
|
|
Т а б л и ц а 7 |
|
Механические свойства и структура высокопрочных чугунов |
|||||
Марка |
ств, МПа |
8, % |
НВ, МПа |
Структура |
|
чугуна |
не менее |
металлической основы |
|||
|
|||||
|
|
|
|||
ВЧ 35 |
350 |
22 |
140-170 |
|
|
ВЧ40 |
400 |
15 |
140-202 |
Феррит с небольшим |
|
ВЧ 45 |
450 |
10 |
140-225 |
количеством перлита |
|
ВЧ 50 |
500 |
7 |
153-245 |
|
|
ВЧ 60 |
600 |
3 |
192-277 |
|
|
ВЧ 70 |
700 |
2 |
228-302 |
Перлит с небольшим |
|
ВЧ 80 |
800 |
2 |
248-351 |
||
количеством феррита |
|||||
ВЧ100 |
1000 |
2 |
270-360 |
||
|
|||||
ВЧ 120 |
1200 |
2 |
300-380 |
|
|
Высокопрочные чугуны эффективно заменяют сталь во мно гих изделиях и конструкциях - от многотонных прокатных вал ков, траверс прессов и шаботов кузнечных молотов до ответст венных деталей турбо-, дизеле-, тракторо- и автомобилестроения
130