Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Учебные материалы

Углеродистый чугун

Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода больше 2,14 %.

Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на формирование структуры сплава, а следовательно, и на механические, физические и другие свойства чугуна.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. По химическому составу чугун делится на углеродистый и легированный.

Белыми называют чугуны в которых углерод находится преимущественно в связанном состоянии в виде цементита Fe3С (очень небольшое количество углерода находится в составе твердого раствора). Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме Fe-С, подразделяются на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость 450…550 НВ, хрупкие и практически не поддаются обработке резанием, поэтому в качестве конструкционных материалов практически не применяются. Их можно применять для деталей, от которых требуется высокая износостойкость поверхности. Например, изготавливают шары шаровой мельницы для размола руды и минералов.

Белые чугуны являются передельными и из них получают сталь и ковкий чугун.

Серыми называют чугуны, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинок графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Он растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения графитных лепестков. В изломе эти чугуны имеют серый цвет. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей, его количеством, формой и размерами включений.

Графит имеет низкую прочность, и его можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности металлической основы. С увеличением содержания углерода больше выделений графита и меньше механическая прочность чугуна. Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, хрупкий, но обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой при кристаллизации, легко обрабатывается резанием, хорошими антифрикционными свойствами (графит выполняет роль смазки), поглощает вибрацию, малочувствителен к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам).

Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6…7,4 г/см 3 и зависит от количества углерода, степени графитизации и количественного соотношения структурных составляющих.

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0…700 0 С равна 16 кал/(г∙ 0 С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙ 0 С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0…100 0 С можно принять (10…11)∙10 6 см/(см∙ 0 С), а в интервале температур 100…700 0 С он равен 14∙10 6 см/(см∙ 0 С).

Основными элементами в чугунах являются Fe-C-Si и постоянными примесями — Мn, Р, S. Кремний обладает сильным графитизирующим действием, марганец затрудняет графитизацию. Сера является вредной примесью, ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Фосфор является в чугунах полезной примесью, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Чаще всего содержание фосфора находится в пределах 0,2…0,5 %. Для отливок, от которых требуется высокая износостойкость, содержание фосфора допускается 0,7 %, а для художественного литья — до 1 %.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дает структурная диаграмма (толщина стенки отливки 50 мм), приведенная на рисунок 37.

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм 2

Ферритные чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ18 применяются для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки. Например, фундаментные плиты, крышки, фланцы, рамы двигателей, компрессоров, шиберы и заслонки печей, корпусы фильтров и масленок, маховики, корпуса редукторов, насосов, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Структура серых чугунов приведена на рисунок 38.

Феррито-перлитные чугуны марок СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках. Например, головки цилиндров, поршни, втулки для поршневых колец паровых цилиндров, колеса центробежных насосов, станины станков, зубчатые колеса, диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки турбин.

Перлитные чугуны марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Мелкие разобщенные графитовые включения меньше снижают прочность чугунов. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием, алюминием или феррокальцием (0,3…0,6 % от массы шихты). Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке: для снятия внутренних напряжений — отжиг I рода (560 0 С), нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других изделий перлитные чугуны подвергают азотированию.

Ковкими называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Термин ”ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья, и указывает на повышенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4…2,9 % С; 1,0…1,6 % Si; 0,2…1,0 % Мn; до 0,18 % Р и до 0,2 % S.

Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо по двум причинам. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме (с этой же целью толщина стенки отливки не должна превышать 50 мм).

Ковкий чугун получают из белого путем отжига, который продолжается иногда до 5 суток. По структуре металлической основы (рисунок 39), которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводится по режиму 1 (рисунок 40), обеспечивающему графитизацию всех видов цемента белого чугуна.

а – ферритного; б – перлитного

Рисунок 40 – Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отливки из белого чугуна загружают в металлические ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно нагревают до температуры 950…1000 0 С. В процессе продолжительной (10…15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита.

К концу первой стадии чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига (А + Г). Затем температуру медленно снижают до 720…740 0 С. При этом происходит вторая стадия графитизации.

В процессе выдержки (25…30 ч) распадается цементит перлита:

и образуется ковкий чугун на ферритной основе.

Перлитный чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 40). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 0 С. Аустенит превращается в перлит (А -> П), а графит сохраняется в структуре. Получается ковкий чугун на перлитной основе.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10 -1 МПа) и относительное удлинение в процентах. Марки ковкого чугуна:

  • КЧ-30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12 — ферритные;
  • КЧ 45-7; КЧ 60-3; КЧ 80-1,5 — перлитные.
Читайте так же:
Судно Георгий Кононович

Из этих чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок, корпуса вентилей, кранов, задвижек.

Высокопрочными называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02…0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чистым магнием сопровождается значительным пироэффектом, применяют сплав магния с никелем.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0…3,6 % С; 1,1…1,9 % Si;. 0,3…0,7 % Мn;. до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы чугун может быть ферритным или перлитным (рисунок 41).

а- ферритного; б- перлитного

Шаровидный графит — менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый или хлопьевидный графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью, сохраняют свою прочность до 500 0 С (обычный чугун до 400 0 С). Они маркируются буквами ВЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм 2 (10 -1 МПа). Марки высокопрочного чугуна:

  • ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 50 — ферритные;
  • ВЧ 60, ВЧ 80; ВЧ 120 — перлитные.

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Например, корпуса паровых турбин, насосов, вентилей, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок; для повышения прочности — закалку и отпуск при 500…600 0 С; для увеличения пластичности — отжиг.

Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.

Характеристики ковкого чугуна и его применение в народном хозяйстве

Ковкий чугун (КЧ) представляет собой сплав из железа и углерода высокой пластичности, изделия из него получают в процессе литья.

Схема отжига белого чугуна на ковкий.

Ковкий чугун обладает высокими эксплуатационными характеристиками, обуславливающими его применение во многих отраслях народного хозяйства.

Виды чугунов

Чугун – это сплав железа с углеродом, где содержание последнего более 2,14%. В состав такого сплава могут входить и другие элементы. Их содержание определяет многие параметры и свойства материала.

В железоуглеродистом сплаве содержится цементит, графит и графит с цементитом. Цементитом называют соединение углерода с железом состава Fe3C. Графит – это одна из аллотропных модификаций углерода со слоистой структурой.

В зависимости от содержания указанных соединений меняется цвет изделия. Когда преобладает цементит, материал приобретает светлый отблеск. Отсюда и получилось название «белый».

Графит обладает темной окраской, которую он придает и отливкам. Именно структура графитовых включений определяет пластические свойства материала.


Виды чугуна по ГОСТ.

Исходя из этого сплав разделяют на:

  • серый;
  • ковкий;
  • высокопрочный;
  • особого назначения.

К первому типу материалов относится сплав железа с углеродом в графитовой модификации хлопьевидной, пластинчатой или глобулярной формы. Он обладает высокими литейными свойствами. Благодаря им часто используется для получения деталей сложной формы.

В то же время хрупкость сплава ограничивает его применение в изделиях, подвергающихся растяжению или изгибу. Сплав с графитом глобулярной формы характеризуется высокими прочностными свойствами. Его относят к одному из подвидов серого чугуна.

Формирование графита указанной формы достигается благодаря добавкам магния и церия. Другие же формы получаются вследствие разных скоростей охлаждения.

Форма включений может быть различной: в виде хлопьев, шаров или пластин. Именно на получении первого вида структуры основан метод получения ковкого чугуна.

Ковкий чугун содержит углерод в интервале концентраций от 2,4–2,8%. Кроме того, в сплаве могут содержаться: кремний, марганец, сера и фосфор. Указанные элементы влияют на конечные свойства изделий.

Теория железоуглеродистых структур

Карбон с ферумом могут образовывать несколько различных видов сплавов по типу кристаллической решетки, что отображается на варианте микроструктуры.

  1. Твердый раствор проникновения в α-железо – феррит.
  2. Твердый раствор проникновения в γ-железо – аустенит.
  3. Химическое образование Fe3C (связанное состояние) – цементит. Первичный образовывается путем быстрого охлаждения из жидкого расплава. Вторичный – более медленное снижение температуры, из аустенита. Третичный – постепенное охлаждение, из феррита.
  4. Механическая смесь зерен феррита и цементита – перлит.
  5. Механическая смесь зерен перлита или аустенита и цементита – ледебурит.

Для чугунов характерна особая микроструктура. Графит может находиться в связанном виде и образовывать вышеперечисленные структуры, а может пребывать в свободном состоянии в форме разных включений. На свойства влияют как основные зерна, так и эти образования. Графитовыми фракциями в металле являются пластины, хлопья или шары.

Пластинчатая форма характерна для серых железоуглеродистых сплавов. Она обуславливает их хрупкость и ненадежность.

Включения хлопьеобразные имеют ковкие чугуны, чем положительно влияют на их механические показатели.

Шарообразная структура графита еще более улучшает качества металла, влияя на увеличение твердости, надежности, выдержки значительных нагрузок. Такими характеристиками обладает чугун высокопрочный. Ковкий чугун свойства свои обуславливает ферритной или перлитной основами с наличием хлопьеобразных графитовых включений.

Особенности производства ковкого чугуна


Форма графитовых включений и металлическая основа.
Чтобы получить ковкий чугун, необходимо следовать технологии, основанной на термическом отжиге заготовок при определенной температуре. В результате данного процесса происходит распад цементита и аустенита. Таким образом, получают углерод, кристаллизующийся в графите хлопьевидной формы.

Аустенитом называют железо с гранецентрированным типом решетки. Данная модификация является высокотемпературной. В железоуглеродистых сталях он может формироваться при температурах более 727 градусов, а в чистом железе при 910 градусах.

Окончательный процесс формирования графита происходит при более низких температурах – в диапазоне 720-760 градусов. Именно углерод в такой модификации определяет такие характеристики, как пластичность и прочность ковкого чугуна.

Метод предусматривает термообработку ковких чугунов в два этапа. Вначале материал подвергают воздействию температуры до 1000 градусов. Выдержка отливок в указанных условиях приводит к распаду ледебурита на графит и аустенит.

После отжига при высокой температуре изделие охлаждают до 720-760 градусов. В результате формируется перлит, распадающийся в дальнейшем на феррит и графит.

Плавку материала для изготовления чугуна осуществляют в вагранках, пламенных и электропечах. Иногда этот процесс осуществляют в комбинированных печах. Исходные отливки могут содержать различное количество углерода.

При изготовлении ферритного сплава необходимо использовать заготовки с меньшей концентрацией углерода. Такие изделия обладают высокой температурой плавления, поэтому требуют повышенную температуру перегрева.

Обычно для плавки в данной ситуации используют две печи. В вагранке происходит расплавление, а в электродуговой печи перегрев. Описанная технология плавки называется дуплекс-процессом.

Для производства перлитного сплава используют заготовки с большим содержанием «С». Для плавки такого материала достаточно вагранки.

Особенностью производства форм для отливок является повышенная усадка белого сплава. Из-за этого процесса возникает необходимость установки боковых прибылей у каждого местного утолщения отливки. Это позволяет избежать формирования раковин.

Для того, чтобы увеличить скорость охлаждения более толстых мест отливки используются металлические холодильники.

Читайте так же:
Фаза ноль обозначение цветом проводов


Влияние углерода и кремния на структуру чугуна и зависимость структуры от толщины чугуна.

Название данного материала обусловлено лишь его более высокими пластичными свойствами. На самом деле его нельзя подвергать ковке. Данный тип сплава используется так же, как и другие его виды.

Преимуществом ковкого чугуна, по сравнению с белым, является высокая антикоррозионная стойкость. По этому свойству материал занимает более высокие позиции, чем углеродистые стали. По механическим свойствам он уступает сталям, однако превосходит белый чугун.

Отжиг: технология и фазовые превращения


Диаграмма изотермических превращений аустенита в ковком чугуне с 2,9% С; 0,88% Si, 0,36% Mn и 0,09% S.
По получаемой структуре ковкий вид материала делят на белосердечный (перлитный) и черносердечный (ферритный) материал. Перлитный является более твердым и износостойким, а ферритный — более прочным и вязким. Структура чугуна ковкого (феррит или перлит + графитные включения) определяется особенностями отжига, температурой и временем выдержки (томления) в печи.

От структурных составляющих и их формы зависят свойства готового материала. Структура чугуна для полноценного отжига с получением требуемых свойств не должна содержать в себе выделений свободного графита, должна быть «отбеленной» по всему сечению. Для этого в сплаве ограничивают количество содержания кремния, способствующего графитизации.

Перлитная основа


Основные виды чугунов.
Белосердечный (перлитный) ковкий чугун получают обезуглероживающим отжигом отливок в порошке железной руды. Популярность этой технологии в прошлом объясняется повышенным содержанием углерода в вагранных отливках (3,4 — 3,6%).

Современная плавка в вагранке дает меньшее содержание углерода (до 3%).

Для перлитного ковкого чугуна используются отливки белого чугуна, содержащие углерод в количестве 3,0 — 3,6 %, технологические добавки кремния, марганца, фосфора, серы. Их размещают в коробах и засыпают свежим рудным порошком или окалиной. При отжиге в железной руде формируется окислительная среда, и углерод частично выгорает (окисляется). Поверхностный слой на глубине до 2 мм оказывается полностью обезуглероженным.

Получаемое литое изделие имеет прочность к воздействию разрывающих и усталостных нагрузок, близкую к стали, повышенную износостойкость. Отливка после обезуглероживания формирует разные свойства вдоль сечения: меньшая твердость на поверхности и большая в сердцевине.

Нагрев выполняется в одну стадию: до 1000 ºC, затем следует длительная выдержка (от 60 до 100 часов) и медленное непрерывное охлаждение вместе с печью. Формируемая «белосердечная» структура состоит из перлита, который на изломе имеет серебристый белый цвет.

На приведенном ниже Изображении 2 структура перлитного ковкого материала соответствует фото «а».

Разновидности ковкого чугуна

В зависимости от процесса производства ковкий чугун бывает ферритным и перлитным. В первом случае изготовление осуществляется в нейтральной среде. Такой материал отличается ферритной структурой с остаточным углеродом отжига.

В состав сплава до термообработки входит 2,2-2,99 процента углерода, а также добавки других элементов, содержание которых не превышает одного процента. Уменьшение кон сопровождается увеличением прочностных характеристик материала. Однако его литейные свойства снижаются.

Данный материал широко применяется при изготовлении деталей для машин и сельхоз техники, где необходима стойкость к постоянным нагрузкам и напряжениям.

Термообработка изделий в окислительной среде приводит к формированию белосердечного или перлитного чугуна. Данный сплав отличается другими концентрациями углерода до отжига – 2,8-3,3 процента. После термического воздействия количество углерода падает до 0,6-2,2%.

Данный сплав отличается более низкими пластическими свойствами. В связи с этим его используют в задачах, не требующих стойкости к серьезным пластическим и химическим нагрузкам.

Свойства ковких чугунов


Состав ковкого чугуна.
Ковкий чугун обладает механическими свойствами, зависящими от содержания кремния углерода в графитовой аллотропной модификации. Для белосердечного материала влияние оказывают также хром и марганец.

Различие структуры изделий определяет и различие свойств. Так, черносердечный сплав характеризуется большей пластичностью, но меньшей твердостью, чем перлитный тип.

Высокие прочностные характеристики данных сплавов обеспечиваются графитом хлопьевидной формы. Несмотря на свое название, данные изделия не поддаются ковке. Они изготавливаются путем отливки деталей в заданные формы.

Главным достоинством ковкого сплава является однородность свойств по сечению материала, а также отсутствие напряжений.

С точки зрения других характеристик они отличаются:

  • хорошей текучестью при литье;
  • поглощением вибраций;
  • высокой износостойкостью;
  • хорошей коррозионной стойкостью к влаге и многим агрессивным химическим соединениям;
  • высокой стойкостью к ударным нагрузкам.

Сферы использования материала


Механические свойства и химический состав чугуна.
Применение ковкого чугуна нашлось в машиностроении, автомобилестроении, в производстве ж/д вагонов, изготовлении сельхоз оборудования.

Лучшими свойствами для отмеченных сфер применения является перлитный тип. Однако, несмотря на более высокие характеристики, чаше используется черносердечный сплав. Это обусловлено меньшими затратами на его производство.

Только для изготовления деталей, подвергающихся высоким нагрузкам, используют белосердечный материал. К таким изделиям относятся рессоры, детали двигателей и т.д.

Ковкие чугуны нашли широкое применение в различных областях человеческой жизнедеятельности благодаря своим высоким прочностным свойствам и хорошей коррозионной стойкости.

Они используются для изготовления различных деталей, которые должны выдерживать значительные постоянные и периодические нагрузки.

В зависимости от задач, может использоваться либо ферритный, либо перлитный тип материала. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками, описанными в данной статье.

Общепринятая маркировка металла

Согласно с рекомендациями ГОСТ 1215–79, маркировка ковкого чугуна включает в себя первые буквы его наименования – КЧ. Прописанное число, состоящее из двух цифр, отображает показатель временного сопротивления или предел стойкости к деформации и разрушению, измеряемый в 10 МПа – КЧ 70. Цифра, прописанная через дефис, отражает величину пластической деформации во время растяжения с единицей измерения «%» (относительное удлинения) – КЧ70-2.

Маркировка чугуна

Вдобавок к этому, марки ковких сплавов классифицируются в зависимости от их структур. К ферритному и ферритно-перлитному классу относятся КЧ с относительно низкими пределами стойкости к разрушениям и более высокими процентами относительного удлинения. Сплавы с перлитовой структурой представлены с высокими значениями временного сопротивления и со сравнительно низкими показателями относительного удлинения.

По данным ГОСТ 26358, можно определить такие свойства марок ковкого чугуна, как:

Материаловедение. Шпаргалка.

29. Белые, серые, половинчатые, высокопрочные и ковкие чугуны. Формирование микроструктуры, свойства, маркировка и применение.

Чугун – это сплав железа с углеродом. Чугун содержит углерод – 2,14 % и более дешевый материал, чем стали. Он обладает пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. Из чугунов можно делать отливки более сложной формы, чем из сталей. Литая структура чугунов содержит концентраторы напряжений, в качестве которых могут быть дефекты: пористость, ликвационная неоднородность, микротрещины.

Белый чугун имеет свое название по виду излома матово-белого цвета. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Фазовые превращения протекают согласно диаграмме состояния (Fе – FезС). Белые чугуны в зависимости от содержания углерода бывают: доэвтектическими (перлит + ледебурит); эвтектическими (ледебурит); заэвтектическими (первичный цементит + ледебурит). Эти чугуны имеют большую твердость из-за содержания цементита; они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12–30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевина – серого чугуна. Высокая твердость поверхности позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойства отбеленного чугуна применяются для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок и других деталей.

Читайте так же:
Свёрла по дереву разновидности

Белые чугуны кристаллизуются по диаграмме состояния системы сплавов железо – цементит. Значительное содержание твердого и хрупкого цементита в составе белых чугунов является причиной того, что эти чугуны трудно поддаются механической обработке. Они применяются для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун, а также для отливки прокатных валков и вагонных колес.

Серый чугун (технический) название получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Структура чугуна состоит из металлической основы и графита и его свойства зависят от этих двух составляющих. Графит обладает низкими механическими свойствами.

При медленном охлаждении сплавов железо – углерод происходит выделение графита.

В промышленности применяются доэвтектические серые (литейные) чугуны. Серый чугун, который состоит из феррита и графита, называют ферритным, так как металлическую основу его составляет феррит. Весь углерод в виде графита выделяется при очень медленном охлаждении сплава; если скорость охлаждения в процессе кристаллизации (как первичной, так и вторичной) увеличивается, выделяется не графит, а цементит. Чугун, содержащий до 1,2 % фосфора, применяется для художественного литья, труб.

Маркировка серого чугуна. По ГОСТ чугун в отливках маркируется буквами СЧ с добавлением двух чисел: первое число указывает предел прочности при растяжении (σпч) второе – удлинение (σ) в%. Половинчатый чугун состоит из перлита, ледебурита и пластинчатого графита. Сочетает в себе два цвета – серый и белый.

Высокопрочный чугун – это чугун, в котором графит имеет шаровидную форму. Повышение прочности и пластичности чугуна достигается модифицированием, обеспечивающим получение глобулярного (сфероидального) графита вместо пластинчатого. Поверхность графита сфероидальной формы имеет меньшее отношение к объему и определяет наибольшую сплошность металлической основы и прочность чугуна. Такая форма графита получается при присадках в жидкий чугун магния (М) или церия (Се).

Высокопрочный чугун имеет ферритную или перлитную основу. Ферритный чугун имеет повышенную пластичность.

По ГОСТ чугун обозначают числами: первое число указывает предел прочности при растяжении (σпч), второе – удлинение (σ) в%. Еще более высокая прочность достигается при модифицировании легированного чугуна.

Высокопрочный чугун применяют вместо стали для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках при повышенных и высоких давлениях; коленчатых валов, шестерен, муфт и вместо ковкого чугуна для изготовления задних мостов-автомобилей.

Ковкий чугун – чугун с хлопьевидным графитом, условное название мягкого и вязкого чугуна, который получают из белого чугуна специальной термической обработкой; ковке его не подвергают, он обладает высокой пластичностью. Ковкий чугун состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита. Графит находится в виде включений округленной формы, расположенных изолированно друг от друга и металлическая основа менее разобщена, а сплав обладает значительной вязкостью и пластичностью.

Свойства ковкого чугуна зависят от величины графитных включений (чем меньше эти включения, тем прочнее чугун), но они определяются структурой его металлической основы, которая может быть ферритной, перлитной или смешанной.

В зависимости от состава чугуна и способа термической обработки получают два вида ковкого чугуна: черносердечный и белосердечный. Ковкий чугун более дешевый материал, он обладает хорошими механическими свойствами и применяется в сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, вагоностроении, станкостроении.

Конструкционные материалы

Еще используются неметаллические конструкционные материалы, такие как винипласт, фторопласт-4, полиэтилен, пластикат на основе поливинилхлорида, фаолит А (кислотоупорная пластмасса, изготовляемая на основе бакелитовой смолы), капрон (капролактам), керамика кислотоупорная, стекло, фарфор, диабаз плавленный, графитные материалы, текстолит, древесно-слоистые пластики.

При производстве трубопроводной арматуры используются серые, ковкие и высокопрочные чугуны, а также чугуны кислотостойкие, жаростойкие, щелочестойкие и антифрикционные.

СЕРЫЙ ЧУГУН (СЧ) чаще всего применяется в промышленности для деталей, которые работают на износ. Его основными характеристиками является предел прочности при испытании на разрыв (в МПа) и предел прочности при испытании на изгиб (в МПа). Маркируется он следующим образом – СЧ 120-280.

Можно улучшить механические свойства серого чугуна, добавляя в него графитизирующие материалы: силикокальций, силикоалюминий или ферросилид. Тогда его структура становится более однородной и мелкозернистой, а материал, в свою очередь, более прочным и износостойким.

КОВКИЙ ЧУГУН (КЧ) получают в результате термообработки белого чугуна. Его название обусловлено высокой вязкостью и пластичностью. Также КЧ характеризуется высокой прочностью и высоким сопротивлением удару. Из него часто изготавливают детали сложной формы: тройники, угольники и т. д.

Характеристики, которые упоминаются в маркировке ковкого чугуна: предел прочности на разрыв (в МПа) и относительное удлинение / степень пластичности (в процентах). Например, КЧ 370-12.

Чугун этого вида занимает среднее положение между чугуном и сталью и дает плотные отливки, его применяют для более высоких давлений и температур. Для деталей арматуры чаще всего применяются ковкие чугуны марок КЧ 30-6 и КЧ 33-8.

ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН (ВЧ) получают введением в жидкий серый чугун специальных добавок из магния или магниевых лигатур. Он применяется для изготовления более ответственных изделий (коленчатых валов, поршней, шестерен и др.), заменяя сталь. Маркируется высокопрочный чугун также двумя буквами и двумя числами, например, ВЧ 450-5. Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун, а числа имеют то же значение, что и в марках ковкого чугуна.

Благодаря добавкам, высокопрочный чугун приобретает повышенные механические свойства, в ряде случаев приближающиеся к механическим характеристикам сталей. При производстве обычно используются высокопрочные чугуны марок ВЧ 38-17, ВЧ 42-12 и ВЧ 45-5 при температуре рабочей среды до 300 °С.

Для изготовления деталей арматуры также применяются коррозионностойкие и жаропрочные чугуны марок ЧШ7ДЗХ2 (ЖЧ-1), ЧН19ХЗШ, ЧН5Г8 (ГН8-5), ЧШ5Д7Х2 и ЧН15ДЗХШ, а также антифрикционный чугун АСЧ-1.

Стоит отметить, что не разрешается применять арматуру из ковкого чугуна на трубопроводах, транспортирующих среды группы А (т. е. чрезвычайно опасные вещества с токсичным действием), сжиженные газы группы Б (т. е. взрыво- и пожароопасные вещества).

Арматуру из серого и ковкого чугуна также не допускается применять в следующих случаях:

● на трубопроводах, подверженных вибрации;

● на трубопроводах, работающих при резкопеременном температурном режиме среды;

● при возможности значительного охлаждения арматуры в результате дроссель-эффекта;

● на трубопроводах, транспортирующих вещества групп А (вещества с токсичным действием) и Б (взрыво- и пожароопасные вещества), содержащие воду или другие замерзающие жидкости, при температуре стенки трубопровода ниже 0 °С, независимо от давления;

● в обвязке насосных агрегатов, в том числе на вспомогательных трубопроводах, при установке насосов на открытых площадках;

● в обвязке резервуаров и емкостей для хранения взрывопожароопасных и токсичных веществ.

СТАЛЬ


В зависимости от способа производства
(в конверторах, мартеновских печах, в электропечах) различают три класса стали:

I класс — сталь обыкновенного качества;

II класс — сталь качественная и

III класс — сталь высококачественная.


По применению
сталь подразделяют на четыре класса:

I класс — строительная,

II класс- конструкционная,

III класс — инструментальная и

IV класс — с особыми свойствами.

Арматурная сталь должна обладать достаточной пластичностью, характеризуемой величиной относительного удлинения при растяжении, а также проверкой на загиб или перегиб в холодном состоянии. Чем хуже пластические свойства арматурной стали, тем сильнее ограничиваются возможности ее рационального использования в железобетонных конструкциях.

Механические свойства арматурных сталей устанавливаются соответствующими ГОСТ и техническими условиями, а области рационального использования арматуры в конструкциях определяются техническими условиями и инструкциями по проектированию железобетонных конструкций.


ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

ЛАТУНЬ – пластичный материал, имеет хорошую коррозионную стойкость (для повышения коррозионной стойкости производится отжиг латуни). С понижением температуры механические свойства латуни повышаются, поэтому она успешно применяется для арматуры, работающей при низких температурах. Например, латунь ЛЖМц59-1-1 может применяться для изготовления деталей арматуры, работающей в условиях низких температур (до –196° С).

Латуни в трубопроводной арматуре применяются для изготовления уплотнительных колец для воды, ходовых гаек, электропроводящих деталей приводов. В некоторых случаях из латуни изготовляется также мелкая пароводяная арматура, когда такая необходимость технически обоснована.

БРОНЗА в арматуростроении применяется для изготовления шпинделей, ходовых гаек, подшипников, втулок, венцов червячных колес, а также пружин, работающих в коррозионной среде и электромагнитном поле.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ используются в основном для арматуры, работающей при температурах от 80 до + 100°С. Из сплавов марок АЛ2 и АЛ8 изготовляется мелкая арматура, краны и детали проводов. Алюминий марки АО применяется для, изготовления арматуры, работающей на азотной кислоте. Алюминий марок АО, А и АД1 используется для прокладок, работающих при температуре от 253 до +100° С.

НИКЕЛЬ И НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ хорошо противостоят действию коррозионных сред и, в частности, действию морской воды. Одним из важнейших свойств никеля является его способность сохранять пластичность при низких температурах. В интервале температур от +650 до 271 °С пластические свойства никеля не изменяются.

Из никелевых сплавов в арматуростроении наиболее распространен монель-металл НЖМц28-2,5-1,5 устойчивый против действия морской воды, содержащий никеля 68 %, меди 28 %, железа 2,5 % и марганца 1,5 %.

ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ получают все большее применение. Арматура из титановых сплавов пригодна для работы в коррозионных средах, при низких и повышенных температурах; она обычно выполняется сваркой. Из титановых сплавов изготовляются также сильфоны.

Титан имеет плотность, стоек в атмосферных условиях, в пресной и морской воде, горячих минеральных маслах, щелочах калия и натрия, пищевых продуктах, в ряде кислот и других средах. Титан имеет низкие антифрикционные свойства и склонность к задиранию при трении скольжения, поэтому рабочие поверхности при трении должны подвергаться соответствующей обработке или наплавке.


НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
, такие как винипласт, керамика, графиты, текстолит, капрон и пластикат.

В арматуростроении возрастает количество конструкций, в которых используются различные неметаллические материалы, хотя удельный вес их в общем остается небольшим.

ПЛАСТМАССЫ используются для изготовления деталей или для облицовки (футерования) внутренних поверхностей корпусных деталей, непосредственно соприкасающцхся с коррозионными средами.

В и k, H пласт представляет собой твердую негорючую пластмассу, получаемую путем термической пластификации поливинилхлоридных смол. Обладает высокой химической стойкостью против действия многих агрессивных сред – кислот, щелочей и их растворов. Из винипласта изготовляются вентили, краны, клапаны и др. Он используется также как футеровочный материал. Применяется для рабочей среды с температурой до 4060° С.

Фторопласт-4 по химической стойкости превосходит все химически стойкие материалы, включая золото и платину. Разрушается лишь под действием расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора. Не смачивается водой и не набухает, по внешнему виду напоминает парафин. Имеет низкий коэффициент трения и обладает очень высокими диэлектрическими характеристиками. Применяется для работы при температуре от 195 до +250 °С. Ползучесть этого материала зависит от удельного давления и температуры. Фторопласт-4 используется для изготовления деталей кранов, вентилей, труб, сильфонов, мембран, прокладок, сальниковых набивок и различных деталей электроаппаратуры.

ПОЛИЭТИЛЕН используется как коррозионностойкий материал для изготовления и футерования арматуры, изготовления отдельных деталей, уплотнительных колец, прокладок.

ФАОЛИТ – кислотоупорная пластмасса, изготовляемая на основе бакелитовой смолы, применяется как для футерования арматуры, работающей при температуре среды до 120 °С, так и для изготовления некоторых конструкций вентилей и кранов.

Капрон, пропилен, нейлон, текстолит, древеснослоистые пластики и другие пластмассы имеют в арматуре ограниченное применение.

Стекло, фарфор, диабаз плавленый, кислотоупорная керамика и графитные материалы успешно применяются для изготовления труб и некоторых деталей трубопроводной арматуры химических производств.

Более подробная информация представлена в следующих видеороликах:


Серые, ковкие, высокопрочные, вермикулярные чугуны. Их состав, марки, структуры, способы получения, свойства.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14%С и затвердевающие с образованием эвтектики.

Белыминазывают чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Согласно диаграмме состояния Fe – Fe3С белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и завтектические. Из-за большого количества цементита они твердые (450 – 550 НВ), хрупкие и для изготовления деталей машин не используются.

Серыми называются чугуны с пластинчатой формой графита. По хим.составу разделяют на обычные и легированные. Обычные серые чугуны – сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Fe, C, Si и постоянные примеси: Mn, P, S. Содержание этих элементов в %: 2,2-3 C; 1-3 Si, 0,2-1,1 Mn; 0,02-0,3 P; 0,02-0,15 S.

Углерод оказывает определяющее влияние на качество чугунов, изменяя количество графита и литейные свойства. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна. По этой причине максимальное содержание углерода ограничивается доэвтектической концентрацией. В то же время снижение его концентрации отрицательно сказывается на жидкотекучести и, следовательно, на литейных свойствах чугуна.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием; способствует выделению графита в процессе затвердевания чугунов и разложению выделившегося цементита.

Марганец затрудняет графитизацию чугунов, несколько улучшает их механические свойства.

Сера – вредная примесь. Она ухудшает механические и литейные свойства чугунов: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.

Фосфор в количестве до 0,3% растворяется в феррите, при большой концентрации он образует с железом и углеродом тройную «фосфидную» эвтектику, она имеет низкую температуру плавления (950 o С), что увеличивает жидкотекучесть чугунов, но высокую твердость и хрупкость.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и главным образом от количества, формы и размеров графитных включений. Прочность, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением перлита в металлической основе, которая по строению аналогична сталям.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления при растяжении. СЧ10, СЧ15, СЧ25, СЧ35.

Высокопрочныминазывают чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводится в жидкий чугун в количестве 0,02 – 0,08 %.

Чугун после модификации имеет состав, %: 3,0-3,6 C; 1,1-2,9 Si, 0,3-0,7 Mn; до 0,1 P; до 0,02 S.

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 временного сопротивления. ВЧ35, ВЧ45, ВЧ60, ВЧ80, ВЧ100.

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

Чугун после модификации имеет состав, %: 3,1-3,8 C; 2,0-3,0 Si, 0,2-1,0 Mn; до 0,08 P; до 0,025 S.

Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ 30, ЧВГ 35, ЧВГ 40, ЧВГ 45 (Число обозначает то же самое, что и раньше).

По механическим свойствам ЧВГ занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами.

Ковкие чугуны. Это чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. По этой причине графит ковких чугунов углеродом отжига. Обладают по сравнению с серыми более высокой прочностью и пластичностью. Отливки , подвергаемые отжигу на ковкие чугуны, изготавливают тонкостенными. Сечение <50 мм.

Имеют след.химический состав, %: 2,4-2,9 C; 1,0-1,6 Si, 0,2-1,0 Mn; до 0,18 P; до 0,2 S.

По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводят по режиму 1, обеспечивающему графитизацию всех видов цементита белых чугунов. В результате такого отжига (70-80ч) весь углерод выделяется в свободном состоянии и формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига.

Перлитный ковкий чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2. В этом случае увеличивается продолжительность первой стадии графитизации. Чугун приобретает структуру, состоящую из перлита и углерода отжига. Отсутствие литейных напряжений, компактная форма и изолированность графитгых включений обусловливают высокие мех.свойства.

Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ и числами как в предыдущих случаях. Недостаток ковких чугунов – продолжительный дорогостоящий отжиг.

Билет8

1)Виды термической обработки: отжиг, закалка, отпуск, старение. Использование диаграмм состояния двойных сплавов для определения возможных видов термической обработки.

1) Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критической температуры (структура аустенит), выдержки и медленном охлаждении. Задача отжига – получение более или менее равновесной структуры металла. Существует отжиг первого и второго рода.

Отжиг первого рода направлен на возвращение в равновесное состояние металла, подвергнутого предварительной пластической деформации.

Отжиг первого рода проходит в две стадии: 1) возврат 2) рекристаллизация. В результате пластической деформации в металле возникает особая структура, при которой большинство кристаллов оказывается деформированными в одном направлении.

Металл, свойства которого были одинаковы во всех направлениях из-за произвольной хаотической ориентации кристаллов приобретает преимущественные направления распределения свойств. Устранить влияние пластической деформации на структуру металла можно двумя способами.

1) Возврат – нагрев металла до относительно низких температур. Результат – искаженная форма кристаллов сохраняется, снимаются внутренние напряжения в структуре. В результате твердость и прочность незначительно уменьшаются, уменьшается склонность к хрупкому разрушению.

2) Рекристаллизация – нагрев до высоких температур: чистые металлы – до tр = 0,2-0,3tпл; чистые сплавы – до tp = 0,5-0,6tпл; технические сплавы – до tр = 0,8-0,9tпл. Под действием высоких температур происходит полная перестройка кристаллической структуры металла. Вместо деформированных кристаллов в твердом состоянии происходит зарождение и рост новых равновесных кристаллов. Свойства металла возвращаются к исходным – бывшим до деформации.

Отжиг второго рода заключается в нагревании стали выше критической температуры аустенита, выдержки и охлаждении. Направлен на перевод стали, находящейся в неравновесном состоянии после предварительной термической обработки в равновесное состояние.

<== Левый нижний угол диаграммы железо-цементит.

I. Полный отжиг. Нагрев до температуры 900–1000° C. Как результат: происходит выравнивание химического состояния (исчезновение ликваций); образуется полностью

равновесная структура. Следы предварительной термообработки полностью исчезают. Происходит рост зерна аустенита (гомогенизация).

II. Полный отжиг. Структура металла переходит в более равновесное состояние. Ликвации сохраняются, роста зерна не происходит.

III, IV. Неполный отжиг. Происходит уменьшение степени неравновесности, частично сохраняются следы предварительной термообработки.

Сорероидизация, применяется для заэвтектоидных сталей (С>0,8%). Цель – образование сферического цементита.

Исчезает цементный скелет. Кристаллы цементита приобретают правильную сферическую форму. Результат – улучшение механических свойств металла, уменьшение хрупкости, увеличение вязкости.

2) Закалка – вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали выше критической температуры (структура аустенит), выдержки при этой температуре и охлаждении со скоростью выше критической (структура мартенсит). Цель: повышение твердости и прочности стали.

Критическая скорость охлаждения – минимальная скорость охлаждения стали, при которой не происходит распада аустенита с образованием перлита (t = 727° C).

При охлаждении со скоростью vкр кривая охлаждения касательна к линии начала распада А. При скорости v1<vкр – низкая скорость охлаждения – идет процесс распада А, закалки не происходит. При v2>vкр – происходит закалка с образованием мартенсита. При v3<vкр происходит неполная закалка, часть кристаллов А распадается, часть – превращается в мартенсит.

Выбор температуры нагрева стали под закалку.

1) Образование аустенитной структуры должно пройти полностью за относительно непродолжительное время.

2) Не должно происходить увеличения размеров зерна аустенита вследствие нагрева.

Результаты закалки при разных условиях:

1) Температура выше оптимальной: превращение происходит быстро, увеличиваются размеры кристаллов аустенита, следовательно возможно ухудшение свойств закаленной стали.

2) Температура оптимальная: превращение происходит быстро, результат качественный.

3) Температура ниже оптимальной: Закалка возможна, но недопустимо сильно увеличивается время выдержки.

4) Температура ниже критической: Аустенит образуется частично. Результат – неполная закалка.

Интервал температур определен экспериментально. Для заэвтектоидных сталей температура нагрева на 20–50° C выше линии SK. Причина: углерод как легирующий элемент способствует повышению устойчивости аустенита.

Для заэвтектоидных сталей закалка с температурой выше линии SK приводит к высокому содержанию углерода в аустените. После закалки при низких температурах в структуре находится много остаточного аустенита, как следствие уменьшается твердость.После закалки при температуре на 20–50° C выше линии SK, избыточный углерод остается в виде цементита, содержание углерода в аустените пониженное, аустенит практически полностью превращается в мартенсит. Влияние остаточного аустенита компенсируется высокой прочностью и твердостью вторичного цементита.

Способность стали к закалке.

1) Закаливаемость – способность стали существенно изменять свои свойства после закалки. Зависит от содержания углерода в стали (С > 0,25%).

2) Прокаливаемость – способность стали образовывать мартенсит при низких критических скоростях охлаждения. Чем ниже скорость, тем выше прокаливаемость, тем толще поверхностный слой закаленного металла.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector