Серые литейные чугуны

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И КОНСТРУКЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

( СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ, МАРКИРОВКА)

Часть 1. Металлические материалы

Методическое пособие

Тирасполь2004 г.

Юрченко В. И., Юрченко В. А., Бурменко Ф. Ю. Материаловедение и конструкционные материалы. (Свойства, применение, маркировка).Часть 1. .Металлические материалы.: Методическое пособие. Тирасполь: РИО ПГУ, 2004.-71с.

Изложены сведения о свойствах, химическом составе, маркировке и применении важнейших металлов и сплавов, применяемых в машиностроении: чугунов, сталей, бронз, латуней, алюминиевых, магниевых и других сплавов. Пособие предназначено для студентов машиностроительных специальностей.

Рецензенты:

Ю. П. Келюх, главный инженер завода металлоизделий,

Г. Р. Грейнер, канд. техн. наук, доц. каф. электроэнергетики.

Утверждено Научно-методическим советом ПГУ им.Т.Г.Шевченко.

. В.И.Юрченко, В. А.Юрченко, .Ф. Ю. Бурменко,2004 г.

Учебное издание

Юрченко Владимир Иванович

Юрченко Вера Александровна

Бурменко Феликс Юрьевич

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. (Свойства, применение, маркировка)

ЧАСТЬ 1.МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Издаётся в авторской редакции.

Компьютерная вёрстка О. Е. Юрченко.

Введение

Стали и чугуны относятся к группе чёрных металлов и являются основным материалом машиностроения. С развитием металлургии и в связи с требованиями машиностроения неуклонно увеличивается сортамент чугунов, сталей и их качество.

Каждая марка чугуна или стали обладает определенными, только ей присущими физико-механическими свойствами. Выбор той или другой марки стали или чугуна определяется техническими требованиями, предъявляемыми к соответствующей детали машин.

Медь, свинец, олово, цинк, кобальт, никель, алюминий, титан, магний и ряд других металлов относятся к группе цветных металлов. Цветные металлы и их сплавы широко используются в современном машиностроении и являются незаменимыми благодаря только им присущим свойствам. По сравнению с чёрными металлами цветные металлы являются более ценными и дефицитными, так как они распространены в природе в гораздо меньшем количестве, а производство значительно более сложное и трудоёмкое. Область применения каждого цветного металла или сплава определяется его физико–механическими свойствами. Наиболее распространёнными цветными сплавами в машиностроении являются сплавы алюминия, меди, магния, цинка, олова.

Знание физических (плотность, теплопроводность, и др.), механических (прочность, пластичность, твёрдость и др.),технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием, и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учётом экономических требований.

В данном пособии приведены сведения о всех указанных выше свойствах металлических материалов, применяемых в машиностроении.

В разделе «Чугуны» дана классификация и принципы выбора машиностроительного чугуна; приведены физико-механические, технологические и другие свойства серого, высокопрочного, ковкого, антифрикционного, коррозионно-стойкого, жаростойкого и других видов чугуна со специальными свойствами.

В разделе «Стали» приведены химический состав, физические, механические, технологические свойства и области применения конструкционной углеродистой и легированной стали, в том числе инструментальной, нержавеющей, жаропрочной и других марок со специальными магнитными и упругими свойствами, высоким омическим сопротивлением, аномальным термическим расширением, а также порошковых сплавов.

В разделе «Цветные металлы и сплавы» приведены сведения о физико-механических и технологических свойствах сплавов на основе алюминия, меди, магния, титана, олова и других элементов, рассмотрены особенности и преимущества различных марок цветных металлов и сплавов и указаны области применения с учётом их рационального использования. . Пособие предназначено для студентов машиностроительных специальностей и может быть использовано инженерами и техниками на производстве.

1.МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ ЧУГУНЫ.

Чугуны нашли широкое применение в качестве машиностроительных материалов благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а так же относительной дешевизны. Чугуны используются для производства качественных отливок сложной формы (станины станков, корпуса приборов и т.д.).

Чугунами называются сплавы железа с углеродом и некоторыми другими элементами(Si, Mn, S, P), причем содержание углерода в чугунах более 2,14 %. Свойства чугунов определяются металлической основой (матрицей), а также количеством, формой и расположением в ней графитовых включений. В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, чугуны подразделяются на белый, серый, ковкий, высокопрочный и легированный, обладающий особыми свойствами (жаропрочностью, антифрикционностью и т.д.)

Белые литейные чугуны

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементитаFe₃C. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость (НВ 450-550) и хрупкость, поэтому используются только для изготовления износостойких деталей типа шаров мельниц, звездочек в галтовочных барабанах, облицовочных плит для щековых дробилок, прокатных валков с отбеленной поверхностью и т. д. В связи с высокой хрупкостью белые чугуны имеют очень ограниченное применение и поэтому не маркируются.

Серые литейные чугуны.

Серыми называются чугуны с пластичной формой графита. Чугуны являются сплавами со сложным химическим составом, содержащими C, Si, Mn, S, P. Содержание этих элементов колеблется в следующих пределах C = 2,2 – 3,7 % , Si = 1-3% , Mn = 0,2-1,1%, P = 0,12-0,3%, S =0,02- 0,15 %.

По структуре серый чугун делится на три вида:

- серый ферритный со структурой феррит + графит, в этом чугуне весь углерод находится в виде графита;

- серый феррито - перлитный со структурой феррит + перлит + графит; в этом чугуне количество связанного графита менее 0.8%;.

-серый перлитный со структурой перлит + графит; в этом чугуне количество связанного графита составляет ~ 0.8%;

Наиболее высокими механическими свойствами обладает серый чугун с перлитной структурой (табл.1.1).

Таблица 1.1

Механические свойства и назначение некоторых марок серогочугуна.

.-(ГОСТ1412-85).

.

Марка чугуна	σB МПа	δ %	НВ МПа	Структура матрицы	Назначение
СЧ10		0,1	1430-	Феррит	Малоответственное литье: опоры, грузы, патрубки, корпуса насосов, редукторов, шкивы, стойки, корыта, втулки, кронштейны и др.
СЧ15		0,1	1630-
СЧ20		0,15	1700-	Феррит+ перлит	Ответственное литье с толщиной стенок 8-40 мм: ролики, шестерни, червячные и зубчатые колеса, картеры, тормозные колодки, корпусные детали.
СЧ25		0,25	1800-
СЧ30		0,30	1800-	Перлит	Ответственное высоконагруженное литье: цилиндры,барабаны станины станков, поршневые кольца, поршни, корпуса насосов, компрессоров, муфты, диски сцепления, коленчатые валы.
СЧ45		0,35	2290-2890

В обозначениях марки чугуна буквы “СЧ” обозначают “серый чугун”, а число после букв – предел прочности при растяжении.

Так как относительное удлинение у серых чугунов составляет<0,3%,то маркировке оно не указывается.

Из перлитных серых чугунов наивысшими механическими свойствами обладают чугуны, модифицированные ферросилицием или силикокальцием. При модифицировании измельчаются графитовые включения, в результате достигается прочность σ_B = 1000—1200 МПа.

1.3 Высокопрочные чугуны.

1. Высокопрочными называются чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Получение в чугуне шаровидной формы графита достигается при модифицировании серого чугуна некоторыми химическими элементами Mq, Ca, Ce и т.д. в количестве 0,05—0,1 %. Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: С=3,0-3,6 %, Si =1,1--2.9 %, Mn =0.3—0.7 %, S<0.02 %, P<0.01 %. По структуре металлической основы (матрицы) высокопрочный чугун может быть ферритным, феррито – перлитным и перлитным. Шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, поэтому имеет более высокие механические свойства, чем серый чугун. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Так же как и у серых чугунов, наиболее высокими свойствами обладает высокопрочный чугун с перлитной структурой (табл.1.2).

Таблица 1.2

Механические свойства и назначение некоторых марок высокопрочного чугуна (ГОСТ 7293-85).

.

Марка чугуна	σB МПа МПа	δ %	НВ МПа	Структура матрицы	Назначение
ВЧ 35			1400-	Феррит	Малоответственное литье: Кронштейны, ручки, рычаги, рамы, штампы, корпуса задвижек, головки и корпуса компрессоров, фиттинги. .
ВЧ 40			1400- -2020
ВЧ 50			1530- -2450	Феррит+ перлит	Ответственное литые:коленчатые валы, поршни, лопатки направляющего аппарата, корпуса паровых турбин, гребные винты.
ВЧ60			1920- -2700
ВЧ80			2480- -3510	Перлит	Ответственное высоконагруженное литье: прокатные валки, шаботы ковочных прессов, траверсы прессов, лопатки турбин

Высокопрочный чугун эффективно заменяет сталь во многих изделиях и конструкциях, так как обладает не только прочностью, но и пластичностью. В некоторых случаях для улучшения механических свойств, применяют термическую обработку отливок (закалку, отпуск, отжиг).

В обозначении марки чугуна буквы «ВЧ» обозначают «высокопрочный чугун», а число после букв – предел прочности при растяжении σ_B в кг/мм².

Ковкие чугуны.

Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Такие чугуны получаются путем длительного отжига белого доэвтектического чугуна. Хлопьевидный графит, в отличие от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металлической основы, в следствии чего ковкий чугун обладает более высокой прочностью и пластинчатостью, чем серый чугун.

Для обеспечения получения хлопьевидного графита после отжига исходные белые чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния. Химический состав исходного белого чугуна находится в пределах:С=2,4-2,9% ,Si=1,0-1,6% ,Mn=0,2-1,05% , S<0,2%, P<0,18.%.

По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными. Перлитные ковкие чугуны имеют более высокий предел прочности, но пониженную пластичность.(табл.1.3)

Таблица 1.3

Механические свойства и назначение ковкого чугуна (ГОСТ1215-85).

Марка чугуна.	σB МПа МПа	δ %	HB МПа	Структура матрицы	Назначение
КЧ30-6			1000-1630	Феррит	Звенья приводных цепей, шестерни ,подшипники, детали тормозов, кронштейны, буксы, ступицы, башмаки, глушители, коробки, корпуса подшипников, подкладки, скобы, хомуты и др.
КЧ35-10			1000-1630
КЧ37-12			1000-1630
КЧ45-7			1500-2070	Перлит	Вилки валов, собачки, шестерни, звездочки, муфты, диски, вкладыши редукторов, втулки, задние мосты, коленчатые валы и др.
КЧ60-3			2000-2690
КЧ80-1,5		1,5	2700-3200

Ковкий чугун во многих случаях заменяет детали из стали, так как по механическим свойствам детали приближаются к стальным, а по цене получаются на 20-30% дешевле. . Недостатком технологии получения ковких чугунов является сложность и большая энергоёмкость процесса, поэтому ковкий чугун ни в Советском Союзе, ни в странах СНГ распространения не получил. В основном ковкий чугун используется для изготовления ответственных отливок, испытывающих при эксплуатации значительные динамические и знакопеременные нагрузки (например, коленчатые валы, ступицы грузовиков, приводные цепи конвейеров и др.)

В обозначении марки ковкого чугуна буквы «КЧ» означают «ковкий чугун». Первая пара цифр - предел прочности в МПа, вторая пара цифр-относительное удлинение в %.

. .

Легированные чугуны.

Легированные чугуны получаются при введении в их состав легирующих компонентов (Cr, Si, Al, Ni, Mn и др.) Легирование производится для получения каких либо особых свойств: износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и др.

Из легированных чугунов можно выделить следующие группы:

- --износостойкие чугуны;

- --жаростойкие чугуны;

- -жаропрочные чугуны;

- -коррозионностойкие чугуны;

- -антифрикционные чугуны.

- Легированные чугуны маркируются по типу сталей: первые буквы означают вид чугуна: Ж-жаростойкий, А-антифрикционный, Ч-жаропрочный или коррозионностойкий. Следующие буквы обозначают наличие легирующих элементов (Х-хром, С-кремний, Ю-алюминий, Д-медь, Н-никель, Г-марганец, М-молибден, В-вольфрам). Цифры после букв указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если цифры нет, то содержание легирующего элемента соответствует ~1 %.

Например, ЖЧЮ 7Х2- жаростойкий чугун, алюминия –7 %, хрома –2 %.

Износостойкие чугуны.

Износостойкость чугуна повышается при увеличении в структуре количества карбидов как простых (цементита), так и специальных (карбидов хрома, вольфрама, ванадия и т.д.). Металлическая матрица должна прочно удерживать твердую составляющую (карбиды) и предотвращать ее хрупкое разрушение. Характерным представителем износостойких чугунов является высокохромистый износостойкий чугун ИЧХ20М2Г3Н2. Средний химический состав высокохромистого чугуна: С = 2,6-3 %, Si = 0,3-1,4%, Mn = 0,5-5,5%

Cr = 12-30%, Mo=0,4-4%, Ni = 0-3% , S≤0,08% , P≤0,1%.

Механические свойства и назначение некоторых марок чугуна приведены в

табл.1. 4.

Таблица 1.4

Применение износостойкого чугуна в машиностроении.

Марка чугуна	Термическая обработка	σи МПа	HRC	Назначение
ИЧХ28Н2	Отпуск 570°С		47-55	Корпуса и рабочие колеса песковых насосов, лопатки головок пескометов, насадки дробемётов.
ИЧХ15М3	Закалка 1005°С Отпуск 230°С		60-65	Рабочие колеса песковых и шламовых насосов, бронедиски .
ИЧХ12М	Закалка 930°С Отпуск 220°С		60-64	Бронедиски, футеровка кирпичных прессов, конуса гидроциклонов, лопатки дробеметных камер.
ИЧХ12Г5	Закалка 840°С Отпуск 200°С		58-60	Футеровка шаровых мельниц, шары и другие мелющие тела, молотки дробилок

Износостойкость высокохромистого чугуна превышает сталь Ст20 от 6 до 14 раз. В условиях гидрообразивного износа стойкость высокохромистого чугуна превышает, износостойкость высокомарганцевой стали Г13Л в 6 раз.

Существуют и другие виды износостойких чугунов (белый низколегированный, ОИ-1, ИЧХ4Г7Д, нихард и т.д.), но они уступают высокохромистому по износостойкости и поэтому применяются реже.

Жаростойкие чугуны.

Жаростойкие чугуны используются для изготовления деталей работающих в газовой, воздушной, щелочной средах при температурах 500-1100°С. Жаростойкостью чугуна по ГОСТ 7769-85 называется способность сопротивляться росту и окалинообразованию при заданной температуре. Сопротивление окислению чугуна обусловлено наличием на поверхности плотных защитных окисных пленок (окислы Al , Si , Cr) , которые предохраняют металл от последующего окисления при высоких температурах. Жаростойкие чугуны бывают хромистые, кремнистые и алюминиевые. Средний химический состав жаростойких чугунов:

С=2,0-3,9%, Si=1,5-6,0%, Mn=0,4-1,0%, Cr=0,5-32%, Al=19-25%.

Структура хромистого чугуна состоит из ферроидизированного перлита, отдельных включений карбидов и графита. В высокохромистом сплаве

(26-30% Cr ) структура состоит из твердого раствора хрома в α-железе и карбидов в виде карбидной эвтектики ( при С>2% ) .

Механические свойства и назначение некоторых марок жаростойкого чугуна приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Применение жаростойкого чугуна в машиностроении (ГОСТ7769-85).

Марка чугуна	σB МПа	НВ МПа	Назначение
ЖЧХ-1,5			Применяется для деталей, работающих в среде печных газов при Т=600°С: холодильники доменных печей, рамы мартеновских печей, рекуперативные трубы, гребни и др.
ЖЧХ-3,0			Применяется для деталей работающих при Т=900°С и трении: футеровка окон вагранок, рекуператоров, колосниковых решеток, фурм, горелок, деталей печей.
ЖЧХ-5,5			Применяется для деталей работающих в среде воздуха и печных газов при температуре Т=800°С : рекуператоры, рамы дверок мартеновских печей, детали котлов, дистанционные гребенки, реторты, смесители газовой турбины и др.
ЖЧЮ-22			Применяется для деталей работающих в среде печных газов при Т=1150° С: плавильные тигли, шлаковые фурмы печей, футеровочные плиты камер сгорания газотурбинных установок и др.

При содержании Cr от 3-10% отливки получаются с высокой хрупкостью и твердостью, делающей невозможной обработку резанием. Поэтому такие чугуны находят ограниченное применение. Кремнистые чугуны отличаются хорошей обрабатываемостью резанием, так как получается ферритная структура металлической матрицы. Алюминиевые чугуны даже с содержанием алюминия 8% имеют такое же сопротивление окислению, как нихром- сплав с 80% Ni и 20% Сr и жаростойкостью 800°С. При легировании алюминиевого чугуна хромом (~30% )и кремнием (~6%) жаростойкость возрастает до 1200° С при одновременном повышении прочности и сохранении литейных свойств.

Жаропрочные чугуны.

Жаропрочные чугуны применяются для изготовления деталей, работающих под нагрузкой при повышенных температурах ( до 600°С ). Марки жаропрочных чугунов обозначаются буквой «Ч», остальные обозначения такие же, как у всех остальных. Буква «Ш» в конце обозначения означает «с шаровидным графитом». Наиболее высоким уровнем жаропрочных свойств обладает аустенитный чугун с шаровидной формой графита. Отличительной особенностью структуры аустенитного чугуна, легированного хромом и магнием, является наличие в структуре карбидной составляющей, количество которой составляет 50%. Мелкодисперсные структуры показывают более высокую жаропрочность, поэтому жаропрочные чугуны подвергают специальной термообработке - гомогенизирующему отжигу. (1050° С- 4 часа)

Аустенитный жаропрочный чугун имеет следующий состав:

С=2,5-3,0%, Si=1,8-2,5%, Mn=1,0-8,0%, Cr=1,0-3,5% ,Ni=10-20%, S≤0,05%, P≤0,03%.

Механические свойства и назначение некоторых марок жаропрочного

чугуна приведены в таблице 1.6

Таблица 1.6

Применение жаропрочного чугуна в машиностроении (ГОСТ11849-85).

Марка чугуна.	σb МПа Т=20°С	σb МПа Т=600°С	δ % Т=20°С	άн Кгс/см²	Назначение
ЧН19ХЗШ					Корпуса газовых турбин, вставки гильз и цилиндров ,корпуса турбокомпрессоров, выпускные патрубки дизелей
ЧН11Т7Х2Ш					Детали компрессора по сжижению газов, седла и втулки клапанов, выхлопные коллекторы.