Черные металлы применяемые для изготовления ТС

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный экономический университет

Факультет сервиса автотранспорта, коммунальной и бытовой техники

Кафедра «Автосервис»

К О Н Т Р О Л Ь Н А Я Р А Б О Т А

по дисциплине «Современные материалы и дизайн»

Работу выполнил:

студент группы

№ 100100.62 2-го курса,

Заочного отделения Гаврилов Игорь Александрович

Работу проверил:

____________кафедры

_{должность}

____________________________ _

Санкт-Петербург

Черные металлы применяемые для изготовления ТС

К черным металлам относятся сплавы железа и углерода с рядом других элементов (марганцем, кремнием, хромом, никелем и т. д.).

Если сплав содержит до 2% углерода (С), то он называется сталью. При содержании от 2 до 4,5% углерода сплав носит название чугуна.

Чугуны. Выплавляют чугун в доменных печах из железной руды. По структуре чугуны подразделяются на две основные группы: белые чугуны (с белым изломом) и серые чугуны (с серым изломом).

Белые чугуны служат для дальнейшей переплавки в сталь и получения ковкого чугуна. Но белые чугуны, закаливаемые при отливке, обладают высокой твердостью, износостойкостью, теплостойкостью и сопротивлением коррозии.

К серым чугунам относятся серый литейный, ковкий, высокопрочный, модифицированный чугуны. Кроме того, выплавляются специальные антифрикционные чугуны.

Принято маркировать чугуны буквами, соответствующими их названию: СЧ — серый чугун (литейный); КЧ — ковкий чугун; ВЧ — высокопрочный чугун; АЧ — антифрикционный чугун; МСЧ — модифицированный серый чугун. После букв ставятся цифры, указывающие механические свойства чугуна (например, у чугуна ВЧ 50-2 первая цифра соответствует пределу прочности при растяжении (50 МПа), а вторая цифра показывает относительное удлинение).

Серый чугун (литейный) имеет самое широкое применение при изготовлении литья, так как хорошо отливается и легко обрабатывается. Но прочность его невысока, он хрупок, не переносит ударных нагрузок.

Ковкий чугун по свойствам стоит ближе к сталям, лучше, чем серый чугун, выдерживает ударные нагрузки, более прочен.

Высокопрочный чугун отличается высокой износостойкостью и прочностью за счет добавки магния и редкоземельных элементов, таких, как церий, лантан и др., обрабатывается удовлетворительно, но плохо сваривается.

Модифицированный чугун представляет собой серый чугун, прочность которого увеличена специальными добавками (присадками) для использования в ответственных деталях, работающих при большой нагрузке.

Антифрикционный чугун обладает низкими трущимися свойствами, поэтому используется в опорных узлах машин.

Стали. Вырабатываются стали переплавкой чугуна в мартеновских печах, электропечах и конвертерах за счет удаления из него части углерода. Кроме того, используется и бессемеровский способ получения стали. Наиболее качественные и чистые (без вредных примесей) стали выплавляют в электропечах.

Мартеновская сталь — качественная сталь, содержит незначительное количество вредных примесей (серы и фосфора). Конвертерная сталь приближается по качеству к мартеновской. Бессемеровская сталь более загрязнена включениями, чем мартеновская, склонна к старению, но более прочна.

Используемые в машиностроении стали подразделяются на углеродистые стали обыкновенного качества, углеродистые качественные конструкционные стали, легированные конструкционные стали, стальное литье, подшипниковые стали.

Углеродистые стали обыкновенного качества могут быть низко- и среднеуглеродистые (содержат до 0,7% углерода). Они маркируются буквами Ст и цифрой, показывающей содержание углерода (например, СтЗ). Используются для деталей, не подвергающихся термической обработке. Хорошо деформируются, режутся, свариваются, но выдерживают небольшие нагрузки. Они являются самыми дешевыми сталями.

Углеродистые качественные конструкционные стали преимущественно применяются при средних нагрузках и используются в основном с последующей термообработкой. Маркируются двумя цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента (например, сталь 45). Находят применение в машиностроении низко- и среднеуглеродистые качественные конструкционные стали: из первых изготавливают детали, требующие высокой поверхностной твердости при слабой сердцевине, работающие на износ; из вторых изготавливают детали сравнительно небольшого сечения, средней прочности, несложной конфигурации.

Легированные конструкционные стали применяются в деталях, к которым предъявляются высокие прочностные требования или такие специальные требования, как термопрочность, коррозионная стойкость и другие. Легированные стали, как правило, подвергаются термообработке. Маркируются легированные стали двумя цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента, и буквами, отражающими наименование легирующих добавок (X — хром, Н — никель, В — вольфрам, С — кремний, Г — марганец, М — молибден, Ф — ванадий, Т — титан, А — азот; например, сталь 18 ХГТ), которые повышают механические свойства сталей. Для придания пружинных свойств в сталь можно добавлять марганец Г (около 1%) или кремний (С). Добавки хрома (X) повышают прочность, износостойкость и антикоррозион- ность деталей небольших размеров. Добавки хрома и молибдена (М) требуются для деталей, работающих при высоких температурах, а также для деталей, обработка которых на металлорежущих станках производится после термообработки. Хром и никель (Н) повышают прочность, износостойкость и вязкость деталей. Эти стали используются для ответственных деталей любого размера. Добавками хрома, кремния, марганца достигаются улучшение механических свойств стали и простота ее обработки на станках.

Для металлоконструкций, работающих при низких температурах, применяются низколегированные стали с присадками марганца, кремния, хрома и никеля.

Стальное литье имеет несколько худшие механические свойства, чем кованые детали той же формы, труднее обрабатывается на металлорежущих станках. Маркируется стальное литье двумя цифрами, отражающими содержание углерода в сотых долях процента, и буквой JI.

Комплект таких профилей и носит название сортамента. Помимо этого, для стопорения крепежных деталей широко используется низкоуглеродистая стальная проволока диаметров 0,8; 1,2 и 1,6 мм.

Весь сортамент снабжается паспортом с указанием марки стали. Кроме того, принято торцы прутков из углеродистой стали обыкновенного качества маркировать краской.

Для определения марки стали в условиях мастерских применяется проверка стали «на искру». Образец проверяемого металла помещается под наждачный круг (на заточном станке) и по форме и цвету искр устанавливается марка стали, ее углеродный состав, наличие легирующих добавок.

—

К черным металлам относятся железоуглеродистые сплавы чугун и сталь. Исходными материалами для получения чугуна являются железные руды, топливо и флюсы.

Для расплавления железной руды в доменных печах в качестве топлива применяется главным образом каменноугольный кокс. Кроме железной руды и топлива, доменную печь загружают определенным количеством флюсов, т. е. веществ, способствующих понижению температуры плавления пустых пород и образованию жидкотекучего шлака. В качестве флюсов применяют обычно известняк. В результате расплавления железных руд в доменной печи получается чугун.

Чугуны

Современная доменная печь производит в среднем 1800— 2000 т чугуна в сутки. Чугун, полученный в доменной печи, представляет собой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. Содержание углерода в чугуне может быть от 2 до 6,67%. Углерод может находиться в чугуне в химически не связанном состоянии с железом, т. е. в виде свободного графита, располагающегося по всей массе чугуна блестящими черными чешуйками, либо в виде химического соединения с железом, называемого цементитом. Сера придает чугуну красноломкость (хрупкость металла в нагретом состоянии) и ухудшает литейные качества, фосфор придает ему хладноломкость (хрупкость металла в холодном состоянии).

Выплавляемые в доменных печах чугуны по назначению разделяются на литейные (серые) и передельные (белые). В литейном чугуне большая часть углерода химически не связана с железом и находится в свободном состоянии в виде графита. В изломе литейный чугун имеет серую поверхность. Он менее хрупок, чем передельный чугун, и хорошо поддается обработке режущими инструментами.

В расплавленном состоянии литейный чугун обладает высокой жидкотекучестью, хорошо заполняет литейные формы; благодаря своим высоким литейным качествам этот чугун широко применяется для производства различных чугунных отливок, например станин, шестерен, канализационных труб, цилиндров, блоков цилиндров и т. п. Содержание кремния в литейных чугунах значительно выше, чем в передельных, и составляет 1,25—4,25% (в передельных 0,20—1,50%).

В передельном чугуне углерод находится в химически связанном состоянии с железом, т. е. в виде цементита. Этот чугун имеет серебристый цвет в изломе, обладает высокой твердостью, хрупкостью и трудно поддается обработке режущим инструментом. Кроме того, он имеет плохие литейные свойства. Используется белый чугун главным образом для переделки в сталь, а также для изготовления отливок, которые затем отжигают.

Маркировка литейных чугунов. Основой системы маркировки отливок из литейного чугуна являются показатели механических свойств, полученные при испытании образцов.

Литейный чугун обозначается буквами СЧ (серый чугун), после которых указываются предел прочности при растяжении и предел прочности при изгибе в килограммах на квадратный миллиметр. Например, серый чугун с пределом прочности при растяжении 21 кГ/мм2 и пределом прочности при изгибе 40 кГ/мм2 имеет марку СЧ 21—40.

ГОСТ 1412—70 устанавливает марки на отливки из серого чугуна.

Ковкий чугун получают термической обработкой путем отжига изделий, отлитых из белого чугуна. В результате термической обработки структура белого чугуна изменяется. Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталыо. Название ковкий является условным, и ковке чугун не подвергается. Ковкий чугун хорошо обрабатывается и обладает большей вязкостью, чем серый чугун.

Обозначение марки состоит из букв КЧ и стоящих после них чисел, указывающих предел прочности при растяжении в килограммах на квадратный миллиметр и относительное удлинение в процентах. Например, в марке КЧ 35—10 число 35 обозначает предел прочности при растяжении в килограммах на квадратный миллиметр, а число 10 — относительное удлинение в процентах. В автомобилестроении широко применяется ковкий чугун КЧ 35—10. Чугун этой марки обладает высокой прочностью. Из ковкого чугуна изготовляют картер заднего моста, коробку дифференциала, картер рулевого механизма, ступицы передних и задних колес, кронштейны педалей сцепления и тормоза, кронштейн передней рессоры и др.

Кроме серых и ковких чугунов, в автомобилестроении применяют легированные чугуны, например хромоникелевые и титано-медистые для изготовления блоков цилиндров, поршневых колец, гильз цилиндров, головок цилиндров и других деталей. Детали из легированных чугунов обладают высокими износостойкостью и сопротивляемостью коррозии. Чугуны с присадками никеля и титана хорошо обрабатываются резанием.

Для изготовления ряда ответственных деталей автомобилей применяют также чугун, модифицированный магнием или титаном. Модифицированные чугуны обладают высокими прочностью, плотностью и сопротивляемостью коррозии. Такие чугуны называются высокопрочными.

Стали

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами. Содержание углерода в стали может быть не более 2%.

Сталь отличается от чугуна химическим составом и механическими свойствами. Сталь можно ковать, прокатывать, штамповать, сваривать и паять, из нее можно волочить проволоку, получать различные отливки. Она легко обрабатывается режущим инструментом. Сталь обладает высокой прочностью, вязкостью и пластичностью и поддается термической и химико-термической обработке. Сталь получают главным образом из передельного чугуна в конвертерах, в мартеновских и электрических печах.

Получение стали в конвертерах осуществляется следующим образом. Через расплавленный чугун, залитый в конвертер, продувают под давлением воздух или кислород, который перемешивается с жидким чугуном, при этом происходит реакция окисления кислородом части углерода, серы, фосфора, марганца, кремния и других примесей. В результате этого чугун превращается в сталь. Ёмкость современного конвертера от 30 до 100 г. В последнее время применяется кислородное дутье, благодаря чему качество конвертерной стали резко повысилось.

Исходным материалом для получения стали в мартеновских печах служит не только передельный чугун, но и все металлические отходы металлургических заводов и металлический лом.

В электрических печах тепло, необходимое для плавления исходных материалов, получается за счет электрической энергии. Значительно более высокая температура (2000°С и более) в электрических печах по сравнению с другими плавильными печами обеспечивает получение высококачественных легированных сталей с присадками тугоплавких металлов (вольфрама, ванадия, молибдена и др.).

По химическому составу все стали разделяют на углеродистые и легированные. К углеродистым относят стали, в которых основным элементом, оказывающим большое влияние на их свойства, является углерод. Легированные стали отличаются от углеродистых тем, что в них добавлены легирующие элементы (алюминий, хром, кремний, марганец и др.), которые улучшают свойства сплава. По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и специальные.

Углеродистые стали. Все углеродистые стали в зависимости от содержания в них углерода разделяют на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества и качественные.

Согласно ГОСТ 380—60 углеродистые стали обыкновенного качества подразделяются на две группы А и Б и подгруппу В. К группам А и Б относятся стали обыкновенного качества, а к подгруппе В — повышенного.

Стали обыкновенного качества по способу изготовления разделяют на мартеновские и бессемеровские.

Стали группы А, поставляемые по механическим свойствам, имеют следующие обозначения: Ст. 0, Ст. 1, Ст. 1кп, Ст. 2, Ст. 2кп, Ст. 3, Ст. Зкп, Ст. 4, Ст. 4кп, Ст. 5, Ст. 6, Ст. 7.

Буквы Ст. обозначают сталь, а цифры — номер стали. Чем выше номер, тем больше в стали углерода. Например, сталь Ст. 1 содержит углерода до 0,12%, а сталь — Ст. 4—‘до 0,27% углерода.

Стали группы Б, поставляемые по химическому составу, мар« кируются следующим образом: мартеновские стали — МСт.О, МСтЛкп, МСт.2кп, МСт.Зкп, МСт.З, МСт.4кп, МСт.4, МСт.5, МСт.6, МСт.7; бессемеровские — БСт.О, БСт.Зкп, БСт.З, БСт.4кп, БСт.4, БСт.5, БСт.6.

Буквы М и Б, стоящие впереди, обозначают способ производства стали, а цифры — содержание углерода в сотых долях процента.

Буквы «кп» указывают на то, что данная сталь кипящая. В обозначении марок полуспокойной стали добавляется индекс «пс» (например, МСт.Зпс). Стали остальных марок относятся к группе спокойных.

Получают два рода сталей: спокойную и кипящую. При застывании спокойной стали не происходит обильного выделения газов, благодаря чему образуется усадочная раковина в верхней части слитка. Кипящая сталь при затвердевании выделяет большое количество газов (сталь кипит).,

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества применяют преимущественно для изготовления сортового и листового проката, заклепок, болтов, гаек и т. п.

Конструкционные углеродистые качественные стали маркируют двузначным числом, которое указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента. ГОСТ 1050—60 предусматривает следующие марки качественных конструкционных углеродистых сталей с содержанием марганца не более 0,8%: 05 кп, 08 кп, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65 и 70. Этот же ГОСТ устанавливает марки сталей с повышенным содержанием марганца (более 0,8%). В обозначении таких сталей добавляется буква Г, показывающая повышенное содержание марганца, который добавляется как легирующий элемент. Если марганца содержится около 1%, то ставят только букву Г, например сталь 20Г, если более 1%, то процент содержания округляют до целого числа и после буквы Г ставят соответствующую цифру, например сталь 45Г2.

Конструкционные качественные углеродистые стали применяют для изготовления ответственных деталей различных машин.

Инструментальные углеродистые стали делят на качественные и высококачественные. Качественные инструментальные стали обозначают буквой У с одной или двумя цифрами, стоящими после буквы. Буква У обозначает, что это углеродистая инструментальная сталь, цифры показывают содержание углерода в десятых долях процента.

ГОСТ 1435—54 предусматривает качественную инструментальную углеродистую сталь следующих марок: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13. В стали У7 содержится углерода в среднем 0,7%, а в стали У12—1,2%.

В марках высококачественных углеродистых инструментальных сталей (ГОСТ 1435—54) после цифр ставят букву А, которая указывает на то, что в этих сталях содержится минимальное количество вредных примесей (например, сталь У8А). Твердость инструментальных сталей зависит от содержания в них углерода. Чем больше в стали углерода, тем твердость ее выше. Одновременно с твердостью повышается и хрупкость стали.

Инструментальные углеродистые стали применяют для изготовления слесарного и кузнечного инструментов, резцов, фрез, разверток, измерительных инструментов и т. п.

Легированные стали. Стали, в которых имеются специальные присадки легирующих элементов, называют легированными. Легирующие элементы изменяют свойства сталей. Легированные стали имеют более высокую прочность и износостойкость по сравнению с углеродистыми сталями. Некоторые легирующие элементы придают сталям высокую красностойкость, т. е. свойство сохранять высокие механические свойства в нагретом состоянии, стойкость против атмосферной коррозии, против коррозии в агрессивных средах и т. п. Основными легирующими элементами являются кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт и титан.

Легированные стали по качеству разделяются на качественные и высококачественные, по применению — на конструкционные, инструментальные и стали особого назначения.

Конструкционные легированные стали применяют для изготовления ответственных деталей машин, инструментальные — для изготовления режущих, измерительных и других инструментов.

Для легированных сталей установлена буквенно-цифровая система маркировки. Каждый легирующий элемент в марках обозначают русской буквой. Приняты следующие обозначения элементов: Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ю — алюминий.

Цифры в марках определяют содержание углерода и легирующих элементов. Впереди марки легированной стали ставят одну или две цифры, обозначающие содержание углерода, если его меньше 1%. Две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях, а одна цифра — в десятых долях процента. Если впереди марки цифр нет, следовательно, содержание углерода больше 1%. После цифр ставят буквы, обозначающие легирующие элементы, входящие в состав данной стали. Если содержание легирующего элемента меньше 1%, то ставят букву. Если легирующего элемента содержится больше 1%, то после буквы ставят цифру, определяющую его содержание (в целых процентах). Например, марка стали 20Х2Н4 обозначает хромоникелевую легированную сталь с содержанием углерода 0,20%, хрома около 2% и никеля около 4%. Марка стали 9ХС обозначает хромокремнистую сталь с содержанием углерода 0,9%, хрома около 1%, кремния около 1%. Марка стали XI2 обозначает хромистую сталь, в которой углерода содержится более 1% и хрома около 12%.

Маркировка высококачественных легированных сталей отличается тем, что в конце марки ставится буква А, которая обозначает минимальное содержание в стали таких вредных примесей, как сера и фосфор.

Например, марка стали 25Х2МФА обозначает высококачественную хромомолибденованадиевую сталь с содержанием углерода 0,25%. хрома около 2%, молибдена менее 1% и ванадия менее 1 %.

Быстрорежущие стали — это инструментальные легированные стали, обладающие высокой красностойкостью. Быстрорежущая сталь сохраняет высокую твердость при длительном нагреве до температуры 600° С. Быстрорежущие легированные стали применяют для изготовления режущего инструмента. Марки быстрорежущей стали начинаются с буквы Р, после которой стоят одна или две цифры, обозначающие содержание в данной стали вольфрама в целых процентах. Наибольшее применение имеют быстрорежущие легированные стали Р18 и Р9.

Легированные стали особого назначения обладают особыми свойствами. Например, нержавеющие стали обладают высокой стойкостью против атмосферной коррозии, кислотоупорные стали хорошо сопротивляются коррозии в агрессивных средах, окалиностойкие стали обладают высокой стойкостью против окалинообразования при нагреве до высоких температур, жаропрочные сохраняют прочность и жаростойкие не покрываются окалиной при высокой температуре и т. п. Из таких сталей изготовляют детали, работающие в трудных условиях: при высоких температуре и влажности и в агрессивных средах.

Стали, применяемые в автомобилестроении. При изготовлении и ремонте автомобилей применяют разные стали. Из углеродистых сталей наибольшее применение имеют конструкционные стали. Из листовых сталей 05кп, 08 и 10 изготовляют кузова, оперение и капоты. Из стали 20 изготовляют валы, втулки, пальцы. Из стали 35 — храповики, вилки и рычаги переключения передач, болты фланцевых соединений карданной передачи, болты ступиц колес, гайки и т. п.

Сталь 45 широко применяется для изготовления ответственных деталей, например коленчатых и распределительных валов, валов компрессоров, рессорных и поршневых пальцев, передних осей, шатунов и др. Сталь 50Г применяется для изготовления зубчатых венцов маховиков; из стали 65Г изготовляют диски сцепления, пружины буксирных приборов и другие детали, работающие на износ.

Широкое применение получили легированные стали 18ХГТ, ЗОХГТ и 40ХГТ для изготовления зубчатых колес дифференциала и главной передачи, шатунов, полуосей, поворотных цапф, тормозных рычагов, передних осей, деталей рулевого управления и т. д. Из сталей 15Х и 20Х изготовляют крестовины кардана, шкворни поворотных цапф, крестовины сателлитов дифференциала и другие детали.

Из стали 40Х делают болты, гайки, впускные клапаны и другие детали. Для изготовления рессор и пружин применяют стали 55С2, 60С2, 50ХГА, 50ХГФА и 50ХФА.

Окалиностойкие стали Х9С2, X1QC2M и Х13Н7С2 применяют для изготовления выпускных клапанов автомобильных двигателей. Нержавеющие стали 1Х18Н9Т, 1X13 и 2X13 применяют для валиков водяных насосов, деталей тормозной системы и других, работающих в средах, вызывающих коррозию. Для изготовления деталей автомобильных рам применяют сталь ЗОТ, обладающую высокими механическими качествами.

На автомобильных заводах применяют новые марки стали с присадками химического элемента бора. Стали, содержащие бор, наряду с высокими механическими свойствами обладают высокой прокаливаемостью и кроме того, они значительно дешевле других легированных сталей с дефицитными присадками. Применяются следующие стали, содержащие бор: 20ХГР, 40ХГР, 35ХР и 40Р. Из стали 20ХГР и 35ХГР изготовляют шестерни, а из стали 40ХГР — полуоси трехосных грузовых автомобилей.