Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 4 страница

го чугуна (П + Ц) характерны повышенные твердость и хрупкость, поэтому отливки данного чугуна склонны к холодным трещинам.

Линейная усадка отливки белого чугуна составляет 1,6...2,3 %. При графитизирующем отжиге отливки белого чугуна «растут» (увеличиваются в объеме из-за выделения графита из цементита) примерно на 2,0 %. Поэтому чаще всего линейная усадка, прини­маемая при проектировании модельно-стержневой оснастки, со­ставляет максимум 0,5 %. В некоторых случаях для предупрежде­ния появления плюсовых систематических отклонений ее прини­мают равной нулю или даже отрицательной, особенно при ис­пользовании низкопрочных смесей.

Результатом газонасыщения является присутствие в твердом растворе азота, который сильно стабилизирует цементит. При модифицировании бором азот связывается в нитрид бора (BN), и длительность графитизирующего отжига, как уже было отмечено, сокращается более чем в два раза. С ликвацией в белых чугунах, как и в других чугунах, проблем не возникает. В отличие от других чугунов ковкий чугун (особенно с ферритной матрицей) отлича­ется однородностью свойств по сечению отливки.

5.6. Легированные чугуны

По условиям эксплуатации чугуны должны обладать не только определенной прочностью, но и рядом специальных свойств: жаростойкостью, жаропрочностью, износостойкостью, коррози­онной стойкостью и др. Эти свойства обеспечиваются легирова­нием одним или несколькими элементами. По составу чугунам присваиваются названия именно по легирующему элементу: хро­мистые, никелевые, кремниевые, алюминиевые, марганцевые, ванадиевые.

Буквы в марках легированных чугунов обозначают: Ч - чугун; X - хром; Н - никель; Т - титан; С - кремний; Г - марганец; М - молибден; Д - медь; Ю - алюминий; П - фосфор; Ш - шаровидный; И - износостойкий; Ж - жаростойкий.

Хромистые чугуны предназначены для изготовления жаро­стойких, коррозионно-стойких и износостойких отливок. Содер­жание хрома в жаростойких чугунах колеблется от 1,0 до 32 % (чу­гуны ЖЧХ1 ...ЖЧХЗО). Предельная рабочая температура для хро­мистых чугунов с содержанием 13... 16% Сг составляет 900°С, для чугунов с 20...30% Сr - 1200°С.

Хромистые чугуны ЧХ34 обладают высокой коррозионной стой­костью в растворах различных солей и кислот.

Износостойкость хромистых чугунов повышается дополнитель­ным легированием никелем, титаном, молибденом (ИЧХ2Н4, ИЧХЗТД, ИЧХ15М2).

Хромистые чугуны имеют большую линейную (2,0...2,5%) и объемную (до 7%) усадку, склонны к горячим и холодным тре­щинам.

Никелевые чугуны с 0,5... 1,5 % Ni имеют перлито-цемен- титную матрицу, относятся к конструкционным материалам и ис­пользуются для изготовления деталей, работающих в условиях изнашивания в агрессивной газовой среде: поршневые кольца (ЧНХТ, ЧН1ХД), цилиндры тепловозных и судовых двигателей, зубчатые колеса (ЧН2Х).

Чугуны, содержащие 10...20% Ni, имеют аустенито-карбид- ную матрицу. Наиболее распространенными являются чугуны ЧН15ДЗШ (нирезист), ЧН20Д2Ш (никросилал). Никелевые чугу­ны характеризуются высокой коррозионной стойкостью в раство­рах солей, щелочей; обладают высокими прочностью и пластич­ностью. Графит в них, как правило, шаровидной формы.

Литейные свойства никелевых чугунов с высоким содержани­ем никеля такие же, как и высоколегированных сталей: высокая склонность к усадочным дефектам, к горячим и холодным тре­щинам, к образованию плен и неметаллических включений.

В марганцевых чугунах, содержащих 5...6 % Мп, при обыч­ных скоростях охлаждения структура формируется мартенситной, при 9... 10 % Мп структура состоит преимущественно из аустени- та и карбидов, графит в них может быть пластинчатый и шаро­видный.

Марганцевые чугуны применяются, главным образом, как ан­тифрикционные и немагнитные материалы. Марганцевый аусте­нит склонен к наклепу, по сравнению с никелевым хуже обраба­тывается, поэтому припуски на обработку должны быть мини­мальными.

Марганцевые чугуны имеют также низкие литейные свойства.

Алю миниевые чугуны используются главным образом как жаростойкий и износостойкий материал. Низколегированные чу­гуны с содержанием около 1 % А1 имеют перлито-ферритную мат­рицу с включениями шаровидного графита (ЧЮХШ). Среднеле- гированные чугуны содержат 5...9% AL, имеют ферритную мат­рицу с растворенным алюминием и включениями перлита, гра­фита и карбида железа. Высоколегированные алюминиевые чугу­ны содержат 20...30 % А1 (ЖЧЮ22Ш - чугаль; ЖЧЮ30 - пирофераль), имеют ферритную матрицу с включениями графита и карбидов. Для чугаля характерна высокая стойкость против раство­рения в расплавах алюминия, пирофераль имеет высокую износо­стойкость. Предельная рабочая температура этих сплавов 1100 °С. Алюминиевые чугуны имеют низкие литейные свойства.

Кремниевые чугуны являются окалино- и коррозионно-стой­кими. При содержании 5...6% Si (ЖЧС5) они в литом состоянии имеют ферритную матрицу и называются «силалом». При переходе к шаровидному графиту (ЖЧС5Ш) названные выше свойства повы­шаются как в воздушной среде, так и в среде генераторного газа.

В химическом машиностроении широкое применение получи­ли сплавы ЧС13, ЧС15, ЧС17 (ферросилиды), обладающие высо­кой коррозионной стойкостью во многих кислотах, кроме соля­ной. Для повышения стойкости в этой и других кислотах в ферро­силиды вводят 4,0 % Мо (ЧС15М4, ЧС17МЗ) и называют эти спла­вы «антихлорами».

Силалы имеют литейные свойства, близкие к литейным свой­ствам серых чугунов, особенно когда графит пластинчатый и эв­тектический химический состав.

Свободная линейная усадка ферросилидов составляет 1,2... 2,6 %. У антихлора она также около 2,2 %. Вместе с тем антихлор имеет большую склонность к образованию концентрированных усадоч­ных раковин по сравнению с ферросилидом.

Отливки из ЖЧС5Ш подвергают термической обработке для снятия напряжений. Отливки из ферросилида и антихлора очень хрупкие и требуют осторожного обращения при механической обработке, монтаже и транспортировке.

5.7. Синтетический чугун

Производство синтетического чугуна заключается в выплавке его из стальных отходов без использования литейных или передельных доменных чугунов с соответствующим науглероживанием (источ­ники углерода — электродный бой, кокс, графитизированный по­рошок, каменный уголь и т.п.). Синтетический чугун отличается низким содержанием серы (0,015...0,03 %), фосфора (0,02...0,04 %), Н₂, 0₂, N₂ и других примесей и неметаллических включений.

Синтетическим может быть чугун любой структурной группы: серый, высокопрочный, с вермикулярным графитом, ковкий и бе­лый. При этом расход модификатора для синтетического чугуна на 0,1... 0,2 % должен быть больше. Размер включений графита в синте­тическом сером чугуне меньше, перлит более дисперсный, что обус­ловливает его более высокие механические свойства. Получение син­тетического чугуна высоких марок СЧЗО, СЧ35 заметно облегчается.

При производстве синтетического ковкого чугуна из-за низко­го содержания фосфора наблюдается соответствующее увеличе­ние пластичности. Вместе с тем заметно некоторое увеличение длительности отжига.

При производстве синтетического высокопрочного чугуна на­блюдается более стабильное воздействие модификатора.

От обычных синтетические чугуны отличаются и по литейным свойствам: меньшая жидкотекучесть, большая склонность к отбе- лу и образованию междендритного графита, повышенная склон­ность к холодным трещинам. Однако герметичность отливок син­тетического чугуна выше, чем отливок обычного чугуна.

5.8. Литейные стали

В отличие от чугунов стали могут быть деформируемыми и ли­тейными. Литейные стали, как правило, отличаются от дефор­мируемых пониженными механическими и пластическими свой­ствами, что связано с формированием в литом состоянии порис­тости (усадочной, газоусадочной и газовой). Плотность деформи­руемых сталей, изначально полученных также в литом состоянии, повышается после деформации. При маркировке литых сталей обязательно ставится буква Л (литейная, литая).

Следует также отметить, что в отличие от серых, ковких и вы­сокопрочных чугунов литейные стали обладают более высокими пластичностью и комплексом соответствующих физических и хи­мических свойств. По сравнению с чугунными отливками произ­водство стальных отливок характеризуется значительно меньши­ми масштабами, что связано, главным образом, с более высокой (примерно на 300 °С) температурой плавления.

По химическому составу литейные стали подразделяют на уг­леродистые (0,12...0,6% С) и легированные.

Углеродистые литейные стали. Маркировка литейных углероди­стых сталей, химический состав и механические свойства по ГОСТ 977-88 приведены в табл. 5.8. Отливки из углеродистой стали под­разделяют на три группы.

Обязательным браковочным признаком для отливок первой группы (общего назначения) является содержание углерода, серы и фосфора, а также внешний вид и точность размеров. Содержа­ние марганца (0,45...0,9 %) и кремния (0,2...0,52 %) рассматри­вается как факультативное.

Отливки второй группы (ответственного назначения) контро­лируются, кроме-того, по прочности (а_в и а_т) и относительному удлинению 5.

Отливки третьей группы (особо ответственного назначения) контролируются дополнительно по ударной вязкости KCU.

В число контролируемых параметров могут быть также включе­ны микроструктура, пористость, герметичность и другие характе­ристики.

Содержание серы и фосфора ограничивается в пределах соот­ветственно 0,040...0,06 % S и 0,04...0,06 % Р в зависимости от груп­пы и способа плавки: с основной или кислой футеровкой.

В литом состоянии структура углеродистых литейных сталей ха­рактеризуется крупным зерном: перлит с крупными пластинками

Таблица 5.8 Марки, содержание углерода и механические свойства литейных углеродистых сталей по ГОСТ 977-88 Марка сплава С, мае. % Механические свойства, не менее Нормализация + отпуск Закалка + отпуск Н/мм2 ат, Н/мм2 5,% кси, кДж/м2 Н/мм2 5,% 15Л 0,12...0,20 0,50 — — 25Л 0,22...0,30 0,40 ЗОЛ 0,27...0,35 0,35 35Л 0,32...0,40 0,35 45 Л 0,42...0,50 0,30 55Л 0,52...0,60 0,25

феррита и называется «видманштедтовой». Она практически в обя­зательном порядке исправляется термической обработкой - от­жигом, нормализацией, закалкой или их комбинациями. В резуль­тате образуются равноосные мелкие ферритные и перлитные зер­на. Кроме того, в процессе отжига при 600...650°С попутно сни­маются остаточные литейные и появившиеся закалочные напря­жения.

Особенности литейных свойств углеродистых сталей. Литейные свойства углеродистых сталей значительно хуже литейных свойств чугуна и других сплавов. Низкая жидкотекучесть сталей объясня­ется, главным образом, самой высокой (кроме титановых спла­вов) температурой ликвидуса и соответственно низкой темпера­турой заливки. Суммарная объемная усадка затвердевания и усад­ка в жидком состоянии составляет 6,0 %. Поэтому стальные отлив­ки, как и отливки всех других сплавов, кроме чугуна, необходимо получать с прибылями. Для стальных отливок характерно разви­тие пористости, в них чаще, чем в отливках из других сплавов, образуются горячие трещины, даже в случаях литья в песчано- глинистые формы. В то же время холодные трещины в стальных отливках возникают реже, чем в чугунных отливках.

К насыщению газами и неметаллическим включениям стали более склонны, но и требования для них выше, чем для чугунов. К ликвации, особенно по сере и фосфору, склонны стальные от­ливки с толщиной стенки более 80 мм. Как правило, ликвации подвергнуты слитки, имеющие существенно большую толщину.

К изменению механических свойств в зависимости от толщи­ны стенок литейные углеродистые стали менее чувствительны, чем другие сплавы, особенно учитывая обязательную их терми­ческую обработку.

Легированные литейные стали. Легирование литейных углеро­дистых сталей проводится с целью повышения механических свойств и приобретения ими специальных служебных свойств. К легированным сталям относят низко- и среднелегированные стали с содержанием легирующих компонентов соответственно до 2,5 и от 2,5 до 10%.

Химический состав легированных сталей в соответствии с ГОСТ 977-88 приведен в табл. 5.9, а их механические свойства после термической обработки (закалки (нормализации) и отпуска) - в табл. 5.10.

Чаще других применяют стали, легированные кремнием, мар­ганцем, хромом и никелем, медью и др.

Известно много композиций марганцевой стали, различающих­ся содержанием углерода и марганца. Обычно их содержание ко­леблется в пределах соответственно 0,17...0,4 % С и 1,0...2,0 % Мп.

Марганцевые стали отличаются более высокой прочностью и особенно большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Марганцевые стали широко используются при изготовлении отливок для железнодорожного транспорта, экскаваторов и других машин.

Таблица 5.8 Средний химический состав легированных сталей, мае. %   Марка стали С Мп Si Сг Ni Си V Мо 20ГЛ 0,20 1,4 0,3           35ГЛ 0,35 1,4 0,3           35ГСЛ 0,30 1,3 0,7           20ФЛ 0,20 0,9 0,3 — — — 0,12 — 45ФЛ 0,45 0,7 0,3 — — — 0,15 — 40ХЛ 0,40 0,7 0,3 1,0 — — — — 35ХМЛ 0,35 0,7 0,3 1,0 — — — 0,25 ЗОХНМЛ 0,30 0,7 0,3 1,5 1,5 — — 0,25 35ХГСЛ 0,35 1,2 0,7 0,8 - — — — 23ХГС2МФЛ 0,23 0,7 1,9 0,9 — — 0,12 0,25 20ДХЛ 0,12 0,6 0,3 1,0 — 1,5 — — 08ГДНФЛ <0,1 0,8 0,3 — 1,3 1,0 0,10 — 12ДХН1МФЛ 0,12 0,4 0,3 1,5 1,6 0,5 0,12 0,25

Примечание. Содержание S и Р не более 0,03...0,05 % каждого.

У хромовых сталей (40XJI и др.) также повышенные по срав­нению с углеродистой сталью механические свойства и прокали- ваемость. Для улучшения их структуры и свойств используют не­большие добавки молибдена, уничтожающие отпускную хрупкость

Таблица 5.10 Механические свойства легированных сталей   Марка стали Температура, °С Механические свойства*, не менее закалки (нормализации) отпуска Н/мм2 Н/мм2 5, % кси, Дж/м2 20ГЛ (890) 35ГЛ (890) 30ГСЛ 0,5 20ФЛ (890) 45 ФЛ 40ХЛ 35ХМЛ ЗОХНМЛ зохгсл 23ХГС2МФЛ 20ДХЛ (880) 08ГДНФЛ (930) 12ДХН1МФЛ

* Показатели механических свойств те же, что в табл. 5.8.

при термической обработке. Хромовые стали применяют для по­лучения отливок, работающих в условиях абразивного износа.

Большая прокаливаемость достигается при легировании стали од­новременно марганцем, хромом и кремнием (ЗОХГСЛ, хромансил).

Одновременное легирование хромом и никелем проявляется в измельчении зерна, в значительном увеличении прокаливаемо- сти, что позволяет изготовлять из этих сталей крупногабаритные отливки (ЗОХНМЛ и др.).

Стали, легированные медью, подвержены дисперсионному твердению, которое обеспечивает однородные свойства в тонких и толстых сечениях отливок.

Некоторые марки легированных сталей модифицируют бором, кальцием, церием и другими РЗМ. В результате улучшаются меха­нические и литейные свойства стали. Как правило, добавки вво­дятся в малых количествах. Так, например, достаточно иметь 0,001 ...0,002 % В в стали, чтобы получить резкое увеличение про- каливаемости и пластичности.

В одних случаях действие добавок связывается с модифициро­ванием, в других - с микролегированием.

Графитизированная сталь, также относящаяся к легированным сталям, содержит 0,9... 1,5% С, 1,0... 1,4% Si, 0,5% Мп. В литом состоянии ее структура представлена перлитом и цементитом, т. е. весь углерод находится в связанном состоянии. При термической обработке (отжиг с нагревом до 900 °С и последующее медленное охлаждение в интервале температур 800...700°С) происходит рас­пад структурно свободного цементита с выделением графита. Окон­чательная структура стали — перлит+графит. Такая графитизиро­ванная сталь обладает повышенными антифрикционными свойства­ми и используется для втулок, вкладышей, работающих в условиях абразивного износа.

Высоколегированные стали. В соответствии с ГОСТ 2176-77 высоколегированные стали, содержащие более 10 % легирующих эле­ментов, подразделяются по структуре на шесть классов: мартенсит- ный; мартенсито-ферритный; ферритный; аустенито-мартенситный; аустенито-ферритный; аустенитный. Смена классов происходит по мере увеличения легированности. На практике чаще пользуются названия­ми сталей по основным служебным свойствам: коррозионно-стой­кая, кислотостойкая, жаростойкая, жаропрочная, износостойкая.

Большой класс высоколегированных сталей составляют так называемые коррозионно-стойкие (нержавеющие) ста­ли, обладающие хорошей стойкостью против коррозионного воз­действия агрессивных сред.

Прежде всего к ним относятся высоколегированные хромовые стали ферритного класса (12Х18ТЛ, 15Х25ТЛ), обладающие хо­рошей пластичностью. Добавка титана связывает углерод и повы­шает стойкость против межкристаллитной коррозии.

Для получения высокой твердости и износостойкости хромо­вых сталей (X28JI, X34JI) содержание углерода увеличивают до 0,5...2,0 % и получают феррито-карбидную структуру.

Хромовые коррозионно-стойкие стали мартенситного и фер- рито-мартенситного классов характеризуются сравнительно ши­роким диапазоном содержания углерода и возможным наличи­ем никеля, меди, ниобия и других элементов. К сталям этого класса можно отнести стали марок 10Х14НДЛ и 09ХН4БЛ (Б - ниобий).

Наивысшей коррозионной стойкостью рассматриваемые стали обладают в том случае, когда карбиды в свободном состоянии отсутствуют и полностью переведены в твердый раствор.

Хромовые стали отличаются пониженной по сравнению с уг­леродистой сталью теплопроводностью, повышенной окисляемо- стью, склонностью к пленообразованию, образованию пригара при заливке в формы на основе кварцевого песка, к образованию усадочных раковин, горячих и холодных трещин.

В качестве кислотостойких сталей применяют высоколе­гированные стали аустенитного, аустенито-ферритного и ферри- то-аустенитного классов. Основными легирующими элементами для них являются хром и никель. При этом никель необходим для получения однофазной аустенитной структуры.

Кислотостойкая хромоникелевая сталь, содержащая 18 % Сr и 8 % Ni, широко используется для отливок деталей насосов, фит- тингов и т. п.

Чаще других стали этого типа легируют титаном и молибденом (12Х18Н9ТЛ, 12Х18Н12МЗТЛ).

Хромоникелевые стали, так же как и хромовые, обладают по­ниженными литейными свойствами.

Сложнолегированные хромоникелевые стали характеризуются высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочными на­зывают стали, способные сопротивляться нагрузкам и разруше­нию при температурах выше 550 °С. Стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии и образования окалины при темпе­ратурах до 1200°С, называют жаростойкими.

Основным фактором, предопределяющим жаропрочность сталей, является легированный аустенит. Практическое примене­ние для изготовления отливок из жаропрочных сталей получили аустенитные стали типа 12Х18Н9ТЛ (для жаропрочных отливок энергетического, химического и нефтяного машиностроения) и 12Х20Н12ТЛ (для турбинных лопаток, работающих при темпера­турах до 600 °С).

В стали 15Х18Н22В6М2Л высокая жаропрочность обеспечива­ется за счет введения добавок вольфрама и молибдена.

Высокомарганцевая износостойкая сталь 110Г13Л (так на­зываемая «сталь Гадфильда») относится к аустенитному классу. Осо­бенностью отливок из этой стали является способность упрочняться з условиях ударной нагрузки и принимать наклеп, повышающий поверхностную твердость от НВ 170... 200 до НВ 600... 800 и износо­стойкость в условиях абразивного износа. При отсутствии наклепа ее износостойкость находится на уровне углеродистой стали.

В литом состоянии структура стали - аустенит и карбиды, располагающиеся по границам зерен. Данная сталь используется после закалки в воде с температуры 1100°С, когда отливки при­обретают однородную аустенитную структуру.

Температура заливки стали 110Г13Л ниже, чем у других ста­лей, и колеблется в пределах 1330... 1370 °С. Сталь 110Г13Л харак­теризуется повышенной склонностью к усадочным дефектам, об­разованию горячих трещин, пригару при литье в формы на осно­ве кварца.

Особо следует отметить, что сталь 110Г13Л очень плохо обра­батывается режущим инструментом (за исключением алмазного).

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

6.1. Алюминиевые сплавы

Алюминиевые литейные сплавы обладают высокой удельной прочностью (а_в/р) (большей, чем у углеродистых сталей), высо­кой коррозионной стойкостью, достаточно высокими тепло- и электропроводностью.

Кроме того, сплавы на основе алюминия имеют хорошие тех­нологические литейные свойства, легко обрабатываются.

Именно этими обстоятельствами объясняется применение алю­миниевых сплавов во всех отраслях промышленности, особенно в авиации и автостроении.

Рис. 6.1. Диаграмма состояния А1 - Si

Классификация литейных сплавов приведена в ГОСТ 1583— 93, в соответствии с которым они подразделяются на пять групп (в табл. 6.1 приведены их химический состав и механические свой­ства):

I - сплавы на основе системы А1- Si-Mg;

II - сплавы на основе системы А1-Si -Си;

III - сплавы на основе системы А1 -Си;

IV - сплавы на основе системы А1-Mg;

V - сплавы на основе системы А1-Э (прочие элементы, явля-

Сплавы I и II групп. Дан­ные сплавы являются наибо­лее распространенными и на­зываются «силуминами». Их можно подразделить на про­стые силумины (AJI2) и спе­циальные силумины, содер­жащие кроме А1 и Si допол­нительно Mg (десятые доли процента) или совместно Mg (в тех же количествах) и Си.

Для изготовления отливок используют доэтвектические (до 9 % Si) и заэвтектические (до 25 % Si) сплавы (рис. 6.1)- Как видно из диаграммы фа­зового равновесия системы

Химический состав и механические свойства алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 1583—93

Марка сплава	Содержание, мае. %, основных компонентов[1]1	Способ литья	Вид ТО*2	Механические свойства материала отливок*3
Mg	Si	Mn	Си	Ti	Ni	ав, Н/мм2 (кгс/мм2)	5, %	НВ
АК9Ц6 (АК9Ц6р)	0,35... 0,55/ 0,3... 0,5	8,0... 10,0	0,1...0,6	0,3... 1,5	Zn 5,0... 7,0	Fe 0,3... 1,0	К, д _	—	147(15,0) 167(17,0)	0,8 0,8	70,0 80,0
АЦМг (AJI24)	1,55... 2,05/ 1,5... 2,0		0,2...0,5	Zn 3,5... 4,5	0,1... 0,2		3, в 3, В	Т5	216(22,0) 265(27,0)	2,0 2,0	60,0 70,0

Примечания: 1. Обозначение в марках сплавов: ч — чистый; пч — повышенной чистоты; оч — особой чистоты; л — литейные сплавы; с — селективный. В скобках приведены марки сплавов по ГОСТ 1583, ОСТ 48—178 и по техническим условиям для отливок.

2. Условные обозначения способов литья: 3 — литье в песчаные формы; В — литье по выплавляемым моделям; К — литье в кокиль; Д — литье под давлением; ПД — литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка); О — литье в оболочковые формы; М — сплав подвергается модифицированию.

3. Условные обозначения видов термической обработки (ТО):

Т1 — искусственное старение без предварительной закалки; Т2 — отжиг; Т4 — закалка; Т5 — закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение; Т6 — закалка и полное искусственное старение; Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 — закалка и смягчающий отпуск.

4. В заказе, в конструкторской документации, при маркировке отливок допускается указывать марку сплава без дополнительно­го обозначения марки в скобках или марку, обозначенную в скобках.