Классификация сталей
Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.
По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода и те, и другие подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25-0,5 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С). Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 2,5 %, в среднелегированных содержится от 2,5 до 10 %, в высоколегированных - более 10 %.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысоко-качественные.
Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,050 % S и 0,040 % P, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % P (в случае инструментальных до 0,03%), высококачественные - не более 0,025 % S и 0,025 % P, особо высококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % P.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.
Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипящей стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si £ 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии стали разделяют на следующие классы: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный; ледебуритные, аустенитные и ферритные.
По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный.
Стали перлитного класса (см. рис. 74, а) имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита (описание см. дальше). К этому классу относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей.
Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита (рис. 74, б); при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали.
Стали аустенитного класса из-за повышенного количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0 °С (см. раздел «Теория термической обработки»).
По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения.
Конструкционные по назначению подразделяются на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов (цементуемые и улучшаемые), и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений.
а б в
Рис. 74. Схемы изотермического распада аустенита сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов
Инструментальные стали по назначению подразделяются на стали (материалы) для режущего инструмента, для штампового инструмента (холодной и горячей штамповки) и измерительного инструмента. По теплостойкости применяемые материалы в свою очередь делятся на группы: нетеплостойкие (углеродистые стали), полутеплостойкие низколегированные стали (до 200 °C), теплостойкие высоколегированные быстрорежущие стали (до 600–640 °С), твердые сплавы (до 800-1000 °C) и сверхтвердые материалы (до 1200 °C).
Стали со специальными физико-химическими свойствами по назначению могут быть коррозионно-стойкими, жаростойкими, жаро-прочными, износостойкими, электротехническими и т. д., в которых получение тех или иных свойств достигается соответствующим легированием.
8.2.1. Углеродистые стали
На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструктивную прочность. Главный недостаток углеродистых сталей - небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой.
8.2.1.1 Углеродистые стали обыкновенного качества
В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание вредных примесей и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии.
Стали обыкновенного качества поставляют горячекатаными в виде проката (прутки, листы, уголки, трубы и т. п.) Для этих сталей марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.
Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв «сп», в полуспокойных - «пс», в кипящих - «кп». Например, Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 - Ст6, кипящими - Ст1 - Ст4. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С£ 0,23 %), серы (S£ 0,06 %) и фосфора (Р £ 0,07 %). В остальных марках регламентировано содержание С, Мn, Si, S, Р, а также АS (табл.1).
Для всех сталей, кроме Ст 0, справедлива следующая формула:
С (%) ~ 0,07 · номер марки.
Так, в стали Ст3 содержание С ~ 0,07·3 ~ 0,21 % (фактически 0,14-0,22 %).
Таблица 1
Содержание элементов в углеродистых сталях обыкновенного качества, %
| Марка стали | С | Mn | Si в стали | S | P | ||
| кп | пс | сп | Не более | ||||
| Ст0 | £ 0,23 | - | - | - | - | 0,06 | 0,07 |
| Ст1 | 0,06-0,12 | 0,25-0,5 | 0,05 | 0,05-0,17 | 0,12-0,30 | 0,05 | 0,04 |
| Ст2 | 0,09-0,15 | 0,25-0,5 | 0,05 | 0,05-0,17 | 0,12-0,30 | 0,05 | 0,04 |
| Ст3 | 0,14-0,22 | 0,3-0,65 | 0,07 | 0,05-0,17 | 0,12-0,30 | 0,05 | 0,04 |
| Ст4 | 0,18-0,27 | 0,4-0,7 | 0,07 | 0,05-0,17 | 0,12-0,30 | 0,05 | 0,04 |
| Ст5 | 0,28-0,37 | 0,5-0,8 | - | 0,05-0,17 | 0,15-0,35 | 0,05 | 0,04 |
| Ст6 | 0,38-0,49 | 0,5-0,8 | - | 0,05-0,17 | 0,15-0,35 | 0,05 | 0,04 |
| Ст3Г | 0,14-0,22 | 0,8-1,1 | - | 0,05-0,17 | - | 0,05 | 0,04 |
| Ст5Г | 0,28-0,37 | 0,8-1,1 | - | 0,05-0,17 | - | 0,05 | 0,04 |
Примечание: В сталях Ст1 - Ст6 допускается не более 0,3 % Сr; 0,3 % Ni; 0,3 % Сu; 0,08 % Аs; 0,01 % N.
Концентрация марганца возрастает от 0,25-0,50 % в стали Ст1 до 0,50-0,80 % в стали Ст6. Три марки стали производят с повышенным (0,80-1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г» в марке: Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс.
Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих - не более 0,05 %, полуспокойных - не более 0,15 %, спокойных - не более 0,30 %.
Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а, следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости t50. Так, для сталей Ст3сп, Ст3пс и Ст3кп он составляет -20; -10 и 0 °C.
Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного качества регламентирует ГОСТ 535-88 (табл. 2).
Прокат подразделяется на три группы (I – III) и пять категорий (1 - 5). Группа проката оценивает качество поверхности и способ использования проката. Прокат I группы используют без обработки поверхности, II группы - для изготовления деталей обработкой резанием, III группы для заготовок и деталей, получаемых горячей обработкой давлением.
Таблица 2
Механические свойства углеродистых сталей
| Марка стали | sв, МПа | s0,2, МПа | d, % | KCU20°C, МДж/м2 |
| не менее | ||||
| Ст0 | ³ 310 | - | - | |
| Ст1 | 320-420 | - | - | |
| Ст2 | 340-440 | - | 0,9-1,1 | |
| Ст3 | 380-490 | 0,7-1,0 | ||
| Ст4 | 410-530 | - | ||
| Ст5 | 490-630 | - | ||
| Ст6 | ³ 590 | - |
Примечание: В кипящих сталях Ст1кп - Ст4кп значения sв на 10 - 20 МПа, s0,2 – 10 МПа меньше, а δ на 1,0 % больше, чем в приведенных сталях тех же марок.
Категории проката различаются набором нормируемых показателей механических свойств. Для всех категорий гарантируют уровень sв, s0,2, d и допустимый угол загиба. Для категории 3 дополнительно определяют KCU при 20°C; для категории 4 - KCU при - 20°C; для категории 5 - KCU при - 20°C и склонность стали к деформационному старению.
Уровень механических свойств зависит от толщины проката. Сортамент изделий из проката отличается большим разнообразием.
Его подразделяют на четыре группы: сортовая сталь (круглый, квадратный, полосовой, угловой прокат; швеллеры; двутавровые балки), листовая сталь, специальные профили, трубы.
Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеродистые стали, из которых изготавливают сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции. На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением.
Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специальное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно Ст3 широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении.
8.2.1.2. Углеродистые качественные стали
К этим сталям предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %) и неметаллических включений. Качественные углеродистые стали выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050-88. Качественные стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам (табл. 3).
Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15,…60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.
При обозначении кипящей или полуспокойной в конце марки указывается степень раскисления: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисления не указывается.
По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые до 0,25 % С (малопрочные и высокопластичные стали и цементуемые), среднеуглеродистые свыше 0,25 до 0,50 % С (улучшаемые) и высокоуглеродистые конструкционные стали до 0,65 % С.
Таблица 3
Состав и свойства некоторых марок качественных углеродистых сталей (ГОСТ 1050-88)
| Содержание, % | Механические свойства, не менее | ||||||||
| Марка стали | С | Мn | Si | Cr, не более | s0,2, МПа | sв, МПа | d, % | y, % | KCU20°C, МДж/м2 |
| 0,05-0,12 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,10 | - | |||||
| 0,07-0,14 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,15 | - | |||||
| 0,12-0,19 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,17-0,24 | 0,35-0,65 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,22-0,30 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | 0,88 | |||||
| 0,27-0,35 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,5 | 0,78 | |||||
| 0,32-0,40 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | 0,69 | |||||
| 0,37-0,45 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | 0,59 | |||||
| 0,42-0,50 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | 0,49 | |||||
| 0,47-0,55 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | 0,38 | |||||
| 0,52-0,60 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | - | |||||
| 0,57-0,65 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 | 0,25 | - |
Малопрочные и высокопластичные стали 08, 10 из-за способности к глубокой вытяжке применяют для холодной штамповки различных изделий. Цементуемые - стали 15, 20, 25 предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т. п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина.
Среднеуглеродистые стали 30, 40, 45, 50 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки (см. раздел «Термическая обработка сталей»). Стали после улучшения применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, маховики, валы малооборотных двигателей и т. п.).
Для деталей ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Необходимость обеспечения низкого содержания вредных примесей в высококачественных сталях приводит к дополнительному удорожанию и усложнению производства, поэтому высококачественные стали редко бывают углеродистыми, чаще всего - легированные. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А, например сталь 40ХНМА.
Углеродистые стали, содержащие ³ 0,7 углерода, используют для изготовления инструмента. Их маркируют У7, У8, У10, У12, У13, где «У» означает углеродистую сталь, цифра - содержание углерода в десятых долях процента. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-90) производят качественными У7, У8…У13 и высококачественными У7А, У8А…У13А. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый цементит. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (187-217 НВ) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются. Из-за низкой прокаливаемости (10-12 мм) углеродистые стали пригодны для мелких инструментов (метчики, сверла, напильники, пилы и др.).
8.2.2. Легированные стали
Легирующими элементами называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств. Соответственно стали, содержащие легирующие элементы, называют легированными.
Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром - Х, никель – Н, марганец - Г, кремний - С, молибден - М, вольфрам - В, титан - Т, ванадий - Ф, алюминий - Ю, медь - Д, ниобий - Б, бор - Р, кобальт - К. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки - сталь высококачественная. Число, стоящее после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если число отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1 %.
Число в начале марки конструкционной легированной стали показывает содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 30ХГС в среднем содержит 0,30 % С, 1 % Сr, 1 % Мn и 1 % Si. Особовысококачественные стали (например, после электрошлакового переплава) имеют в конце букву Ш, например 30ХГС-Ш.
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, автоматных - А.
Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская), ЭП (П - пробная) и порядковым номером (например, ЭИ 415) или ЗИ (Златоустовская исследовательская) и порядковый номер (например, ЗИ 90).
Число в начале марки инструментальной легированной стали показывает содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь 9ХВГ в среднем содержит 0,9 % С, 1 % Сr, 1 % W, 1 % Мn. Если число перед буквами отсутствует, то углерода около или выше 1%. Например, сталь ХВСГ в среднем содержит 0,95–1,05 % С, 1 % Сr, 1 % W, 1 %Si, 1 % Мn.
Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Ti, а содержание бора обычно не превышает 0,005 %. Если концентрация легирующего элемента составляет около 0,1 % и менее, легированные стали принято называть микролегированием.
Легированные стали классифицируют по структуре в равновесном состоянии, по структуре после охлаждения на воздухе, по количеству легирующих элементов и по назначению.
По равновесной структуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные стали, в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы. Последнее обстоятельство объясняется тем, что легирующие элементы сдвигают влево точки S, Е диаграммы железо-углерод. Поэтому граница между перечисленными сталями проходит при меньшем содержании углерода по сравнению со значениями, указанными на диаграмме Fe - Fe3С.
Учитывая (как было описано ранее), что некоторые элементы резко сужают или расширяют область g-Fe, то кроме указанных групп существуют еще аустенитные и ферритные стали.
Углеродистые стали бывают первых трех классов, легированные - всех шести. Деление по структуре, количеству легирующих элементов и назначению было описано ранее.
Чугун
Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С, называются чугунами. В отличие от стали чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию с образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Стоимость чугунов ниже стоимости стали.
Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья. В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0 % С. Кроме углерода, обязательно присутствуют в примеси S, Р, Мn, Si, причем в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск, поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цемента, называют белым. Графит придает излому серый цвет, поэтому его называют серым чугуном. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий чугун с хлопьевидным графитом являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особые группы.
Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Согласно диаграмме состояния Fe – Fe3С белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Из-за большого количества цементита они твердые (450-550 НВ), хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны - отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготовляют прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.
В промышленности широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в виде графита. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, а также высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.
8.3.1. Серые чугуны
Серыми называются чугуны с пластинчатой формой графита.
По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны - сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Fe, С, Si и постоянные примеси: Mn, P и S. Содержание этих элементов в серых чугунах колеблется следующих пределах, %: 2,2–3,7 С; 1–3 Si; 0,2–1,1 Mn; 0,02–0,3 Р и 0,02–0,15 S. В небольших количествах в обычных серых чугунах могут содержаться Cr, Ni и Сu, которые попадают из руды. Почти все эти элементы влияют на условия графитизации, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как следствие, свойства чугунов.
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 содержания отрицательно сказывается на жидкотекучести и, следовательно, на литейных свойствах чугунов. Нижний предел углерода принимают для толстостенных отливок, верхний - для тонкостенных.
Кремний обладает сильным графитизирующим действием; способствует выделению графита в процессе затвердевания чугунов и разложению выделившегося цементита.
Марганец затрудняет графитизацию чугунов, несколько улучшает механические свойства, особенно в тонкостенных отливках.
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°С), что yвеличивает жидкотекучесть чугунов, но при этом имеет высокую твердость и хрупкость. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках, от которых требуется высокая износостойкость (до 0,7 % Р), а также используемых для художественного литья (до 1 % Р). В литых чугунных деталях содержание фосфора ограничивают 0,3 %.
Таким образом, степень графитизации в чугунах возрастает с yвеличением содержания углерода и кремния. Аналогичное, но более слабое влияние оказывают примеси (или легирующие элементы) меди и никеля. Элементами, затрудняющими графитизацию (отбеливающими), являются марганец, сера, хром. Основные элементы, которыми регулируют структуру металлической основы серых чугунов, - углерод и кремний.
Кроме химического состава, структура чугуна и его свойства зависят от технологических факторов, главным из которых является скорость охлаждения. С уменьшением скорости охлаждения возрастает количество графита, а с ее увеличением - количество химически связанного углерода. При выборе скорости охлаждения принимают во внимание толщину стенки отливки. Чем она больше, тем меньше скорость охлаждения, полнее протекает процесс графитизации.
В чугунах с высоким содержанием кремния при медленном охлаждении отливки первичная кристаллизация происходит в соответствии со стабильной диаграммой Fe – C (см. рис. 67), в этом случае графит появляется непосредственно из жидкой фазы. С увеличением скорости охлаждения создаются условия для первичной кристаллизации в соответствии с метастабильной диаграммой Fe – Fe3С (см. рис. 65), из жидкой фазы выделяется цементит, а графит образуется вследствие его распада при дальнейшем охлаждении. Иногда ледебурит не разлагается и остается в структуре.
Вторичная кристаллизация преимущественно протекает в соответствии с метастабильной диаграммой, вторичный цементит и цементит перлита могут сохраниться или графитизироваться в зависимости от содержания кремния и скорости охлаждения.
Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дают структурные диаграммы. Структурная диаграмма, приведенная на рис. 75, а, справедлива для отливок с толщиной стенки 50 мм. Влияние толщины стенки и состава чугуна (суммарного содержания углерода и кремния) характеризует диаграмма, представленная на рис. 75, б.
Поле диаграммы разбито на пять областей. Область I соответствует белому чугуну, имеющему структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит; весь углерод здесь связан в виде цементита. В области II находится половинчатый чугун со структурой П + Ц + графит; количество связанного углерода в нем более 0,8 %.
а б
Рис. 75. Структурная диаграмма чугунов в зависимости от содержания кремния и углерода (а) и толщины стенки отливки (б): I – белый чугун; II – половинчатый чугун; III, IIIа, IIIб- серый перлитный, ферритно-перлитный и ферритный чугун соответственно
Химический состав серых чугунов отвечает областям III, IIIа и IIIб, где III- область серого перлитного чугуна, IIIа - феррито-перлитного чугунаи III - ферритного чугуна.По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида:
· серый перлитный со структурой П + графит (рис. 76, а). В этом чугуне количество связанного углерода составляет ~ 0,8 %;
· серый ферритно-перлитный со структурой Ф + П + графит. Количество связанного углерода в нем менее 0,8 %;
· серый ферритный со структурой Ф + графит (рис. 76, б). В этом чугуне весь углерод находится в виде графита.
а б
Рис. 76. Микроструктуры серых чугунов × 300: а – перлитного; б – ферритного
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 количества перлита в металлической основе, которая по строению аналогична сталям. Решающее влияние графита обусловлено тем, что его пластинки, прочность которых ничтожно мала, действуют как надрезы или трещины, пронизывающие металлическую основу и ослабляющие ее. При растяжении (наиболее жестком виде нагружения) по концам графитных включений легко формируются очаги разрушения.
По этой причине серые чугуны плохо сопротивляются растяжению, имеют низкие прочность и пластичность. Относительное удлинение при растяжении независимо от структуры основы не превышает 0,5 %. Чем крупнее и прямолинейнее форма графитных включений, тем ниже сопротивление разрыву. И, наоборот, чем мельче и разобщеннее графитные включения, тем меньше их отрицательное влияние.
Значительно слабее влияние графита при изгибе и, особенно при сжатии, т. е. при более «мягких» видах нагружения. Статическая прочность серых чугунов при изгибе примерно в 2 раза, а при сжатии - в 4 раза выше, чем при растяжении. Прочность при сжатии и твердость определяются в основном структурой металлической основы чугунов. Она близка к свойствам стали с той же структурой и составом, что и металлическая основа чугуна.
Более высокая чувствительность чугунов к нормальным напряжениям, чем к касательным, сохраняется при циклических нагрузках. При этом сопротивление усталости у них, как и у сталей, растет с увеличением статической прочности. Предел выносливости при круговом изгибе σ-1 = (0,45...0,58) σв. Наибольшее его значение имеют чугуны с измельченными графитными включениями и перлитной основой.
Для серых чугунов характерно следующее соотношение пределов выносливости при растяжении, изгибе и кручении: σ-1р:σ-1: τ-1 = 1 : 2 : 1,3. Наиболее высоко сопротивление усталости чугунов сжимающим напряжениям. При пульсирующем цикле сжатия оно в 5 – 6 раз выше, чем при пульсирующем цикле растяжения.
В соответствии с отмеченной особенностью чугуны целесообразнее использовать для деталей, работающих на сжатие. Однако в реальных условиях эксплуатации может возникнуть сложное напряженное состояние. В этом случае работоспособность чугуна лимитируется долей растягивающих напряжений, поэтому показателем механических свойств серых чугунов, в соответствии с ГОСТ 1412-85, является прочность при статическом растяжении.
Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение (в МПа) временного сопротивления при растяжении (см. табл. 4).
Прочность чугуна существенно зависит от толщины стенки отливки. Указанное в марке значение σвсоответствует отливкам с толщиной стенки 15 мм. При увеличении толщины стенки от 15 до 150 мм прочность и твердость чугуна уменьшаются почти в два раза.
Графит, ухудшая механические свойства, в то же время придает чугунам ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смягчающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугунов, придает им демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугунов к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивления усталости чугунных и стальных деталей соизмеримы.
Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от деталей в несколько граммов (поршневые кольца двигателей) до отливок в 100 т и более (станины станков). Выбор марки чугуна для конкретных условий работы определяется совокупностью технологических и механических свойств.
Ферритные серые чугуны СЧ40, СЧ15 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников, насосов, а также суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и пр.
Ферритно-перлитные серые чугуны СЧ20, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков, зубчатые колеса и другие.
Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ 30, СЧ 35 обладают более высокими механическими свойствами главным образом из-за мелких разобщенных графитных включений. Измельчение графитных включений в них достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием (0,3-0,6 % от массы шихты). Модифицированные чугуны используют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и пр. Чугуны этих марок обладают наибольшей герметичностью.
По этой причине их широко применяют также для корпусов насосов, компрессоров, арматуры тормозной пневматики и гидроприводов.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие (дополнительно содержат Сr, А1), жаропрочные (Сr, Ni, Mo). Применение находят также немагнитные, хромоникелевые чугуны с аустенитной структурой, из которых изготавливают стойки для магнитов, крышки выключателей и пр.
Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке. Используют низкий отжиг (~ 560 °С) для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров, нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других деталей отдельных двигателей автомобилей перлитные чугуны подвергают азотированию.