Инструментальные углеродистые стали

Инструментальные углеродистые стали содержат более 0,7% С и отличаются высокой твердостью и прочностью. Эти стали делятся на качественные и высококачественные. Марки качественной стали по ГОСТ 1437-74 следующие: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачественной: У7А, У8А, У13А. Цифры в марке показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Стали У7, У8, У9 имеют достаточно высокую вязкость и применяются для инструментов, подвергающихся ударам: столярного, слесарного, кузнечного инструмента, матриц, пуансонов и др.

Стали У10, У11, У12 применяют для инструмента с высокой твердостью на рабочих гранях (НRС 62…64). Это напильники, пилы, метчики, резцы, калибры и т.д.

Сталь У13 используют для инструментов, требующих наиболее высокую твердость: шаберов, гравировального инструмента.

Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качественные, но из-за большей вязкости их применяют для инструментов с тонкой режущей кромкой.

Чугуны

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

Чугун отличается от стали составом (более высоким содержанием углерода), лучшими литейными качествами, малой величиной пластической деформации. Чугун дешевле стали.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств (жидкотекучести, температуры плавления), достаточной прочности и износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для производства качественных отливок сложной формы.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в этих сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

3.7.1. Белый чугун

Белыми называют чугуны, у которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Эти чугуны, фазовые превращения в которых происходят согласно диаграммы Fe-Fe₃C, подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. При цеховой температуре структура белого доэвтектического чугуна состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита (рис.3.9 а).

Рис. 3.9. Микроструктура белого чугуна х725

а – доэвтектический, б – эвтектический белый чугун

Ледебуритная составляющая на металлографическом шлифе имеет вид светлых цементитных полей с равномерно расположенными на них относительно мелкими темными перлитными участками. Перлит занимает также крупные темные области. Вторичный цементит часто виден в виде светлых выделений по границам перлитных областей, а частично сливается с цементитом ледебурита.

Эвтектический белый чугун имеет в своей структуре один ледебурит (рис.3.9 б).

Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (HB 4500 -5500 МПа), хрупки и для изготовления деталей машин почти не используются.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и др. детали, работающие в условиях износа. Белый чугун используется также как передельный для получения с помощью графитизирующего отжига ковкого чугуна.

3.7.2. Серый чугун

Серыми называют чугуны, у которых весь углерод или часть его присутствует в свободном состоянии в форме графита. Термины: белый и серый чугуны связаны с видом излома, определяемым наличием либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита. Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы.

Вместе с тем, включения графита снижает прочность и пластичность, т.к. нарушают сплошность металлической основы сплава.

В зависимости от формы графита различают обыкновенный серый чугун (графит пластинчатой формы), высокопрочный чугун (графит сферической формы) и ковкий чугун (графит хлопьевидной формы).

Обыкновенный серый чугун - это сплав сложного состава. Химический состав серого чугуна колеблется в пределах: 3,2 -3,8% С, 1 - 5% Si, 0,5 - 0,9% Мn, 0,2 - 0,4 % Р, до 0,12% S. Факторами, способствующими графитизации (выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu (препятствуют графитизации Mn, S, Cr, W).

Практически, изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации.

На рис.3.10 показана микроструктура обыкновенного серого чугуна на феррито-перлитной основе.

Рис. 3.10 Микроструктура серого чугуна на феррито-перлитной основе

На свойства серого чугуна оказывают большое влияние вид графитовых включений, их размеры, характер металлической основы. От формы и количества графита зависит прочность и пластичность чугуна (от 0,5% относительного удлинения при пластинчатой форме графита до 20% - при шаровидной форме). Вытянутые пластинки графита фактически являются трещинами в металлической основе и сильными концентраторами напряжений, на их концах при приложении нагрузки напряжения быстро достигают разрушающих величин. Твердость и износостойкость чугунов растет с увеличением перлита в металлической основе серого чугуна (различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основой).

Обыкновенный серый чугун является одним из важнейших литейных машино-строительных материалов и характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, высокой износостойкостью, нечувствительностью к поверхностным дефектам.

Согласно ГОСТ 1412-85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение. Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σ_b = 250 МПа; твердость НВ = 1800 - 2500 МПа и структура металлической основы - феррит + перлит.

Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов и др.

Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.

Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами. Их применяют при высоких нагрузках: зубчатые колеса, гильзы двигателей, шпиндели, распределительные валы и пр. Структура модифицированных чугунов - перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита.

3.7.3. Высокопрочный чугун

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттрием, которые вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным (допускается до 20% перлита) или перлитным (допускается до 20% феррита). Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна (рис.3.11). Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью и некоторой пластичностью.

Рис. 3.11. Микроструктура высокопрочного чугуна на феррито-перлитной основе

Маркируют высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мегапаскалей. Например, высокопрочный чугун ВЧ 40 имеет временное сопротивление при растяжении 400 MПa, относительное удлинение - не менее 10%, твердость НВ = 1400-2200 МПа, структура перлито-ферритная. Маркировка по предшествующему ГОСТу 7293-79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах, например, ВЧ 40-10.

Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7-3,8% С; 1,6-2,7% Si; 0,2-0,7% Мn; ≤ 0,02% S; ≤ 0,1% Р.

Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

3.7.4. Ковкий чугун

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают путем специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме (рис.3.12). При температуре 950 -1000°С происходит графитизация эвтектического и избыточного цементита (превращение метастабильного цементита в стабильный графит и аустенит). При второй выдержке при температуре 720 - 740°С графитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда вместо выдержки проводят медленное охлаждение от 770°С до 700°С в течение 30 часов, при этом происходит кристаллизация по стабильной диаграмме с выделением углерода в свободном состоянии).

В результате продолжительного отжига весь углерод выделяется в свободном состоянии.

Рис.3.12.Схема отжига белого чугуна на ковкий

Обычный состав ковкого чугуна 2,4-2,8% С; 0,8-1,4% Si; ≤1% Мn; ≤0,1% S; ≤ 0,2% Р. Структура - ферритная или феррито-перлитная (рис.3.13).

Рис. 3.13. Микроструктура ковкого чугуна

а – ферритная основа, б – ферритно-перлитная основа.

Отсутствие литейных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная форма и изолированность графитных включений обуславливают высокие механические свойства ковких чугунов.

Маркируют ковкие чугуны по ГОСТ 1215-79 буквами КЧ и двумя числами, первое из которых - минимальный предел прочности на растяжение в десятках мегапаскалей, а второе - относительное удлинение в %. Например, чугун КЧ 45-6 имеет временное сопротивление при растяжении 450 МПа, относительное удлинение δ=6 %, НВ=2400МПа и структуру - феррит+перлит.

Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки, в том числе клапаны, муфты, картеры редукторов, коленчатые валы и др.