Навчальне питанн 3. Технічне залізо, сталі та чавуни.

Вуглецеві сталі поряд з вуглецем містять як постійні до­мішки до 0,8% Мn; 0,4 % Si, а також до 0,05% S і Р.

Марганець і кремній у цих кількостях є корисними доміш­ками. Розчиняючись у фериті, вони зміцнюють його, підвищую­чи тим міцність сталі.

Сірка утворює з залізом легкоплавку евтектику Fe— FeS, яка надає сталі червоноламкості — підвищує крихкість при тем­пературах гарячої обробки. Фосфор, навпаки, надає сталі холод­ноламкості — підвищує її крихкість при нормальній і, особливо, при знижених температурах. У зв’язку з цим вміст сірки і фосфору в сталях суворо обмежу­ють. Цей вміст є одним з показників якості сталі.

Основним компонен­том, який визначає будову і властивості вуглецевих сталей, є вуглець. Із збіль­шенням його вмісту в ста­лі утворюється більше твердої складової — це­ментиту, тому сталь стає міцнішою і твердішою, але менш пластичною (рис. 14).

За призначенням вуг­лецеві сталі поділяють на конструкційні (С<0,8%) і інструментальні (С >

>0,6%).

Конструкційні сталі бувають звичайної якості і якісні. Конструкційні сталі звичайної якості поділяють на групи А, Б і В (ГОСТ 380—71). Сталі групи А постачають за механічними властивостями, групи Б — за хімічним складом, групи В — за механічними властивостями і хімічним складом. Виготовляють сталі таких марок:

групи А — СтО, Ст1, Ст2 і т. д. до Ст6;

групи Б — БСтО, БСт1, БСт2 і т. д. до БСт6;

групи В — ВСт2, ВСтЗ, ВСт4 і ВСт5.

Букви Ст означають «сталь», цифри 0—6 — умовний номер сталі залежно від її хімічного складу і механічних властиво­стей, букви Б і В — групу сталі (групу А не зазначають). Для позначення ступеня розкислення (див. частину другу) до марки сталі після її номера добавляють індекси: «кп» — кипляча, «пс» — напівспокійна, «сп» — спокійна, наприклад:СтЗкп,СтЗпс, БСтЗсп, ВСтЗсп.

Якісні конструкційні сталі виплавляють у мартенівських печах. Призначені ці сталі для виготовлення виробів, які підда­ватимуться термічній обробці, тому регламентують їх хімічний склад, а не механічні властивості. Залежно від хімічного складу ці сталі, згідно з ГОСТ 1050—60, поділяють на дві групи: І — сталі з нормальним вмістом марганцю (0,25—0,80%) і II — сталі з підвищеним вмістом марганцю (0,70— 1,20%).

Сталі групи І маркують цифрами, які показують середній вміст вуглецю в сталі в сотих частках процента —10, 35, 65 і т. д. У марках сталей групи II до цифр того самого зна­чення додають букву Г, яка позначає марганець, наприклад: 10Г, 35Г.

Вибираючи конструкційні сталі для виготовлення різних деталей елементів конструкцій, виходять з умов їх роботи або способу виготовлення. Маловуглецеві сталі (до 0,3% С) мають високу пластичність. Тому з них виготовляють вироби холодним штампуванням. Завдяки добрій зварюваності вони широко вико­ристовуються також для зварних конструкцій. Із середньовуглецевих сталей (0,4 — 0,5% С) виготовляють кріпильні вироби (болти, гайки), вали, зубчасті колеса; з високовуглецевих (>0,5% С) —вироби, що потребують великої міцності і пруж­ності, наприклад: пружини, стрічки, троси і т. ін.

Інструментальні вуглецеві сталі виплавляють у мартенівських та електричних печах і постачають за хімічним складом. їх поділяють на якісні і високоякісні.

Якісні інструментальні сталі позначають буквою У і циф­рою, що показує вміст вуглецю в десятих частках процента, на­приклад: У8 (0,8% С), У12 (1,2% С).

Високоякісні інструментальні сталі відрізняються від якісних меншим вмістом домішок сірки і фосфору. Ці сталі позначають так само, як і якісні, але на кінці марки додають, букву А, наприклад: У8А, У12А.

При виборі інструментальної сталі для виготовлення інстру­ментів виходять з умов їх роботи. Так, для різального інстру­менту, що працює без ударів (напилки, мітчики), застосовують сталі більш тверді, тобто з більшим вмістом вуглецю,— У10, У12. Інструмент, який піддають ударним навантаженням (зуби­ла, молотки), повинен мати деяку в’язкість, тому для його виго­товлення застосовують менш тверді і менш крихкі сталі з мен­шим вмістом вуглецю — У7, У8.

2. Сірі чавуни також містять, крім вуглецю, значну кількість постійних домішок (Бі, Мп, Б, Р).

Кремній — графітоутворюючий елемент, який сприяє розпа­данню цементиту в чавуні і виділенню графіту. З підвищенням вмісту кремнію кількість цементиту в чавуні зменшується, а графіту відповідно збільшується. При цьому твердість і міц­ність чавуну знижуються. Кремній, крім того, збільшує рідкотекучість і знижує температуру плавлення чавуну. У сірих чаву­нах його вміст становить 0,75—3,75%.

Марганець, навпаки, перешкоджає розпаданню цементиту І тим самим сприяє вибілюванню чавуну. У сірих чавунах його вміст досягає 1,2%. У такій кількості він підвищує міцність і рідкотекучість чавуну.

Сірка — це шкідлива домішка, бо вона знижує рїдкотеку- чість чавуну, надає йому крихкості, перешкоджає розпаданню цементиту, збільшує усадку. Вміст сірки в чавуні не повинен перевищувати 0,1 %.

Фосфор утворює в чавуні тверду і крихку евтектику. Тому у виливках деталей машин, які зазнають ударних навантажень, вміст фосфору не повинен перевищувати 0,3%. Поряд з тим фосфор підвищує рідкотекучість і зменшує усадку чавуну, тому в чавунах, призначених для виготовлення виливків складної конфігурації з гладенькою поверхнею (наприклад, художнього литва), вміст фосфору іноді збільшують до 1,2%.

Отже, змінюючи вміст і співвідношення постійних домішок, можна в певних межах змінювати структуру чавуну і його влас­тивості.

Структура металевої основи сірих чавунів нічим не відрізня­ється від структури сталей. Тому ці чавуни можна розглядати як сталь із включеннями графіту. Сірі чавуни, основа яких скла­дається з фериту, називають феритними, з фериту і перліту — ферито-перлітними, а з перліту— перлітними.

Механічні властивості сірих чавунів в основному визнача­ються розмірами і формою графічних включень — пластинчас­тою, пластівчастою або кулястою. Чавуни з пластинчас­тою формою графіту називають звичайними сірими, з пластів­частою — ковкими і з кулястою — високоміцними.

Звичайні сірі чавуни (рис. 15, а) виплавляють із спеціальної шихти в різних плавильних агрегатах (вагранках, електропечах). Структура цих чавунів зумовлюється повільним охолодженням і наявністю • деяких домішок (головним чином кремнію), що спри­яють розпаданню цемен­титу.

Особливостями будови звичайного сірого чавуну зумовлю­ються його низькі механічні властивості. Оскільки графітні включення мають дуже малу міцність, то практично вони явля­ють собою пустоти в чавуні. Вони е внутрішніми надрізами вметалевій основі, які виконують роль концентраторів напру­жень. Тому чавун з пластинчастим графітом має малу міцність, низьку пластичність, погано витримує ударні навантаження. Границя його міцності при розтяганні становить 120— 380 Мн/м² (12—38 кГ/мм²), твердість НВ 145—270, відносне здовження δ=0,2÷0,8%, а ударна в’язкість не перевищує 0,1 Мдж/м², або 1 кГ*м/см³ (ударна в’язкість фериту досягає 2 Мдж/м², або 20 кГ*м/см²).

Механічні властивості чавунів зумовлюються в основному їх структурою, тому стандарти регламентують саме це, а не хіміч­ний склад. Ці властивості і позначають у марках чавунів. На­приклад, марка СЧ 12-28 позначає звичайний сірий чавун з гра­ницею міцності при розтяганні 12 кГ/мм² (120 Мн/м²), а при згинанні — 28 кГ/мм² (280 Мн/м²).

Ковкий чавун (рис. 15,6) утворюється з білого. Для цього виливки з білого чавуну піддають графітизуючому від­палюванню протягом 50—80 год.

Щоб мати ковкий феритний чавун, застосовують двостадійне відпалювання: першу стадію графітизації проводять при темпе­ратурі, близькій до 950° С, а другу — при 750° С. При недостат­ній тривалості другої стадії чавун має ферито-перлітну основу. Ковкий перлітний чавун утворюється в результаті однієї стадії відпалювання при температурі 950° С.

Графітні включення пластівчастої форми меншою мірою роз’єднують металеву основу, тому ковкий чавун міцніший і пластичніший від звичайного сірого, має більш високу в’язкість. Границя його міцності при розтяганні становить 300—630 Мн/м² (ЗО—63 кГ/мм²), відносне здовження δ=2÷12%. Це дає змогу застосовувати ковкий чавун для виготовлення деталей, які пра­цюють при помірних ударних навантаженнях (шестерень, кілець, ланцюгів, кронштейнів). Сама ж назва ковкого чавуну умовна: незважаючи на пластичність, обробляти тиском його не можна.

Ковкі чавуни маркують буквами КЧ і числами, з яких перше показує границю міцності чавуну при розтяганні, а друге — від­носне здовження. Наприклад, марка КЧ 33-8 позначає ковкий чавун з σ_в=33 кГ/мм² (330 Мн/м²) і δ =8%.

Високоміцний чавун дістають, добавляючи до рід­кого сплаву перед розливанням невеликі порції магнію або церію. При цьому утворюються часточки графіту кулястої фор­ми (рис. 15,в), яка виключає наявність гострих надрізів усере­дині металевої основи. Тому міцність, пластичність і в’язкість чавуну значно підвищуються. У високоміцного чавуну міцність при розтяганні досягає 600 Мн/м² (60 кГ/мм²), відносне здов­ження— 10%, а ударна в’язкість — 0,3 Мдж/м² (3 кГ*м/см²). Такий чавун е повноцінним замінником литої і штампованої сталі.

Позначають високоміцний чавун буквами ВЧ і числами, які мають ті самі значення, що й у марці ковкого чавуну.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.