Получение структура свойства и маркировка высокопрочных и ковких чугунов и легированных сталей

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Институт повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Металловедению

на темы

«Получение, структура, свойства и маркировка высокопрочных и ковких чугунов и легированных сталей»

Выполнил:

ст. гр. ПМГ-А-08з

Васин Е.Т.

Алчевск 2009

Получение, структура, свойства и маркировка высокопрочных и ковких чугунов

1. Характеристика высокопрочного чугуна

ВЧ получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых щелочных или щелочноземельных металлов. Чаще применяют магний (Mg) в количестве 0,03-0,07% и церий (Ce).

Под действием Mg графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму (способствует расторможению поперечного роста графитных включений).

серый чугун высокопрочный чугун

Рисунок 1.

Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый графит. Шаровидный графит не является активным концентратором напряжений.

Также чугуны имеют механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и высокую износоустойчивость.

Обычный состав чугуна:

2,7-3,6% С; 1,6-2,7% Si; 0,5-0,6% Mn; ≤0,10% S, ≤0,10% Р.

Пластичность чугуна достигает д = 8-12%. Твердость НВ120. Эти чугуны могут быть подвергнуты термической обработке (отжигу, нормализации, закалке, отпуску).

Маркируются высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293 буквами – ВЧ, затем следуют цифры показывающие среднее значение предела прочности при растяжении, например: ВЧ50, ВЧ80, ВЧ120.

Эти чугуны также различаются по металлической основе:

ВЧ на ферритной основе:

ВЧ35, ВЧ38, ВЧ40, ВЧ42;

(ВЧ 40 → ув
= 400 н/мм2
(МПа)).

ВЧ на феррито-перлитной основе:

ВЧ45;

(ВЧ 45 → ув
= 450 н/мм2
(МПа)).

(Вязкость и пластичность не гарантируется. Изготавливают отливки, не испытывающие динамических нагрузок).

ВЧ на перлитной основе:

ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100, ВЧ120;

(ВЧ 120 → ув
= 1200 н/мм2
(МПа)).

Отливки из ВЧ используют в автостроении и дизелестроении для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров; для многих деталей прокатных станов (валки); кузнечно-прессовое оборудование: шабот-молотов, траверсы прессов; в химической и нефтяной промышленности: корпуса насосов, вентилей и т.д; детали работающие в узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 120 кгс/мм2
).

Антифрикционные чугуны:

АВЧ-1 – с перлитной структурой;

АВЧ-2 – с феррито-перлитной структурой.

2. Характеристика ковкого чугуна

КЧ получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность неметаллической основы структуры чугуна.

Металлическая основа ковкого чугуна (КЧ): феррит и реже перлит. Наибольшая пластичность у ферритного ковкого чугуна.

Химический состав белого чугуна отжигаемого на ковкий чугун (КЧ): 2,5-3,0% С; 0,7-1,5% Si; 0,3-1,0% Mn; ≤0,12% S и ≤0,18% Р. Такой чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния.

Толщина отливки не более 40-50 мм. Схема отжига приведена на рисунке 2.

Рисунок 2.

Отжиг проводят в две стадии.

Исходная структура отливки – белый доэвтектический чугун: П + Л + ЦII
.

Отливка упакованная в ящике нагревается и выдерживается при 950-970о
(до 1000о
С). В этот период протекает I стадия графитизации. Выше линии PSK фазовый состав сплава: А+Ц, цементит при этих температурах распадается диффузионным путем, образуя хлопьевидный графит (углерод отжига).

Затем если отливку охладить несколько ниже линии PSK (эвтектоидный интервал) и сделать длительную выдержку, то цементит вторичный (ЦII
) (выделившийся из А) и цементит перлитный также распадется, что приведет к росту хлопьевидных графитных включений (II стадия графитизации). После окончания II стадии графитизации структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита.

Излом ферритного чугуна бархатисто черный вследствие большого количества графита.

Если не проводить выдержки ниже эвтектоидной температуры (PSK), то образуется перлитный ковкий чугун со структурой – П+Гр, имеющий светлый (сталистый) излом.

При промежуточной скорости охлаждения и выдержке, структура ковкого чугуна будет – П+ Ф+ Гр.

Ковкий чугун маркируют буквами – КЧ (ГОСТ 12.15) и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении и вторые – относительное удлинение (%).

Отливки из КЧ применяют для деталей, работающих при ударных вибрационных нагрузках.

Ковкий чугун на ферритной основе.

КЧ37-12, КЧ35-10;

КЧ37-12 (ув
= 370 н/мм2
(МПа), д = 12 %).

Применяют для изготовления деталей работающих при высоких динамических и статистических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и т.д.).

КЧ30-6, КЧ33-8 – менее ответственные детали (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфты и т.п.).

Твердость ферритного ковкого чугуна – НВ163.

Ковкий чугун на феррито-перлитной основе.

КЧ45-6 (ув
= 450 н/мм2
(МПа), д = 6 %).

Применяют для изготовления тонкостенных отливок.

Антифрикционные КЧ на феррито-перлитной основе маркируются: АКЧ-1, АКЧ-2.

Ковкий чугун на перлитной основе.

КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2;

КЧ63-2 (ув
= 630 н/мм2
(МПа), д = 2 %).

Применяют для изготовления деталей, которые обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью, хорошими антифрикционными свойствами. Твердость НВ 241-269. Изготавливают: вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д.

Классификация, маркировка, строение, свойства и область применения легированных сталей

1. Классификация легированных сталей

Легированные стали могут быть классифицированы по следующим признакам:

1. По равновесной структуре (достигается обычно отжигом).

2. По структуре после охлаждения на воздухе (с температуры нагрева – 9000
С).

3. По составу.

4. По назначению.

5. По содержанию легирующих элементов.

6. По качеству.

По равновесной структуре стали можно разделить на группы:

– стали перлитного класса:

доэвтектоидные – содержат избыточный легированный феррит и эвтектоид (квазиэвтектоид – похож на эвтектоид, но с другим химическим составом, имеющий более дисперсное строение – сорбит, троостит);

эвтектоидные – структура: перлит, сорбит, троостит;

заэвтектоидные – структура: эвтектоид (квазиэвтектоид) и избыточные (вторичные) карбиды типа М3
С;

– стали ледебуритного (карбидного) класса имеют в структуре в литом состоянии эвтектику типа ледебурита. При ковке ка

рбиды принимают форму обособленных глобулей. Количество карбидов в сталях достигает 30-35%. Содержание углерода <2,0%, поэтому их сплавы и относятся к сталям. Легируют Cr, W, V которые сдвигают т.S и Е влево, к более низким содержаниям углерода;

– стали аустенитного класса:

основными легирующими элементами являются – Ni, Mn, которые расширяют область существования г- Fe. Стали этого класса не испытывают б⇄г – превращение;

– стали ферритного класса:

основными легирующими элементами являются – Cr, W, Mo, V, Si, Al и другие при низком содержании углерода; они ограничивают область существования аустенита. В сталях этого класса также отсутствует превращение б ⇆ г.

Могут быть промежуточные классы: полуферритные, полуаустенитные.

Легированные стали охлаждённые на воздухе с 900˚С делятся на классы:

1. Перлитный класс.

2. Мартенситный (М – это перенасыщенный раствор углерода и легирующих элементов в б-железе) класс.

3. Ледебуритный (карбидный) класс

4. Аустенитный класс.

5. Ферритный класс.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного – более значительным и, наконец, аустентитного – высоким содержанием легирующих элементов.

Классификация по составу:

Никелевые – легирована Ni.

Хромистые – легирована Cr.

Ванадиевые – легирована V.

Марганцовистая – легирована Mn.

Хромоникельмолибденовая – легирована Cr, Ni, Mo, т.е.зависит от наличия легирующих элементов.

Классификация по назначению:

Конструкционная сталь – изготовляют детали машин, элементы конструкций и др.

Инструментальная сталь – режущий, измерительный, штамповый и прочий инструмент.

Стали и сплавы с особыми свойствами (физико-механическими) – нержавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые, износоустойчивые и т.п.

Классификация по содержанию легирующих элементов:

1. Низколегированная сталь – легирующих элементов до 2,5%.

2. Легированная сталь – легирующих элементов 2,5 ч 10%.

3. Высоколегированная сталь – легирующих элементов более 10% (Fe> 45%).

Классификация по качеству (определяется количеством вредных примесей):

1. Качественные (S и P ≤ 0,035%).

2. Высококачественные (S < 0,03%, P < 0,03%).

3. Особовысококачественные (S ≤ 0,025%, P ≤ 0,025%).

2. Маркировка легированных сталей

Маркировка легированных сталей производится по принципу буквенно-цифрового обозначения. Используются буквы русского алфавита.

А – азот N (если в середине маркировки) А – в начале маркировки – автоматная сталь А – в конце маркировки – сталь высококачественная Б – ниобий Nb В – вольфрам W Г – марганец Mn Д – медь Cu Е – селен Sc К – кобальт Co Л – литая сталь (в конце марки) М – молибден Mo

П – фосфор P Р – бор B С – кремний Si Н – никель Ni Т – титан Ti Ф – ванадий V Х – хром Cr Ц – цирконий Zr Ч – редкоземельный металл (РЗМ) Ю – алюминий Ш – в начале маркировки – сталь шарикоподшипниковая Ш – в конце маркировки – сталь особовысококачественная

Первая цифра которая стоит в маркировке показывает содержание углерода:

конструкционные стали – в сотых долях процента углерода;

инструментальные стали – в десятых долях процента углерода (если больше 1%, то углерод может не указываться);

в специальных сталях – смешанное обозначение.

Цифра после буквы, обозначающей легирующий элемент, указывает на содержание данного легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифры указывает, что легирующий элемент содержится в количестве ~ 1,0 – 1,5% и менее.

Исключение. Если у следующих букв – V, Mo, W, Ti, Nобозначающих легирующий элемент нет цифр, то: V, Mo, W ≈ 0,2ч0,4%; Ti ≈ 0,03ч0,09%; N ≈ 0,015ч0,025%.

ПРИМЕРЫ:

Конструкционные стали:

40Х – 0,4% С, ~1,0% Cr.

35XH – 0,35% C, 1,0% Cr, 1,0% Ni.

40XBA – 0,4% C, 1,0% Cr, 1,0% W, высококачественная.

16Г2AФ – 0,16% C, 2,0% Mn, до 1,0% N, до 1,0% V.

15XCHД – 0,15% C, 1,0% Cr, 1,0% Si, 1,0% Ni, 1,0% Cu.

50C – 0,5% C, 1,0% Si – рессорно-пружинная сталь.

60С2, 50ХФ, 30ХГС, 12Г2, 18Х2Н2МА, 35ХГС-Ш.

Сталь «Юлька» – 45Г14Ю3А – 0,45% С, 14% Mn, 3% Al, высококачественная.

50ХЗСНМФАЧА – 0,5% С, 3,0% Cr, до 1% Si, до 1% Ni, до 1% N, до 1% РЗМ, высококачественная.

Инструментальные стали:

9ХС – 0,9% С, 1% Cr, 1% Si.

X – ≥ 1%C, 1%Cr

XBГ – ≥ 1% C, 1% Cr, 1% W, 1% Mn.

B4 – ~ 1% C, 4% W.

X12 – 1,4ч2.3% C (связано со смещением критических точек), 12% Cr.

Х12M, Х12Ф, 6Х6ВЗМФС – стали для холодного деформирования.

5ХНВ, 5ХНТ, 3Х2В8Ф – стали для горячего деформирования.

Быстрорежущие стали:

Р9, Р18, P6M5, РЗМЗФЗ, Р6М5К5, Р6М5Ф2К8Р.

Буква «Р» обозначает – «рапид» (быстро).

Цифра после буквы «Р» указывает на содержание основного легирующего элемента данных сталей – вольфрама (W), в целых процентах.

Быстрорежущие стали содержат 0,7ч0,9 % углерода, приблизительно 4 % хрома и приблизительно 2 % ванадия.

Р9 – 0,7-0,8% C, ~4% Cr, ~2% V, 9% W.

P18 – 0,7-0,8% C, ~4% Cr, ~2% V, 18% W.

P9K5 – 0,7-0,8%C, ~4% Cr, ~2% V, 9% W, 5% Co.

Быстрорежущие стали обладают теплостойкостью – сохраняют высокую твердость, износостойкость при повышенных температурах (600 – 620˚С). Скорость резания увеличивается в 2 – 4 раза, стойкость инструмента в 10 – 30 раз, по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями типа У8-У13.

Твердость быстрорежущих сталей после специальной термической обработки – HRC 67-70.

Специальные стали.

Жаростойкие стали: 12Х17, 15Х25Т, 12Х25Н16Г7АР;

Безуглеродистые: Х17, Х25, Х30 – очень мало углерода.

Жаропрочные: Х22Н14В2; Х12Н20Т3Р, 4Х14Н14В2М.

Сильхромы: Х6С, Х9С2, Х7МС, Х10С2М, Х13Н7С2 (углерода ~0,15 до 0,5%).

Износостойкая сталь (сталь Гатфильда. Используется: крестовины ж/д путей, прочные решетки, ножи экскаваторных ковшей): 130Г13Л – родоначальница легированных сталей. Содержит: 1,3% С, 13% Mn, литая – Л.

Шарикоподшипниковая сталь. Используется для изготовления тел качения и подшипниковых колец. Для получения высокой твердости (HRC60-66) и износостойкости сталь содержит повышенное количество углерода: 0,95 – 1,05% С.

Цифра, указывающая на содержание хрома, в данных сталях, соответствует десятым долям процента.

Примеры марок: ШХ4, ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ.

ШХ4 – 0,95-1,05% С, ~0,4% Сr.

ШХ15СГ – 0,95-1,05% С; ~1,5% Cr, до 1% Si, до 1% Mn.

К шарикоподшипниковым сталям предъявляются повышенные требования по неметаллическим включениям, по неоднородности химического состава.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.