close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

67

код для вставкиСкачать
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Л.Б. Тихомирова, О.В. Болотова
КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
И ЧУГУНОВ
Методические указания
к практическому занятию
3
Новосибирск 2007
УДК 669.017
Т462
Тихомирова Л.Б., Болотова О.В. Классификация и маркировка углеродистых сталей и
чугунов: Метод. указ. к практическому занятию. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2004. – 35 с.
Рассмотрена классификация углеродистых сталей и чугунов, приведена их маркировка, химический состав и некоторые
механические свойства, указано назначение и возможное использование разных материалов для работы в определенных условиях.
Методические указания предназначены для студентов, изучающих дисциплину «Материаловедение».
Рассмотрены и утверждены к печати на заседании кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин».
Ответственный редактор
канд. техн. наук, доц. В.В. Решедько
Р е ц е н з е н т:
канд. техн. наук, доц. А.В. Плохов (кафедра «Материаловедение в машиностроении» Новосибирского государственного технического университета)
© Тихомирова Л.Б., Болотова О.В., 2007
© Сибирский государственный
университет путей сообщения, 2007
4
ВВЕДЕНИЕ
Выбор материалов для деталей машин и приборов определяется эксплуатационными, технологическими и экономическими требованиями. Имея первостепенное значение, эксплуатационные требования к свойствам материалов часто играют определяющую роль, хотя технологические и экономические требования тоже важны, приобретая особое значение в условиях массового производства.
В данных методических указаниях рассмотрены углеродистые стали и чугуны. Материалы систематизированы по химическому составу, механическим и эксплуатационным свойствам. При выборе
материалов для деталей машин, приборов и приспособлений важно знание принципов маркировки,
поэтому подробно рассмотрены маркировка и назначение конкретных марок сталей и чугунов.
Приведенная классификация материалов и справочные данные по их химическому составу и
механическим свойствам поможет студентам при выполнении работы по изучению углеродистых
сталей и чугунов.
1. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ
Сталь — основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств.
Сталь — это сплав железа с углеродом, где углерода до 2,14 %. В химический состав углеродистой
стали входят марганец, кремний, сера и фосфор, а также газы кислород, водород, азот. В структуре
сталей отсутствует эвтектика (ледебурит), поэтому они обладают высокой пластичностью, хорошо
деформируются.
Углеродистые стали выплавляют в мартеновских печах, конвертерах и электрических печах.
Лучшими свойствами обладает электросталь (меньше вредных примесей S и Р, неметаллических
включений и газов). Ее применяют для изготовления наиболее ответственных деталей.
1.1. Классификация углеродистых сталей
Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, структуре в равновесном состоянии, способу производства, степени раскисления и характеру затвердевания, качеству и
назначению.
По содержанию углерода:
• низкоуглеродистые (< 0,3 % С);
• среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С);
• высокоуглеродистые (> 0,7 % С).
По структуре в равновесном состоянии:
• доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;
• эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;
• заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.
По способу производства:
• мартеновские;
• конвертерные;
• электростали.
По степени раскисления и характеру затвердевания:
• спокойные;
• полуспокойные;
• кипящие.
Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью 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 марганцем. Перед разливкой в
них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде СО. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипения
стали, с чем и связано ее название. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
5
По качеству стали:
• обыкновенного качества (содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р);
• качественные (содержат не более 0,04 % S и 0,035 % Р);
• высококачественные (содержат не более 0,025 % S и 0,025 % Р).
Под качеством стали понимается 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.
По назначению:
• конструкционные;
• инструментальные;
• специальные.
Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые,
улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на
стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 °С) деформирования. Специальные стали предназначены для изготовления конкретного вида изделий.
1.2. Стали обыкновенного качества
Маркировка и общие технические требования стали обыкновенного качества регламентированы ГОСТ 380-94.
В зависимости от назначения сталь подразделяют на три группы:
• А — поставляемую по механическим свойствам;
• Б — поставляемую по химическому составу;
• В — поставляемую по механическим свойствам и химическому составу.
В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы подразделяют на категории:
• группы А — 1, 2, 3;
• группы Б — 1, 2;
• группы В — 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не
среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к
этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается.
Сталь изготовляют следующих марок:
• группы А — Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6;
• группы Б — БСт0, БСт1, Бст2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;
• группы В — ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.
Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3, и 4 по степени раскисления изготовляют кипящей,
полуспокойной и спокойной. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют.
Степень раскисления обозначается добавлением индексов:
• спокойные стали — «сп»;
• полуспокойных — «пс»;
• кипящих — «кп».
Категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается цифрой, после индекса раскисления.
Полуспокойная сталь с номерами марок 1–5 производится с обычным и повышенным содержанием
марганца. Повышенное содержание марганца указывается буквой «Г» перед индексом раскисления.
Пример маркировки стали обыкновенного качества:
Ст3кп2 — сталь обыкновенного качества группы А (поставляемая с гарантированными механическими свойствами), с номером марки — 3, кипящая, второй категории;
БСт4сп3 — сталь обыкновенного качества группы Б (поставляемая с гарантированным химическим составом), с номером марки — 4, спокойная, третьей категории;
6
ВСт2пс — сталь обыкновенного качества группы В (поставляемая с гарантированными механическими свойствами и гарантированным химическим составом), с номером марки — 2, полуспокойная, первой категории.
Для каждой группы сталей существует определенный перечень нормируемых показателей
(табл. 1, табл. 2, табл. 3).
Таблица 1
Категория стали
Марки стали всех степеней раскисления и с повышенным содержанием марганца
Временное сопротивление
Относительное
удлинение
Изгиб в холодном
состоянии
Предел текучести
Сталь группы А
1
2
Ст0 – Ст6
Ст1 – Ст6
+
+
+
+
–
+
–
–
Примечание. «+» показывает, что показатель нормируется
Таблица 2
Сталь группы Б
Категория
стали
1
2
Марки стали всех
степеней раскисления и с повышенным
содержанием марганца
БСт0 – БСт6
БСт1 – БСт6
Содержание углерода, марганца,
кремния, фосфора, серы,
мышьяка, азота
+
+
Содержание хрома,
никеля, меди
–
+
Таблица 3
Категория стали
Марки стали всех степеней раскисления и с повышенным
содержанием марганца
Химический состав
Временное
сопротивление
Относительное
удлинение
Изгиб в холодном состоянии
Предел текучести
Ударная вязкость при
температуре +20 0С
Ударная вязкость при
температуре –20 0С
Механическое старение
Сталь группы В
1
2
3
4
5
6
ВСт1 – ВСт5
ВСт2 – ВСт5
В Ст3 – ВСт4
ВСт3
ВСт3
ВСт3
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
–
+
+
+
+
+
–
–
+
–
–
–
–
–
–
+
+
–
–
–
–
–
+
+
Стали группы А поставляется с гарантированными механическими свойствами (табл. 4) без
указания химического состава.
Таблица 4
Механические свойства углеродистых сталей
обыкновенного качества группы А
Сталь
Предел прочности σВ, МПа
Ст0
Ст1
Ст2
Ст3
Ст4
Ст5
Ст6
>310
320–420
340–440
380–490
420–540
500–640
600
Предел текучести σТ,
Относительное
МПа
удлинение δ, %
не менее
–
23
–
34
200–230
32
210–250
27
240–270
24
260–290
20
320
13
7
Из табл. 4 следует, что с увеличением номера марки прочность увеличивается, а пластичность стали соответственно уменьшается.
Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.
Сталь марки Ст3 используется в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Химический состав этой группы сталей сильно колеблется. Ее широко применяют в строительстве для
изготовления металлоконструкций.
Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не
гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей
обработки (ковка, варка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура
и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.
Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для
производства сварных конструкций). В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны сведения о химическом составе. Механические свойства на растяжение для
каждой марки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А (см.
табл. 4), а химический состав — нормам для тех же номеров марок группы Б (табл. 5). Например, сталь
ВСт4 имеет механические свойства на растяжение, аналогичные стали Ст4, а химический состав одинаковый со сталью БСт4.
Прокат из стали поставляется с маркировкой определенного цвета (табл. 6). Маркировка стали
производится несмываемой краской, при этом независимо от группы стали и степени раскисления
используются цвета, указанные в таблице.
Таблица 5
Химический состав углеродистых сталей обыкновенного
качества группы Б
Сталь
С
Mn
БСт0
БСт1
БСт2
БСт3
БСт4
БСт5
БСт6
<0,23
0,06–0,12
0,09–0,15
0,14–0,22
0,18–0,27
0,28–0,37
0,38–0,49
–
0,25–0,5
0,25–0,5
0,30–0,65
0,40–0,70
0,50–0,80
0,50–0,80
кп
–
0,05
0,05
0,07
0,07
–
–
Si
пс
–
0,05–0,17
0,05–0,17
0,05–0,17
0,05–0,17
0,05–0,17
0,05–0,17
S
сп
–
0,12–0,3
0,12–0,3
0,12–0,3
0,12–0,3
0,15–0,35
0,15–0,35
P
не более
0,06
0,07
0,05
0,04
0,05
0,04
0,05
0,04
0,05
0,04
0,05
0,04
0,05
0,04
Таблица 6
Маркировка проката, изготовленного из стали по ГОСТ 380-94
Марка стали
Ст0
Ст1
Ст1Гпс
Ст2
Ст2Гпс
Ст3
Ст3Гпс
Ст4
Ст4Гпс
Ст5
Ст5Гпс
Ст6
Цвета маркировки
Красный и зеленый
Белый и черный
Белый и красный
Желтый
Желтый и красный
Красный и зеленый
Красный и синий
Черный
Черный и красный
Зеленый
Зеленый и белый
Синий
Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления
различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали
используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве и изготовлении железобетонных конструкций. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают
стали групп Б и В номеров 1–4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и
8
строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергается
цементации.
Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большой прочностью, предназначаются для
рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных
и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей групп Б и В подвергаются термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском.
К недостаткам углеродистых сталей обыкновенного качества можно отнести то, что они часто
не обеспечивают требуемых свойств по хладностойкости при эксплуатации сварных металлоконструкций в условиях Сибири и Крайнего Севера, где более суровые климатические условия. Кроме того, существенным недостатком строительных углеродистых сталей является их малая прочность, что приводит к большому расходу металла и увеличению массы металлоконструкций. Поэтому повышение прочности строительных сталей и увеличение их хладностойкости являются
важными народнохозяйственными проблемами. Решаются эти задачи путем термического упрочнения углеродистых сталей и применения низколегированных сталей.
1.3. Углеродистые качественные конструкционные стали
В машиностроении эти стали используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. Они имеют более низкое
содержание вредных примесей и неметаллических включений, чем стали обыкновенного качества.
В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.
В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-88.
Содержание серы и фосфора в них допускается в пределах 0,03–0,04 % каждого из элементов. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05, 08, 10, 15, 20,…, 75, 80, 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. К углеродистым сталям относят также стали с повышенным содержанием марганца (0,7–1,0 %), имеющих повышенную прокаливаемость.
Пример маркировки качественной конструкционной стали:
Сталь 20 — сталь качественная конструкционная с содержанием углерода в среднем 0,20 %;
Сталь 40Г — сталь качественная конструкционная с содержанием углерода в среднем 0,40 % и повышенным содержанием марганца.
В табл. 7 приведены гарантируемые механические свойства после нормализации углеродистых
качественных сталей.
Таблица 7
Химический состав и механические свойства углеродистых
качественных конструкционных сталей
Марка стали
Содержание углерода, %
Хром, не более
Предел прочности
σВ, МПа
Предел текучести
σТ, МПа
Относительное
удлинение δ, %
Относительное
сужение Ψ, %
Ударная вязкость при
температуре +20 0С
KCU+20 МДж/м2
Твердость после отжига
или высокого отпуска
НВ, не более
Механические свойства, не менее
08
10
15
20
30
40
50
60
70
0,05–0,01
0,07–0,14
0,12–0,19
0,17–0,24
0,27–0,35
0,37–0,45
0,47–0,55
0,57–0,65
0,67–0,75
0,10
0,15
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
0,25
330
340
380
420
500
580
640
690
730
200
210
230
250
300
340
380
410
430
33
31
27
25
21
19
14
12
9
60
55
55
55
50
45
40
35
30
–
–
–
–
0,8
0,6
0,4
–
–
131
143
149
163
179
217
241
255
269
Данные в табл. 7 служат для контроля металлургического качества отдельных плавок, а механические свойства изделий будут определяться соответствующими режимами термической обработки, зависящими от размера и сечения деталей.
Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексом соответственно «пс» и «кп». В табл. 7 приведены данные химического состава и свойств спокойных ста9
лей. Кипящие стали производят марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойные — 08пс,
10пс,15пс, 20пс.
Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет
разного содержания углерода в них, а соответственно и термической обработки можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств.
Низкоуглеродистые стали 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп отличаются малой прочностью и высокой
пластичностью в холодном состоянии. Эти стали в основном производят в виде тонкого листа и используют после отжига или нормализации для холодной штамповки с глубокой вытяжкой. Они легко
штампуются из-за малого содержания углерода и незначительного количества кремния, что и делает
их очень мягкими. Их можно использовать в автомобилестроении для изготовления деталей сложной
формы. Глубокая вытяжка из листа этих сталей применяется при изготовлении консервных банок,
эмалированной посуды и других промышленных изделий. Спокойные стали 08, 10 применяют в
отожженном состоянии для конструкций невысокой прочности — емкости, трубы и т.д.
Стали 10, 15, 20 и 25 также относятся к низкоуглеродистым сталям, они пластичны, хорошо
свариваются и штампуются. В нормализованном состоянии в основном их используют для крепежных деталей.
Для увеличения поверхностной прочности этих сталей их цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например слабонагруженных зубчатых колес,
кулачков и т.д. За счет твердого поверхностного слоя резко возрастает износостойкость изделий, а
сердцевина при этом остается пластичной и вязкой. Поверхностный слой с покрытием можно упрочнить закалкой в воде с последующим низким отпуском. Сердцевина же из-за низкой прокаливаемости
этих сталей практически не упрочняется.
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 и аналогичные стали с повышенным содержанием
марганца 30Г, 40Г и 50Г в нормализованном состоянии отличаются повышенной прочностью, но
соответственно меньшей вязкостью и пластичностью. В зависимости от условий работы деталей
из этих сталей к ним применяют различные виды термической обработки: нормализацию, улучшение, закалку с низким отпуском, закалку ТВЧ и др.
В табл. 8 приведены механические свойства сталей после нормализации (числитель) и закалки с
отпуском (знаменатель). Для каждой стали выбрана такая температура отпуска, при которой временное сопротивление улучшенной стали равно временному сопротивлению нормализованной стали (для
сталей 25 и 35 температура отпуска равна 700 °С, для стали 45 — 650 °С, для стали 55 — 620 °С).
Таблица 8
Механические свойства сталей после термической обработки
Свойства
Предел прочности σВ,
МПа
Предел текучести σТ,
МПа
Относительное удлинение δ, %
Марка стали
25
35
45
55
460/460
550/550
660/660
750/750
240/280
280/330
340/380
380/440
27/30
22/25
17/22
12/17
Приведенные данные показывают, что при одинаковом временном сопротивлении нормализованной и улучшенной стали такие свойства, как предел текучести и относительное удлинение, выше после закалки с высоким отпуском за счет более дисперсной структуры (сорбит). Закалка с отпуском
обеспечивает и более высокую ударную вязкость и хладостойкость, чем нормализация. Эти стали
применяют для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих
циклические нагрузки. В крупногабаритных деталях больших сечений из-за плохой прокаливаемости
механические свойства значительно снижаются.
Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85, а также с повышенным содержанием марганца 60Г, 65Г и 70Г в основном используют для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью. Их подвергают закалке и
среднему отпуску.
1.4. Углеродистые инструментальные стали
Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента
и штампов холодного и горячего деформирования. Основные свойства, которые необходимы для инструмента, — износостойкость и теплостойкость. Для обеспечения износостойкости инструмента
10
необходима высокая поверхностная твердость. От теплостойкости стали зависит возможная температура разогрева режущего инструмента, т.е. скорость резания или производительность инструмента работающего, в среднем до 200 °С.
Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. В основном их применяют для изготовления слесарного инструмента и для штампово-инструментальной оснастки регламентированного размера.
В соответствие с ГОСТ 1435-90 Углеродистые инструментальные стали производят качественные и высококачественные (с пониженным содержанием вредных примесей — серы и фосфора).
Инструментальные стали маркируются следующим образом: качественные — У7, У8, У9,…, У13,
высококачественные — У7А, У8А, У9А,…, У13А. Буква «У» в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце
марки показывает, что сталь высококачественная.
Пример маркировки инструментальной стали:
Сталь У8 — сталь качественная инструментальная с содержанием углерода в среднем 0,80 %;
Сталь У9А — сталь высококачественная инструментальная с содержанием углерода в среднем
0,90 %.
Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. За счет невысокой твердости в
состоянии поставки (НВ 187–217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента.
Из-за низкой прокаливаемости (10–12 мм) углеродистые стали применяются для мелкого инструмента. Если сечение достигает 25 мм, то сердцевина остается незакаленной, а достаточно твердая режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, развертки, напильники и т.д.). Несквозная
закалка оставляет сердцевину вязкой и способствует за счет этого инструменту работать на удар,
смягчая деформацию при эксплуатации. Инструмент с незакаленной сердцевиной меньшего сечения
для уменьшения деформаций и опасности растрескивания охлаждают в масле или расплавах солей при
температуре 60–200 °С. Стали марок У7, У8, У9 подвергают полной закалке и отпуску при температуре 75–350 °С на тростит (HRC 48–51); так как они более вязкие, то их используют для производства
деревообделочного, слесарного, кузнечного и прессового инструмента. Заэвтектоидные стали марок
У10, У11, У12 и У13 подвергают неполной закалке и низкому отпуску при температуре 150–180 °С на
структуру мартенсит отпуска с включениями цементита. Инструмент из этих марок сталей обладает
повышенной износостойкостью и высокой твердостью (HRC 62–64) на рабочих гранях. Необходимо
учитывать, что при нагреве выше 200 °С твердость резко снижается. В связи с этим инструмент из
этих сталей пригоден для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания.
Заэвтектоидные стали используют для изготовления мерительного инструмента (калибры), режущего (напильники, пилы, метчики, сверла, резцы и т.д.) и небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.
Сталь марки У13 применяют для изготовления инструментов, требующих наиболее высокой
твердости: шаберов, гравировального инструмента.
Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качественные, но из-за несколько
лучшей вязкости их чаще используют для инструментов с более тонкой режущей кромкой.
1.5. Специальные стали
1.5.1. Рельсовая сталь
Материалом для рельсов служит специальная рельсовая сталь. Рельсы изготавливаются двух
групп: I группа — из спокойной мартеновской стали, раскисленной в ковше комплексными раскислителями без применения алюминия или других раскислителей, образующих в стали вредные
строчечные неметаллические включения; II группа — из спокойной мартеновской стали, раскисленной алюминием или марганец-алюминиевым сплавом.
Рельсы маркируются буквой «М», которая указывает мартеновский способ выплавки, за которой следует цифра, указывающая содержание углерода в сотых долях процента.
Качество стали определяется ее химическим составом (табл. 9).
Таблица 9
ре
ль
п
па
ре
ль
п
Химический состав рельсовой стали
Марка
Массовая доля, %
11
стали
I
Р75
Р65
Р50
II
Р75
Р65
Р50
Углерод
М76В
М76Т
0,71–0,82
М76ВТ
М76Ц
М74Т
0,69–0,80
М74Ц
М76
0,71–0,82
М74
0,69–0,80
Марганец
Кремний
Фосфор
Сера
0,18–0,40
Не более Не более
0,035
0,045
0,25–0,45
0,75–1,05
Примечания:
1. В обозначении буквы «В», «Т» и «Ц» указывают соответственно повышенное содержание ванадия, титана и циркония.
2. массовая доля ванадия в рельсовой стали колеблется от 0,01 до 0,07 %, титана от 0,005 до 0,025 %, циркония от
0,001 до 0,050 %.
С повышением в стали углерода повышается общая прочность рельсов при изгибе, твердость и
износостойкость. Марганец увеличивает твердость, износостойкость и вязкость рельсовой стали, а
кремний — твердость и износостойкость. Фосфор и сера — вредные примеси. При низких температурах рельсы с большим содержанием фосфора становятся хрупкими, а серы — красноломкими
(при прокате рельсов образуются трещины). Ванадий, титан и цирконий — микролегирующие и
модифицирующие добавки, улучшающие структуру и качество стали.
Макроструктура современной углеродистой рельсовой стали представляет пластинчатый перлит с небольшими прожилками феррита на границах перлитных зерен. Значительная твердость,
сопротивление износу и вязкость углеродистых сталей достигаются приданием им однородной
сорбитной структуры (с помощью специальной термической обработки).
Механические свойства стали для рельсов I и II групп при испытаниях на растяжение должны
соответствовать данным, приведенным в табл. 10.
Таблица 10
Механические свойства рельсовой стали
Марка стали
М76
М74
Временное сопротивление на разрыв, МПа
Относительное удлинение, %
Не менее
90
86
Не менее
4, 0
5,0
Эти данные соответствуют рельсам, изготовленным из мартеновской стали, не закаленным по
всей длине.
Термическая обработка рельсов производится двумя способами: объемная закалка в масле с последующим печным отпуском (ГОСТ 18267-82) либо закалка токами высокой частоты.
Макроструктура закаленного металла головки рельса представляет собой сорбит закалки. Твердость по Бринеллю на поверхности катания головки закаленных рельсов должна быть в пределах
341–388 НВ, шейки и подошвы — не более 388 НВ.
Механические свойства объемнозакаленных рельсов должны характеризоваться величинами не
менее указанных ниже:
• временное сопротивление на разрыв 1200 МПа;
• предел текучести 810 МПа;
• относительное удлинение 6 %;
• относительное сужение 25 %;
• ударная вязкость при 20 0С 0,25 МДж/м2.
Условия эксплуатации рельсов на дорогах Сибири и Дальнего Востока почти вдвое тяжелее, чем в
Европейской части России. Поэтому в настоящее время созданы рельсы низкотемпературной надежности Р65, объемнозакаленные I группы, изготовляемые из ванадий-ниобий-боросодержащей стали с
использованием для легирования азотированных ферросплавов. Для этих рельсов используется электросталь, варка которой производится в дуговых печах.
При температуре минус 60 0С рельсы из электростали выдерживают ударные нагрузки вдвое
большие, чем рельсы из мартеновской стали.
12
1.5.2. Автоматные стали
Автоматные стали хорошо обрабатываются на металлорежущих станках-автоматах за счет повышенного содержания серы и фосфора (оба эти элемента повышают стойкость инструмента), а
также дают ломкую короткую стружку.
Очень эффективным металлургическим приемом является введение в сталь марганца, который
снижает красноломкость, а также серы, селена или теллура, кальция, которые изменяют состав неметаллических включений, а также свинца, который образует собственные включения. В табл. 11 в соответствии с ГОСТ 1414-75 приведен химический состав некоторых автоматных сталей.
Таблица 11
A11
A12
A20
A30
А40Г
АС14
А35Е
0,07–0,15
<0,10
0,8–1,2
0,08–0,16 0,7–1,0 0,15–0,35
0,17–0,24 0,7–1,0 0,15–0,35
0,27–0,35 0,7–1,0 0,15–0,35
0,37–0,45 1,2–1,55 0,15–0,35
0,10–0,17 1,0–1,3
<0,12
0,32–0,40 0,5–0,8 0,17–0,37
Селен Se
Свинец Pb
Фосфор P
Сера S
Кремний Si
Марганец
Mn
Содержание элементов, %
Углерод С
Марка стали
Химический состав автоматных сталей
0,15–0,25
<0,10
–
–
0,8–0,20 0,08–0,15
–
–
0,8–0,15
<0,06
–
–
0,8–0,15
<0,06
–
–
0,18–0,30
<0,05
–
–
0,15–0,20
<0,10
0,15–0,3 0,04
0,06–0,12
<0,035
–
0,10
Добавление в автоматные стали свинца, селена и теллура позволяет в 2–3 раза сократить расход
режущего инструмента. Улучшение обрабатываемости достигается модифицированием кальцием
(вводится в жидкую сталь в виде силикокальция), который глобулизирует сульфидные включения, что
положительно влияет на обрабатываемость, но не так активно, как сера и фосфор. Сера образует
большое количество сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают
смазывающее действие, нарушая при этом сплошность металла. Фосфор повышает хрупкость феррита, облегчая отделение стружки металла во время процесса резания. Оба эти элемента способствуют
уменьшению налипания на режущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой
поверхности. Однако необходимо помнить, что повышение содержания серы и фосфора снижает качество стали. Стали, содержащие серу, имеют ярко выраженную анизотропию механических свойств и
пониженную коррозионную стойкость.
Марки автоматных сталей обозначают буквой А и цифрами, которые указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Легирующие элементы обозначаются следующими
буквами: Г — марганец, Е — селен или теллур, С — свинец.
Пример маркировки автоматной стали:
Сталь А12 — сталь автоматная с содержанием углерода в среднем 0,12 % и повышенным содержанием фосфора;
Сталь АС35 — сталь автоматная с содержанием углерода в среднем 0,35 % и повышенным содержанием свинца.
Стали A11, A12, А20 используют для крепежных деталей и изделий сложной формы, не испытывающих больших нагрузок, но к ним предъявляются высокие требования по точности размеров
и чистоты поверхности. Стали А30 и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения. Свинецсодержащие стали широко применяют для изготовления деталей двигателя. В автоматных селеносодержащих сталях повышается обрабатываемость за счет образования
селенидов, сульфоселенидов, которые обволакивают твердые оксидные включения и тем самым
устраняют их истирающее действие. Кроме того, селениды сохраняют глобулярную форму после
обработки давлением, поэтому практически не вызывают анизотропии свойств и не ухудшают
коррозионную стойкость стали, как сера. Применение этих сталей снижает расход инструмента в
два раза и до 30 % повышает производительность.
1.5.3. Литейные стали
Литейные стали используются в условиях массового производства.
13
Литейные стали производятся в соответствие с ГОСТ 977-88 и маркируются также как и качественные конструкционные стали, но с добавлением буквы «Л» в конце марки. Они содержат до
0,9 % Mn и до 0,52 % Si и не более 0,06 % S и 0.08 % P.
Пример маркировки литейной стали:
Сталь 15Л — сталь литейная с содержанием углерода в среднем 0,15 %.
Стальные отливки часто подвергают нормализации или улучшению, а также поверхностной закалке с нагревом ТВЧ.
С увеличением содержания углерода в литейных сталях их прочность растет, а пластичность и
ударная вязкость снижаются. Например, две крайние по содержанию углерода стали имеют следующие механические характеристики (табл. 12).
Низкоуглеродистые литейные стали применяют для изготовления деталей, подвергающихся
ударным нагрузкам, арматуры, деталей сварно-литых конструкций. Среднеуглеродистые стали
используют для отливки станин и валков прокатных станов, крупных шестерен, зубчатых колес.
Таблица 12
Механические свойства литейных сталей
Марка стали
Предел прочности
σВ, МПа
Условный предел текучести σ0,2, МПа
Относительное удлинение
δ, %
не менее
24
11
Ударная
вязкость
KCU, МДж/м2
15Л
50Л
400
580
200
340
0,5
0,24
1.5.4. Арматурные стали
Для армирования железобетонных конструкций применяют прутки (гладкие и периодического
профиля) и проволоку.
В предварительно напряженной железобетонной конструкции, то есть когда бетон сжат вложенными в конструкцию стальными стержнями, металл испытывает значительные напряжения, и
поэтому в таких конструкциях применяют высокопрочные стальные стержни или высокопрочную
проволоку.
В ненапряженных конструкциях применяют сталь обыкновенного качества, так как сталь не испытывает больших напряжений (СтЗ, Ст5), а в предварительно напряженных конструкциях — среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали в горячекатаном состоянии, а также упрочненные термической обработкой.
Арматурная сталь делится на классы по прочности. В таблице 13 в соответствие с ГОСТ 578182 приведена классификация арматурных сталей.
Маркируется арматурная сталь буквой «А», за которой следует римская цифра, указывающая
класс стали по прочности.
Пример маркировки арматурной стали:
Сталь А-III — сталь арматурная, III класс стали по прочности.
Таблица 13
Условный
предел
текучести
σ0,2, МПа
не менее
235
294
390
585
780
980
1170
1370
Относительное
удлинение δ, %
в термоупрочненном состоянии
372
490
585
880
1030
1170
1370
1560
Марка стали
в горячекатанном состоянии
А-I
А-II
А-III
А-IV
А-V
А-VI
А-VII
A-VIII
Предел
прочности
σВ, МПа
Класс стали
Классификация арматурных сталей
25
19
14
6
6
5
5
4
Ст3
Ст5
35ГС*
80С**
–
–
–
–
–
–
–
Ст5
Ст5; 35ГС
Ст6; 35ГС
45С
45ГС
* — стали с повышенным содержанием марганца (Г) и кремния (С);
** — стали с повышенным содержанием кремния (С).
14
Арматурную сталь классов A-I, A-II и А-III применяют для ненапряженных конструкций, а арматурную сталь более высоких классов — для предварительно напряженных конструкций.
Свойства, соответствующие классу A-IV, могут быть получены в углеродистой стали марки
Ст5 после упрочняющей термической обработки (закалка в воде, и пуск при 400 °С).
Арматуру более высоких классов (A-VI–A-VIII) изготавливают только с применением упрочняющей термической обработки.
При низком содержании углерода (менее 0,26 %) сталь «хорошо сваривается контактной сваркой (при контактной сварке допустимо более высокое содержание углерода, чем при дуговой), при
0,3–0,4 % С сваривается плохо, а при более высокой содержании углерода совсем не сваривается
из-за потери пластичности в околошовной зоне.
Для работы при низких температурах лучше применять стали с более низким содержанием углерода или стали после термической обработки.
Кроме стержней, железобетонные конструкции армируют еще и проволокой. При этом проволока из стали с содержанием углерода 0,6–0,8 % обладает высокой прочностью до 1800 МПа),
приобретаемой благодаря наклепу или термической обработке.
1.5.5. Котельные стали
Сталь для изготовления деталей котлостроения должна выдерживать сравнительно высокие
температуры до 450 0С, а также работать под давлением. Котельные стали поставляются в соответствие с ГОСТ 5520-79 в виде толстых листов.
Маркируется сочетанием цифр, указывающих содержание углерода в сотых доля процента и буквой «К», следующей за цифрами.
Пример маркировки котельной стали:
Сталь 15К — сталь котельная, с содержанием углерода в среднем 0,15 %.
Химический состав котельных сталей приведен в таблице 14, механические свойства в табл. 15.
15
Таблица 13
Химический состав котельных сталей
Сера
Фосфор
0,40–0,70
0,35–0,65
0,45–0,75
0,55–0,85
0,35–0,65
0,40–0,70
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,035
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
не более
0,30 0,30
0,30 0,30
0,30 0,30
0,30 0,30
0,30 0,30
0,30 0,30
Мышьяк
Марганец
0,17–0,37
0,15–0,30
0,17–0,37
0,17–0,37
0,15–0,30
0,17–0,37
Медь
Кремний
0,08–0,16
0,15–0,20
0,12–0,20
0,14–0,22
0,16–0,24
0,08–0,16
Никель
Углерод
12К
15К
16К
18К
20К
22К
Кремний
Марка стали
Содержание элементов, %
0,30
0,30
0,30
0,30
0,30
0,30
0,08
0,08
0,08
0,08
0,08
0,08
Таблица 14
Марка
стали
Механические свойства котельных сталей
12К
15К
16К
18К
20К
22К
Сечение,
мм
Условный
предел текучести σ0,2, МПа
До 20
21–40
41–60
До 20
21–40
41–60
До 20
21–40
41–60
До 20
21–40
41–60
До 20
21–40
41–60
До 60
Св. 60
225
215
205
225
215
205
255
245
235
275
265
255
245
235
225
265
255
Ударная вязкость
KCU, МДж/м2
при температуре после механическо+20 0С
го старения
Предел прочности σВ, МПа
Относительное
удлинение δ, %
350–440
24
78
39
370–480
27
26
25
68
64
59
34
29
29
400–490
22
67
34
430–520
20
59
29
400–510
25
24
23
59
54
49
29
24
24
430–590
22
59
29
Котельные стали марки 12К, 16К, 18К используются для изготовления деталей, частей котлов и сосудов, работающих под давлением при комнатной, повышенной и пониженной температурах.
Стали марок 15К, 20К, 22К применяются для изготовления днищ, фланцев, цельнокованых и
сврных барабанов паровых котлов, полумуфт, патрубков и других деталей, работающих при температуре от -40 до 450 0С под давлением.
1.5.6. Мостовые стали
Мостовая сталь предназначена для изготовления пролетных строений мостовых конструкций.
Поставляется листовая, широкополосная, фасонная и сортовая сталь. В мостостроении допускается использование только спокойной стали.
Сталь изготовляется двух марок:
• М16С — для сварных мостовых конструкций. В маркировке буква «М» показывает, что
сталь мостовая, цифра указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента, буква
«С», что сталь подвергается сварке.
• Ст3мост — для клепанных сварных конструкций. Цифра в марке показывает номер группы
механических свойств стали.
Химический состав мостостроительной стали приведен в табл. 15.
Таблица 15
Химический состав мостовых сталей
Марка стали
16
Содержание элементов, %
М16С
Ст3мост
Углерод
Марганец
Кремний
Сера
Фосфор
0,12–0,20
0,14–0,22
0,4–0,7
0,4–0,7
0,12–0,25
0,15–0,30
0,045
0,050
0,040
0,045
Механические свойства мостовой стали должны быть не менее указанных ниже:
• временное сопротивление на разрыв 380 МПа;
• предел текучести 230–240 МПа;
• относительное удлинение 24–28 %;
• относительное сужение 50 %.
По сравнению с клепанными конструкциями сварные более жесткие, не обладают внутренней податливостью, сглаживающей распределение напряжений, весьма чувствительны к концентрации
напряжений и появлению остаточных напряжений, вследствие чего в них легче возникают трещины.
Поэтому к свариваемой мостовой стали должны предъявляться повышенные требования по качеству в
части ужесточения норм по химическому составу, раскислению, загрязненности неметаллическими
включениями.
Сталь М16С должна дополнительно раскисляться присадкой в ковш алюминия, а содержание в
ней хрома, никеля и меди не должно превышать 0,3 % каждого элемента. Сталь испытывается на
изгиб на 1800 в холодном состоянии и на ударную вязкость при температуре +20 и –20 0С. Сталь
М16С, идущая на изготовление ответственных сварных конструкций, оценивается также на чувствительность к старению. Для этого ударные образцы изготавливают из предварительно холоднодеформированных и отпущенных заготовок. Потеря ударной вязкости после старения должна
составлять не более 50 % исходного значения.
Ударная вязкость мостостроительной стали должна соответствовать следующим величинам:
• при 20 0С 0,8 МДж/м2;
• при -20 0С 0,4 МДж/м2;
• после старения при 20 0С 0,4 МДж/м2.
Предъявляются также высокие требования к качеству проката, в частности на кромках листов и
полос не должно быть расслоение, а заварка и заделка дефектов не допускается.
2. ЧУГУНЫ
Чугун — более дешевый, чем сталь сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода
превышает 2,14 %. Отличается от стали тем, что в структуре образует эвтектику (ледебурит). Чугуны имеет низкую пластичность, обладают пониженной температурой плавления и хорошими
литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей.
Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны широко применяются в машиностроении. Детали машин, полученные из чугунных отливок, значительно дешевле, чем детали, изготовленные обработкой резанием
из горячекатаных стальных профилей или из поковок и штамповок. Хорошая жидкотекучесть чугунов
и их способность к образованию малой усадочной раковины позволяют получать из них достаточно
качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок.
Выплавляют чугун в доменных печах, в которых получают передельные (белые), специальные
(ферросплавы) и литейные (серые) чугуны. Литейные чугуны переплавляют в вагранках или электропечах. В процессе переплавки из чугуна путем окисления удаляется некоторое количество серы
и фосфора.
В химический состав чугуна кроме железа и углерода входят марганец, кремний, сера и фосфор.
В зависимости от формы выделения углерода различают следующие чугуны:
• белый, в котором весь углерод находится в виде цементита Fe3C;
• серый, в котором весь углерод в свободном состоянии имеет форму пластинчатого графита;
• высокопрочный, в котором графит имеет шаровидную (глобулярную) форму;
• ковкий, в котором свободный углерод (графит) имеет форму хлопьев.
17
2.1. Белый чугун
Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом
чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны в зависимости от содержания углерода могут быть доэвтектическими (структура перлит + ледебурит), эвтектическими (структура ледебурит) и заэвтектическими (структура цементит первичный + ледебурит). Эти чугуны имеют
большую твердость (НВ 450–550) из-за присутствия в них большого количества цементита; как следствие этого, они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига.
Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12–30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевина — серого чугуна. Высокая твердость поверхности (вследствие наличия в ней большого количества твердого и хрупкого цементита) такой отливки позволяет ей хорошо работать против
истирания. Эти свойства отбеленного чугуна применяются для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок и многих других деталей, работающих в
условиях износа.
2.2. Серый чугун
Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого
чугуна имеется графит. Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита
(в форме пластин), то и свойства его будут зависеть от этих двух составляющих.
Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами и поэтому в некотором приближении можно считать, что места, которые он занимает, — это пустоты, трещины. Количественное соотношение основы и пустот влияет на механические свойства чугуна, и с увеличением последних свойства резко ухудшаются. Чем более грубы включения графита, тем, следовательно, больше разобщена металлическая основа, что отрицательно сказывается на свойствах чугуна.
При растягивающих напряжениях легко образуются центры разрушения на концах графитных
включений. Значительно лучше ведет себя чугун при напряжениях сжатия и изгибе. Серые чугуны
являются сплавами сложного состава, содержащими железо, углерод, кремний, марганец и неизбежные примеси, такие, как сера и фосфор. Фосфор частично растворяется в феррите (~ 0,3 %) и,
кроме того, входит в тройную эвтектику (Fe-С-Р) с температурой плавления 950 °С; это существенно улучшает литейные свойства чугуна. Эта эвтектика очень твердая и хрупкая, что увеличивает износостойкость, а хорошие литейные свойства используются и в художественном литье.
Сера — вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугунов и повышает склонность к образованию трещин.
Кремний входит в состав серых чугунов (1–3 %) как основной элемент и обладает сильным
графитизирующим действием; увеличивает выделение графита при затвердевании и разложении
выделившегося цементита.
Марганец в количестве 0,2–1,1 % положительно влияет на механические свойства чугуна, но
затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию. Таким образом, можно сказать, что степень графитизации напрямую зависит от количества углерода (2,2–3,7 %) и кремния
(1–3 %) в чугуне.
В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды хром, никель и медь, которые
тоже влияют на условие графитизации. Количество графитных включений и структура основы
влияют на свойства серого чугуна.
По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида:
• серый перлитный со структурой перлит + графит. Количество связанного углерода составляет ~ 0,8 %;
• серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит +графит. Количество связанного
углерода < 0,8 %;
• серый ферритный со структурой феррит + графит. Весь углерод присутствуетв виде графита.
Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и ее количества, формы и размеров графитных включений (пустот).
В соответствие с ГОСТ 1412-95 серый чугун маркируют буквами «Сч» и цифрой, обозначающей временное сопротивление при испытаниях на растяжение (кгс/мм2).
Пример маркировки серого чугуна:
Сч10 — чугун серый, временное сопротивление при испытании на растяжение (предел прочности) σВ = 100 МПа
18
Показателями механических свойств серых чугунов в соответствии с ГОСТ 1412-95 является
прочность при статическом растяжении (табл. 16).
Серый чугун характеризуется низкими механическими свойствами при растяжении, хорошей
жидкотекучестью, легко обрабатывается резанием, обладает хорошими антифрикционными свойствами, гасит вибрации и резонансные колебания, но свариваемость его хуже, чем у углеродистой
стали.
Таблица 16
Механические свойства серых чугунов
Марка чугуна
Временное
сопротивление σВ, МПа
Твердость НВ
Структура
металлической основы
Сч15
Сч25
Сч40
Сч45
150
250
400
450
163 — 229
180 — 250
207 — 285
229 — 289
Феррит
Феррит + перлит
Перлит
Перлит
Графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от деталей в несколько граммов до 100 т и более.
Ферритные серые чугуны марки Сч10, Сч15 используются для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и т.д.
Ферритно-перлитные серые чугуны марки Сч20, Сч25 применяются для деталей, работающих при
повышенных статических и динамических нагрузках: картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины станков и другие отливки разного назначения.
Перлитный чугун применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны. Такие чугуны получают при добавлении в жидкий
чугун перед разливкой специальных добавок — ферросилиция (0,3–0,6 % от массы шихты) или силикокальция (0,3–0,5 % от массы шихты). К таким чугунам относятся Сч40 и Сч45, которые обладают
более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений. Эти
марки чугунов применяются для корпусов насосов, компрессоров и гидроприводов.
Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны,
которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.
2.3. Высокопрочный чугун
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают
путем модифицирования магнием. Магний увеличивает поверхностное натяжение графита с образованием пузырьков пара, в которые диффундирует углерод. После затвердевания графит приобретает
округлую форму. Этот процесс сопровождается сильным возгоранием, поэтому чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля).
После модифицирования чугун имеет следующий химический состав: 3–3,6 % С; 1,8–2,9 % Si;
0,4–0,7 % Мn; 0,02–0,08 % Mg; < 0,15 % Р; < 0,03 % S. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным, феррито-перлитным или перлитным. Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита, а также содержит до 20 % перлита. Перлитный
чугун в основе состоит из сорбитообразного или пластинчатого перлита, шаровидного графита и до
20 % феррита.
Шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, чем пластинчатый
графит, и, следовательно, менее активно влияет на механические свойства металлической основы.
Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокую прочность и при этом некоторую пластичность.
В соответствие с ГОСТ 7293-95 высокопрочный чугун маркируют буквами «Вч» и цифрой,
обозначающей временное сопротивление при испытаниях на растяжение (кгс/мм2).
Пример маркировки высокопрочного чугуна:
Вч45 — чугун высокопрочный, временное сопротивление при испытании на растяжение (предел прочности) σВ = 450 МПа.
Высокопрочный чугун имеет высокую коррозионную стойкость, жаростойкость, хорошие антифрикционные и литейные свойства, достаточную износостойкость, легко обрабатывается резанием.
19
Из высокопрочных чугунов изготовляют ответственные детали: зубчатые колеса, коленчатые валы,
кронштейны, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи, шатуны, тормозные
барабаны, картерные детали, поршневые кольца, подвески рессор, блоки цилиндров и другие детали.
В тяжелом машиностроении из них делают шаботы молотов, детали турбин, прокатные валки; в металлургии — изложницы; в транспортном и сельскохозяйственном машиностроении — прицепные
скобы, шестерни и звездочки, ступицы колес, диски муфт, рычаги и педали, шкивы, зубья борон, стойки корпусов плугов, опорные катки.
Иногда для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок; закалку и отпуск при 500–600 °С, для увеличения пластичности — отжиг, способствующий сфероидезации перлита.
2.4. Ковкий чугун
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму, Их получают в результате специального графитизирующего отжига (томление) доэвтектического белого чугуна.
Графит в таких чугунах называют углеродом отжига.
Химический состав ковкого чугуна: 2,2–3,0 % С; 0,7–1,5 % Si; 0,2–0,6 % Мn; 0,2 % Р; 0,1 % S.
Выплавляют чугун в электропечах, затем разливают в формы и полученные отливки, имеющие
структуру белого чугуна, подвергают длительному отжигу. После отжига свободный углерод имеет
форму хлопьевидного графита. При производстве ковкого чугуна очень важно, чтобы отливки белого
чугуна, подвергаемые отжигу, были тонкостенными. В противном случае в сердцевине при кристаллизации будет выделяться пластинчатый графит и чугун станет непригодным для отжига.
По структуре металлической основы после отжига ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.
Излом чугуна, структура которого после отжига состоит из феррита и графита, будет темным,
такой чугун называют черносердечным. Если в структуре чугуна в результате быстрого охлаждения сохранится перлит, чугун называют светлосердечным.
Согласно ГОСТ 1215-95 ковкий чугун обозначают буквами «Кч» и двумя цифрами, из которых
первая означает минимальный предел прочности (кгс/мм2), а вторая — минимальное относительное удлинение в процентах.
Пример маркировки ковкого чугуна:
Кч33-8 — чугун ковкий, временное сопротивление при испытании на растяжение (предел
прочности) σВ = 330 МПа, относительное удлинение δ = 8 %.
Полное отсутствие литейных напряжений, которые снимаются за счет длительного отжига, и
разобщенность графитовых включений обусловливают высокие механические свойства ковких
чугунов.
В табл. 17 представлены свойства некоторых ковких чугунов.
Таблица 17
Механические свойства ковких чугунов
Марка
чугуна
Кч30-6
Кч37-12
Кч60-3
Кч80-1,5
Временное
сопротивление
σВ, МПа
300
370
600
800
Относительное
удлинение δ, %
Твердость
НВ
6
12
3
1,5
100–163
110–163
200–269
270–320
Структура
металлической основы
Феррит + 3–10 % перлита
Перлит + 0–20 % феррита
Из таблицы видно, что перлитные чугуны более прочные, а ферритные — более пластичные.
Ковкий чугун идет на изготовление деталей высокой прочности, которые подвержены сильному истиранию и ударным знакопеременным нагрузкам.
Отливки из ковкого чугуна применяют в сельскохозяйственном машиностроении (шестерни, рычаги, звенья цепей, звездочки, храповики, ступицы); в автомобиле- и тракторостроении (задние мосты,
ступицы, тормозные колодки, картеры дифференциалов, детали рулевого управления, рычаги, катки,
втулки); вагоно- и судостроении (кронштейны, детали тормозной системы, сцепки, подшипники); в
электропромышленности и станкостроении; текстильном машиностроении; для изготовления строительного оборудования.
Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготавливать детали водо- и газопроводных установок.
20
К недостаткам ковкого чугуна можно отнести высокую стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.
3. ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ
Студенты получают у преподавателя карточки с вариантами марок углеродистых сталей и чугунов.
В течение установленного времени студентам необходимо выполнить следующие задания:
1. Определить вид материала (сталь или чугун).
2. Для сталей:
• определить тип стали в системе классификации;
• дать расшифровку всех букв и цифр, из которых состоит марка стали;
• в соответствие с диаграммой «Железо – углерод» привести структуру стали;
• указать область применения каждой марки стали.
3. Для чугунов:
• определить вид чугуна
• дать расшифровку всех букв и цифр, из которых состоит марка чугуна;
• определить вид графитных включений в чугуне;
• указать область применения каждой марки чугуна.
В конце занятия студент отвечает на вопросы преподавателя по теме «Классификация и маркировка углеродистых сталей и чугунов».
4. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какие основные примеси и в каком количестве входят в состав углеродистых сталей?
2. Почему сера и фосфор считаются вредными примесями?
3. Как подразделяется углеродистая сталь по назначению?
4. Чем различаются свойства при одинаковом содержании углерода стали обыкновенного качества, качественной и высококачественной?
5. Укажите содержание углерода, структуру и свойства конструкционных сталей.
6. Укажите содержание углерода, свойства и структуру инструментальных сталей.
7. Сравните свойства инструментальных и конструкционных сталей и приведите области, в которых они
применяются.
8. Приведите примеры специальных сталей и укажите область их применения.
9. Сравните структурные составы стали и чугуна в зависимости от содержания углерода.
10. От чего зависит прочность чугунов с графитом? В какой форме графит может присутствовать в чугунах?
11. Какая форма графита обеспечивает наиболее высокие механические свойства чугуна?
12. В чем сущность модифицирования чугунов? Для чего его проводят?
Рекомендуемая литература
1. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. М.: Металлургия, 1986. 544 с.
2. Материаловедение: Учебник для втузов / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. 2-е изд., испр. и доп. М.:
Машиностроение, 1986. 384 с.
3. Материаловедение и технология металлов: Учебник для вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. 2-е изд.,
испр. М.: Высшая школа, 2002. 637 с.
4. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 480 с.
Содержание
Введение ..................................................................................................................... 3
1. Углеродистые стали .............................................................................................. 5
1.1. Классификация углеродистых сталей .......................................................... 5
1.2. Стали обыкновенного качества .................................................................... 6
1.3. Углеродистые качественные конструкционные стали ............................... 9
1.4. Углеродистые инструментальные стали .................................................... 10
1.5. Специальные стали ...................................................................................... 11
1.5.1. Рельсовая сталь .................................................................................... 11
1.5.2. Автоматные стали ................................................................................ 13
1.5.3. Литейные стали .................................................................................... 13
1.5.4. Арматурные стали ................................................................................ 14
1.5.5. Котельные стали................................................................................... 15
1.5.6. Мостовые стали .................................................................................... 16
2. Чугуны .................................................................................................................. 17
2.1. Белый чугун.................................................................................................. 18
21
2.2. Серый чугун ................................................................................................. 18
2.3. Высокопрочный чугун ................................................................................ 19
2.4. Ковкий чугун ............................................................................................... 20
3. План выполнения практического занятия ......................................................... 21
4. Вопросы для самоконтроля ................................................................................ 21
Рекомендуемая литература ................................................................................ 21
22
Учебное издание
Тихомирова Людмила Борисовна
Болотова Ольга Викторовна
Классификация и маркировка
углеродистых сталей и чугунов
Методические указания
к практическому занятию
Редактор П.В. Грес
Компьютерная верстка А.С. Петренко
Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98
Подписано в печать 03.09.2007
2,0 печ. л., 2,0 уч.-изд. л. Тираж 300 экз. Заказ № 1803
Издательство Сибирского государственного
университета путей сообщения
630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191
Тел./факс: (383) 328-03-81. E-mail: press@stu.ru
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
11
Размер файла
317 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа