Высокопрочный (модифицированный) чугун

Высокопрочный чугун – это чугун, имеющий графитные включения шаровидной или близкой к ней формы.

Зернистость металлической основы (матрицы) оказывает очень серьезное влияние на механические свойства чугуна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства.

 

Рис. 10. Графит шаровидной формы

 

Если в расплавленный чугун ввести мелкие тугоплавкие частицы других металлов (модификаторы), то они послужат дополнительными центрами кристаллизации. В результате в одном и том же объеме чугуна количество зерен будет возрастать, а их размер уменьшаться. Масса модификаторов составляет всего 0,1-0,3 % от массы чугуна.

При этом химический состав практически не меняется, а механические свойства улучшаются. Такой чугун называется высокопрочным (модифицированным). В качестве модификаторов используется магний или церий.

Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, поэтому прочностные качества этих чугунов наиболее высокие (не уступают конструкционным закаленным сталям), но пластичность ниже, чем у стали и ковкого чугуна.

Высокопрочные чугуны используются в основном для получения массивных отливок.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке.

При объёмной непрерывной закалке чугун медленно нагревают до температуры на 40-60 ^оС выше линии S–K на диаграмме состояния железо-углерод (рис. 22). Обычно, это соответствует температуре 850-930 ^оС, в результате получается структура аустенита и графита. Затем дают выдержку для прогрева и насыщения аустенита углеродом; выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, например, 10-15 мин для перлитных чугунов и до 1,5-2 часов для ферритных чугунов. Отливки простой конфигурации охлаждают в воде, а сложной – в масле. После закалки при оптимальной температуре и выдержке, обеспечивающей достаточное растворение углерода в аустените, в ферритном чугуне получается мартенситная структура с максимальной твёрдостью 55…60 HRС. В чугунах высокопрочных, аустенит которых обладает пониженной критической скоростью закалки, твёрдость после закалки достигает 60…62 HRC. Прочность после закалки понижается. Прокаливаемость высокопрочного чугуна выше прокаливаемости серого чугуна. После закалки чугун подвергают низкому отпуску для снятия части внутренних напряжений или высокому отпуску с получением сорбитной или троостосорбитной структуры.

Наиболее часто высокопрочный чугун применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства бесшовных труб, используемых в водо-, газо- и нефтепроводах.

Механические свойства и химический состав серого СЧ (по ГОСТ 1412-85), ковкого КЧ (по ГОСТ 1215-79) и высокопрочного ВЧ (по ГОСТ 7293-85) чугунов приведены в табл. 4 и 5.

 

Таблица 4. Свойства и назначение чугунов

Марка чугуна	Предел прочности, МПа (кгс/мм^2), при	Относительное удлинение δ, %	Твердость, НВ	Назначение
растяжении sВ	изгибе sи
СЧ 15	147 (15)	314 (32)		163-229	Неответств. детали (крышки, шкивы)
СЧ 18	176 (18)	358 (36)		170-241	Станины станков и механизмов, поршни, цилиндры
СЧ 20	196 (20)	392 (40)		170-241
СЧ 25	245 (25)	451 (45)		180-250	Детали, работающие на износ: тормозные барабаны, цилиндры
СЧ 30	294 (30)	490 (50)		181-255
КЧ 35-10	333 (35)	-		100-163	Фланцы, муфты, задний мост, картер, ступицы
КЧ 37-12	362 (37)	-		110-163
КЧ 45-7	441 (45)	-		150-207
ВЧ 50	500 (50)	-		153-245	Цилиндры, шестерни, поршни

Таблица 5. Химический состав чугунов

Чугун	Массовые доли элементов, %
С	Si	Mn	P	S	Другие элементы
Не более
СЧ 15	3,5-3,7	2,0-2,4	0,5-0,8	0,2	0,15	-
СЧ 18	3,4-3,6	1,9-2,3	0,5-0,7	0,2	0,15	-
СЧ 20	3,3-3,5	1,4-2,4	0,7-1,0	0,2	0,15	-
СЧ 25	3,2-3,4	1,4-2,2	0,7-1,0	0,2	0,15	-
СЧ 30	3,0-3,2	1,3-1,9	0,7-1,0	0,2	0,12	Cr0,06
КЧ 35-10	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-0,6	0,12	0,20	Cr0,06
КЧ 37-12	2,4-2,7	1,2-1,4	0,2-0,4	0,12	0,06	Cr0,08
КЧ 45-7	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,1	0,2	Cr0,15
ВЧ 50	3,0-3,3	2,2-2,6	0,3-0,7	0,1	0,02	Ni0,6
ВЧ 80	3,2-3,6	2,6-2,9	0,4-0,7	0,1	0,01	Cu0,6

Медные сплавы

В машиностроении чистая медь не используется вследствие малой прочности (250-300 МПа). Сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием, бериллием имеют прочность 300-600 МПа и широко используются в различных областях промышленности.

Основные преимущества медных сплавов: низкий коэффициент трения, высокая пластичность, стойкость против коррозии, хорошая электропроводность.

Наибольшее распространение получили два вида медных сплавов.

1. Латунь

Латунью называют сплав меди с цинком (мас. доля Zn до 38 %). Латунь с массовой долей цинка от 5 до 20 % называется красной (томпаком), с массовой долей цинка 20-36 % – желтой. На практике редко используют латуни, в которых массовая доля цинка превышает 45 %.

Цинк дешевле меди, поэтому его введение в сплав одновременно с повышением механических, технологических и антифрикционных свойств, приводит к снижению стоимости – латунь дешевле меди. Электропроводность и теплопроводность латуни ниже, чем меди.

Коррозионная стойкость латуни в атмосферных условиях оказывается средней между стойкостью элементов, образующих сплав, т.е. цинка и меди. Латунь, с массовой долей цинка более 20 %, склонна к растрескиванию при вылеживании во влажной атмосфере (особенно, если присутствуют следы аммиака). Этот эффект часто называют «сезонное растрескивание». Наиболее заметен он в деформированных изделиях, поскольку коррозия распространяется по границам зерен. Для устранения этого явления после деформации латунь подвергают отжигу при температуре 240-260 °C.

Латунь имеет хорошую жидкотекучесть, т.е. способность свободно растекаться в литейной форме, заполняя и точно воспроизводя все ее контуры.

Латунь пластична, коррозионно-стойкая, хорошо обрабатывается давлением и резанием, обладает следующими механическими свойствами: предел прочности s_В до 750 МПа, относительное удлинение δ до 50 %, модуль упругости Е = 0,1 10⁵ МПа.

Латунь поставляется в прокате и поковках (по ГОСТ 15527-2004). Этот материал обладает высокими технологическими свойствами и применяется в производстве различных мелких деталей, особенно там, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Латунь легко поддается пластической деформации: основное ее количество идет на изготовление катаных полуфабрикатов – листов, полос, лент, проволоки.

Латунь обозначаются следующим образом: первая буква Л в марке означает «латунь». Буквы, следующие за ней, означают: А – алюминий, Б – бериллий, Ж – железо, К – кремний, Мц – марганец, Н – никель, О – олово, С – свинец, Ц – цинк, Ф – фосфор. Первые две цифры после букв указывают содержание основного компонента – меди. Остальные цифры, отделяемые друг от друга через тире, указывают среднее содержание легирующих элементов. Цифры расположены в том же порядке, что и буквы. Таким образом, содержаниецинка в марке латуни не указывается и определяется по разности.

Например, Л68 означает латунь с массовой долей меди 68 %, которая не имеет других легирующих элементов, кроме цинка (Zn – 32 %). ЛАЖ 60-1-1 означает латунь с массовой долей меди 60 % и легированную алюминием (1 %) и железом (1 %), остальное – цинк (38 %).

Двухкомпонентная латунь («простая») состоит только из меди, цинка и, в незначительных количествах, примесей.

Для двухкомпонентной латуни особое значение имеет фазовый состав сплава. Предел растворимости цинка в меди при комнатной температуре равен 39 %. При повышении температуры он снижается и при 905 °C становится равным 32 %. По этой причине латуни с массовой долей цинка менее 39 %, имеют однофазную структуру (α-фаза) твердого раствора цинка в меди. Их называют α-латунями. Если в расплав ввести больше цинка, то он не сможет полностью раствориться в меди, и после затвердевания возникнет вторая фаза – β-фаза, которая очень хрупка и тверда. Поэтому двухфазные латуни имеют более высокую прочность и меньшую пластичность, чем однофазные.

При увеличении массовой доли цинка до 30 % возрастают одновременно и прочность, и пластичность. Затем пластичность уменьшается, вначале за счет усложнения твердого раствора, затем происходит резкое ее понижение, так как в структуре сплава появляется хрупкая β-фаза. Прочность увеличивается до массовой доли цинка около 45 %, а затем уменьшается так же резко, как и пластичность.

Многокомпонентная латунь («специальная») – кроме меди и цинка содержит дополнительные легирующие элементы.

Количество марок многокомпонентных латуней больше, чем двухкомпонентных. Наименование специальной латуни отражает ее состав. Так, если она легирована железом и марганцем, то ее называют «Железомарганцевой», если алюминием – «Алюминиевой» и т.д.

Бронза

Бронзой называется сплав меди с другими металлами кроме цинка (чаше всего с оловом).

Этот материал имеет отличные литейные свойства и издревле применяется для изготовления литых изделий (украшений, посуды, пушек, колоколов и т.д.).

Бронза также обладает малым коэффициентом трения и устойчивостью к износу. Из нее изготавливают вкладыши подшипников скольжения, червяки и червячные колеса, шестерни, втулки и другие детали ответственных и точных узлов и механизмов.

Бронзу маркируют буквами Бр., затем ставят буквенные обозначения элементов, входящих в сплав (обозначения такие же, как для латуни). Цифры, стоящие за буквами, означают массовые доли в процентах этих элементов (обозначения такие же, как для латуни). Массовая доля меди не указывается, то есть – это все остальное.

Например, обозначение Бр.ОЦ 4-3 указывает, что в бронзе содержатся (массовые доли): олово – 4 %, цинк – 3 %, медь – остальное.

Бронза Бр.АЖН 10-4-4 включает в себя: алюминий – 10 %, железо – 4 %, никель – 4 %, медь – остальное.

Бронза Бр.КМц 3-1 включает в себя: кремний – 3 %, марганец – 1 %, медь – остальное.

Промышленность выпускает четыре группы бронз.

Оловянная бронза. Поставляется в катаном состоянии (ГОСТ 5017-2006) или в литых чушках (ГОСТ 614-97).

Прочность s_В ≥ 400 МПа, относительное удлинение δ = 30-45 %, модуль упругости Е = 1,1 10⁵ МПа. Обладает высокими литейными свойствами, коэффициент усадки самый маленький: ниже, чем у чугуна.

Однофазные и двухфазные бронзы превосходят латуни в прочности и сопротивлении коррозии (особенно в морской воде).

Однофазная бронза в катаном состоянии, особенно после значительной холодной пластической деформации, имеет повышенные прочностные и упругие свойства (>40 Н/мм²).

Для двухфазной бронзы характерна более высокая износостойкость.

Важное преимущество двухфазных оловянных бронз – высокие литейные свойства. Бронзы обладают наиболее низким коэффициентом усадки по сравнению с другими металлами, в том числе чугунами.

Применяют для изготовления литых деталей сложной формы. Но отливки из этой бронзы имеют недостаток – микропористость, т.е. они не подходят для деталей, работающих под давлением.

Из-за высокой стоимости олова всё чаще используют бронзы, в которых часть олова заменена цинком или свинцом, например, Бр.ОЦ 10-2.

Из оловянных бронз изготавливают мембраны, шестерни, втулки, подшипники.

Алюминиевая бронза. Эта бронза все шире заменяет оловянную бронзу. Она имеет наибольшую пластичность (δ до 60 %) и весьма хорошую прочность (s_В до 550-600 МПа).

Литейные свойства этого материала хуже и коэффициент усадки больше, чем у оловянной бронзы, но алюминиевая бронза не имеют пористости. Ее используют для получения листов, штамповок и отливок, а также для изготовления лент, полос, пружин, втулок, котельной и сантехнической арматуры.

Пример обозначения алюминиевой бронзы: Бр. АЖ 9-4.

Кремнистая бронза. Имеет ограниченное применение: в основном для арматуры и труб, работающих в щелочных средах, морских и сточных водах.

Пример обозначения: Бр. КН 1-3.

Бериллиевая бронза. Обладает очень высокой прочностью (s_В до 1200 МПа), коррозионной стойкостью, электропроводностью. Все эти качества бериллиевая бронза получает после закалки и старения. Это единственный из медных сплавов, подвергающийся термообработке.

Стоимость бериллиевой бронзы очень высока. Она используются для изготовления особо ответственных пружин, мембран, контактов.

Пример обозначения: Бр. Б 2.

 

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы – это одни из самых легких конструкционных материалов, примерно в три раза легче стали. При этом они практически в три раза уступают сталям по модулю упругости (Е = 0,7·10⁵ МПа), то есть по жесткости.

Пластичность алюминиевых сплавов очень хорошая (относительное удлинение δ достигает 40 %), что позволяет их обрабатывать как в горячем, так и в холодном состоянии. Твердость и износостойкость ниже, чем у стали.

Алюминиевые сплавы делят на две группы: деформируемые – позволяющие обрабатывать их прокаткой, штамповкой, прессованием, и литейные.

Деформируемые сплавы

Из группы деформируемых алюминиевых сплавов наиболее известны дуралюмины: классический дуралюмин Д1, дуралюмин повышенной прочности Д16, дуралюмин повышенной пластичности В65.

Прочность дуралюмину придают три основных компонента: медь, магний и марганец.

Для повышения механических свойств дуралюмины подвергают закалке при температуре 500-525 °С с последующим естественным старением в течение четырех суток.

Деформируемые алюминиевые сплавы предназначены для изготовления листов, профилей, прутков, труб, штамповок и поковок.

Применяются в авиастроительной, пищевой и химической промышленности.

Литейные сплавы

Эти сплавы принято маркировать двумя буквами АК. В соответствии со стандартами они делятся на пять групп:

Группа 1 – сплавы на основе системы «алюминий – кремний». Эти сплавы называют силуминами. Они обладают высокими литейными свойствами, то есть хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Устойчивы к коррозии.

Недостаток – невысокие механические свойства (предел прочности s_в до 200-250 МПа, относительное удлинение δ = 2-3 %). Силумины используют для деталей сложной формы, не воспринимающих большие нагрузки.

Группа 2 – сплавы на основе системы «алюминий – кремний – медь».

Группа 3 – сплавы на основе системы «алюминий – медь».

Группа 4 – сплавы на основе системы «алюминий – магний». Медь и магний придают сплавам повышенные механические свойства и коррозионную стойкость. Тем не менее, их литейные свойства хуже, чем у силуминов.

Группа 5 – сплавы на основе алюминия и ряда компонентов (никеля, магния, меди, марганца, цинка, титана и др.).

Химический состав и механические свойства литейных сплавов приведены в табл. 6 [2, с. 268].

 

Таблица 6. Химический состав и физические свойства алюминиевых сплавов

Сплав	Химический состав, %	sв, МПа	δ, %
Cu	Mg	Mn	Другие элементы
Деформируемые сплавы
Д1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,9	Zn до 0,3	360-410
Д16	3,8-4,9	1,2-1,8	0,3-0,8	Si до 0,5	450-480	До 19
В65	1,4-2,0	1,8-2,8	0,2-0,6	Zn до 7,0	570-600
Литейные сплавы
АК12	-	0,01-0.05	0.1 - 0,5	Si 10-13	160-190	2-6
АК9	-	0,2-0,35	0,2-0,5	Si 8 - 10,5	260-290	2-4
АК5М2	1,5-3,5	0,2-0,85	0,2-0,8	Si 4 - 6	250-270	1-1,5
АК5М	1,0-1,5	0,4-0,65	-	Si 4,5 - 5,5	250-310	1,9
АМг10ч	-	9,5-10,5	-	Ве до 0,15	310-320	10-11
АМ5	4,5-5,3	-	0,6 - 1,0	Ti до 0,3	300-320	10-12
АМг11	-	10,5-13,0	-	Ti до 0,15

Прочность большинства литейных сплавов достигается термообработкой, например, такой как закалка при температуре (535±5) °С и последующее старение в течение 10-15 часов.

 

Твердые сплавы

Твердые сплавы представляют собой спеченные гетерогенные материалы, состоящие из зерен высокотвердых тугоплавких соединений, сцементованных пластичным металлом – связкой.

В качестве тугоплавкой фазы твердых сплавов используются карбиды вольфрама W₂C, титана TiC и тантала ТаС. В качестве связки используются кобальт Со и никель Ni.

Сравнительные значения механических показателей твердых сплавов и быстрорежущих сталей приведены в табл. 7, из которой видно, что твердые сплавы превосходят быстрорежущие стали по всем показателям, кроме прочности при изгибе, то есть эти материалы высокотвердые, но хрупкие. Их используют только в условиях малых механических и полного отсутствия ударных нагрузок. Шероховатость поверхности после обработки твердыми сплавами значительно ниже, чем после обработки быстрорежущими сталями.

Твердые сплавы невозможно обрабатывать резанием вследствие их высокой твердости.

 

Таблица 7. Механические показатели твердых сплавов и быстрорежущих сталей

Инструментальный материал	Твердость HRA	Теплостойкость, °С	Модуль упругости Е, МПа	Прочность при изгибе sизг, МПа
Твердые сплавы	87-92	900-1000	(5-6)· 10^5	900-2000
Быстрорежущие стали	85-87	620-720	2·10^5	2200-3500

 

Твердые сплавы изготавливают прессованием и спеканием методом порошковой металлургии. Применяют в виде пластинок, припаиваемых или механически прикрепляемых к режущему инструменту, а также в виде инструментов простой формы (например, коротких сверл).

В соответствии с ГОСТ 3882–74 металлокерамические твердые сплавы делятся на три группы: вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые (табл. 8).

Области применения твердых сплавов для обработки резанием:

Т5К10 – черновое точение, строгание и фрезерование при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, другие виды обработки углеродистых и легированных сталей преимущественно в виде поковок, штамповок и отливок по корке и окалине.

Т15К6 – получерновое и чистовое точение, фрезерование, растачивание, зенкерование и развертывание углеродистых и легированных сталей.

Таблица 8. Химический состав и механические свойства