Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 4 страница

 

го чугуна (П + Ц) характерны повышенные твердость и хрупкость, поэтому отливки данного чугуна склонны к холодным трещинам.

Линейная усадка отливки белого чугуна составляет 1,6...2,3 %. При графитизирующем отжиге отливки белого чугуна «растут» (увеличиваются в объеме из-за выделения графита из цементита) примерно на 2,0 %. Поэтому чаще всего линейная усадка, прини­маемая при проектировании модельно-стержневой оснастки, со­ставляет максимум 0,5 %. В некоторых случаях для предупрежде­ния появления плюсовых систематических отклонений ее прини­мают равной нулю или даже отрицательной, особенно при ис­пользовании низкопрочных смесей.

Результатом газонасыщения является присутствие в твердом растворе азота, который сильно стабилизирует цементит. При модифицировании бором азот связывается в нитрид бора (BN), и длительность графитизирующего отжига, как уже было отмечено, сокращается более чем в два раза. С ликвацией в белых чугунах, как и в других чугунах, проблем не возникает. В отличие от других чугунов ковкий чугун (особенно с ферритной матрицей) отлича­ется однородностью свойств по сечению отливки.

5.6. Легированные чугуны

По условиям эксплуатации чугуны должны обладать не только определенной прочностью, но и рядом специальных свойств: жаростойкостью, жаропрочностью, износостойкостью, коррози­онной стойкостью и др. Эти свойства обеспечиваются легирова­нием одним или несколькими элементами. По составу чугунам присваиваются названия именно по легирующему элементу: хро­мистые, никелевые, кремниевые, алюминиевые, марганцевые, ванадиевые.

Буквы в марках легированных чугунов обозначают: Ч - чугун; X - хром; Н - никель; Т - титан; С - кремний; Г - марганец; М - молибден; Д - медь; Ю - алюминий; П - фосфор; Ш - шаровидный; И - износостойкий; Ж - жаростойкий.

Хромистые чугуны предназначены для изготовления жаро­стойких, коррозионно-стойких и износостойких отливок. Содер­жание хрома в жаростойких чугунах колеблется от 1,0 до 32 % (чу­гуны ЖЧХ1 ...ЖЧХЗО). Предельная рабочая температура для хро­мистых чугунов с содержанием 13... 16% Сг составляет 900°С, для чугунов с 20...30% Сr - 1200°С.

Хромистые чугуны ЧХ34 обладают высокой коррозионной стой­костью в растворах различных солей и кислот.

Износостойкость хромистых чугунов повышается дополнитель­ным легированием никелем, титаном, молибденом (ИЧХ2Н4, ИЧХЗТД, ИЧХ15М2).

Хромистые чугуны имеют большую линейную (2,0...2,5%) и объемную (до 7%) усадку, склонны к горячим и холодным тре­щинам.

Никелевые чугуны с 0,5... 1,5 % Ni имеют перлито-цемен- титную матрицу, относятся к конструкционным материалам и ис­пользуются для изготовления деталей, работающих в условиях изнашивания в агрессивной газовой среде: поршневые кольца (ЧНХТ, ЧН1ХД), цилиндры тепловозных и судовых двигателей, зубчатые колеса (ЧН2Х).

Чугуны, содержащие 10...20% Ni, имеют аустенито-карбид- ную матрицу. Наиболее распространенными являются чугуны ЧН15ДЗШ (нирезист), ЧН20Д2Ш (никросилал). Никелевые чугу­ны характеризуются высокой коррозионной стойкостью в раство­рах солей, щелочей; обладают высокими прочностью и пластич­ностью. Графит в них, как правило, шаровидной формы.

Литейные свойства никелевых чугунов с высоким содержани­ем никеля такие же, как и высоколегированных сталей: высокая склонность к усадочным дефектам, к горячим и холодным тре­щинам, к образованию плен и неметаллических включений.

В марганцевых чугунах, содержащих 5...6 % Мп, при обыч­ных скоростях охлаждения структура формируется мартенситной, при 9... 10 % Мп структура состоит преимущественно из аустени- та и карбидов, графит в них может быть пластинчатый и шаро­видный.

Марганцевые чугуны применяются, главным образом, как ан­тифрикционные и немагнитные материалы. Марганцевый аусте­нит склонен к наклепу, по сравнению с никелевым хуже обраба­тывается, поэтому припуски на обработку должны быть мини­мальными.

Марганцевые чугуны имеют также низкие литейные свойства.

Алю миниевые чугуны используются главным образом как жаростойкий и износостойкий материал. Низколегированные чу­гуны с содержанием около 1 % А1 имеют перлито-ферритную мат­рицу с включениями шаровидного графита (ЧЮХШ). Среднеле- гированные чугуны содержат 5...9% AL, имеют ферритную мат­рицу с растворенным алюминием и включениями перлита, гра­фита и карбида железа. Высоколегированные алюминиевые чугу­ны содержат 20...30 % А1 (ЖЧЮ22Ш - чугаль; ЖЧЮ30 - пирофераль), имеют ферритную матрицу с включениями графита и карбидов. Для чугаля характерна высокая стойкость против раство­рения в расплавах алюминия, пирофераль имеет высокую износо­стойкость. Предельная рабочая температура этих сплавов 1100 °С. Алюминиевые чугуны имеют низкие литейные свойства.

Кремниевые чугуны являются окалино- и коррозионно-стой­кими. При содержании 5...6% Si (ЖЧС5) они в литом состоянии имеют ферритную матрицу и называются «силалом». При переходе к шаровидному графиту (ЖЧС5Ш) названные выше свойства повы­шаются как в воздушной среде, так и в среде генераторного газа.

В химическом машиностроении широкое применение получи­ли сплавы ЧС13, ЧС15, ЧС17 (ферросилиды), обладающие высо­кой коррозионной стойкостью во многих кислотах, кроме соля­ной. Для повышения стойкости в этой и других кислотах в ферро­силиды вводят 4,0 % Мо (ЧС15М4, ЧС17МЗ) и называют эти спла­вы «антихлорами».

Силалы имеют литейные свойства, близкие к литейным свой­ствам серых чугунов, особенно когда графит пластинчатый и эв­тектический химический состав.

Свободная линейная усадка ферросилидов составляет 1,2... 2,6 %. У антихлора она также около 2,2 %. Вместе с тем антихлор имеет большую склонность к образованию концентрированных усадоч­ных раковин по сравнению с ферросилидом.

Отливки из ЖЧС5Ш подвергают термической обработке для снятия напряжений. Отливки из ферросилида и антихлора очень хрупкие и требуют осторожного обращения при механической обработке, монтаже и транспортировке.

5.7. Синтетический чугун

Производство синтетического чугуна заключается в выплавке его из стальных отходов без использования литейных или передельных доменных чугунов с соответствующим науглероживанием (источ­ники углерода — электродный бой, кокс, графитизированный по­рошок, каменный уголь и т.п.). Синтетический чугун отличается низким содержанием серы (0,015...0,03 %), фосфора (0,02...0,04 %), Н2, 02, N2 и других примесей и неметаллических включений.

Синтетическим может быть чугун любой структурной группы: серый, высокопрочный, с вермикулярным графитом, ковкий и бе­лый. При этом расход модификатора для синтетического чугуна на 0,1... 0,2 % должен быть больше. Размер включений графита в синте­тическом сером чугуне меньше, перлит более дисперсный, что обус­ловливает его более высокие механические свойства. Получение син­тетического чугуна высоких марок СЧЗО, СЧ35 заметно облегчается.

При производстве синтетического ковкого чугуна из-за низко­го содержания фосфора наблюдается соответствующее увеличе­ние пластичности. Вместе с тем заметно некоторое увеличение длительности отжига.

При производстве синтетического высокопрочного чугуна на­блюдается более стабильное воздействие модификатора.

От обычных синтетические чугуны отличаются и по литейным свойствам: меньшая жидкотекучесть, большая склонность к отбе- лу и образованию междендритного графита, повышенная склон­ность к холодным трещинам. Однако герметичность отливок син­тетического чугуна выше, чем отливок обычного чугуна.

5.8. Литейные стали

В отличие от чугунов стали могут быть деформируемыми и ли­тейными. Литейные стали, как правило, отличаются от дефор­мируемых пониженными механическими и пластическими свой­ствами, что связано с формированием в литом состоянии порис­тости (усадочной, газоусадочной и газовой). Плотность деформи­руемых сталей, изначально полученных также в литом состоянии, повышается после деформации. При маркировке литых сталей обязательно ставится буква Л (литейная, литая).

Следует также отметить, что в отличие от серых, ковких и вы­сокопрочных чугунов литейные стали обладают более высокими пластичностью и комплексом соответствующих физических и хи­мических свойств. По сравнению с чугунными отливками произ­водство стальных отливок характеризуется значительно меньши­ми масштабами, что связано, главным образом, с более высокой (примерно на 300 °С) температурой плавления.

По химическому составу литейные стали подразделяют на уг­леродистые (0,12...0,6% С) и легированные.

Углеродистые литейные стали. Маркировка литейных углероди­стых сталей, химический состав и механические свойства по ГОСТ 977-88 приведены в табл. 5.8. Отливки из углеродистой стали под­разделяют на три группы.

Обязательным браковочным признаком для отливок первой группы (общего назначения) является содержание углерода, серы и фосфора, а также внешний вид и точность размеров. Содержа­ние марганца (0,45...0,9 %) и кремния (0,2...0,52 %) рассматри­вается как факультативное.

Отливки второй группы (ответственного назначения) контро­лируются, кроме-того, по прочности (ав и ат) и относительному удлинению 5.

Отливки третьей группы (особо ответственного назначения) контролируются дополнительно по ударной вязкости KCU.

В число контролируемых параметров могут быть также включе­ны микроструктура, пористость, герметичность и другие характе­ристики.

Содержание серы и фосфора ограничивается в пределах соот­ветственно 0,040...0,06 % S и 0,04...0,06 % Р в зависимости от груп­пы и способа плавки: с основной или кислой футеровкой.

В литом состоянии структура углеродистых литейных сталей ха­рактеризуется крупным зерном: перлит с крупными пластинками

Таблица 5.8 Марки, содержание углерода и механические свойства литейных углеродистых сталей по ГОСТ 977-88
Марка сплава С, мае. % Механические свойства, не менее
Нормализация + отпуск Закалка + отпуск
Н/мм2 ат, Н/мм2 5,% кси, кДж/м2 Н/мм2 5,%
15Л 0,12...0,20 0,50
25Л 0,22...0,30 0,40
ЗОЛ 0,27...0,35 0,35
35Л 0,32...0,40 0,35
45 Л 0,42...0,50 0,30
55Л 0,52...0,60 0,25

феррита и называется «видманштедтовой». Она практически в обя­зательном порядке исправляется термической обработкой - от­жигом, нормализацией, закалкой или их комбинациями. В резуль­тате образуются равноосные мелкие ферритные и перлитные зер­на. Кроме того, в процессе отжига при 600...650°С попутно сни­маются остаточные литейные и появившиеся закалочные напря­жения.

Особенности литейных свойств углеродистых сталей. Литейные свойства углеродистых сталей значительно хуже литейных свойств чугуна и других сплавов. Низкая жидкотекучесть сталей объясня­ется, главным образом, самой высокой (кроме титановых спла­вов) температурой ликвидуса и соответственно низкой темпера­турой заливки. Суммарная объемная усадка затвердевания и усад­ка в жидком состоянии составляет 6,0 %. Поэтому стальные отлив­ки, как и отливки всех других сплавов, кроме чугуна, необходимо получать с прибылями. Для стальных отливок характерно разви­тие пористости, в них чаще, чем в отливках из других сплавов, образуются горячие трещины, даже в случаях литья в песчано- глинистые формы. В то же время холодные трещины в стальных отливках возникают реже, чем в чугунных отливках.

К насыщению газами и неметаллическим включениям стали более склонны, но и требования для них выше, чем для чугунов. К ликвации, особенно по сере и фосфору, склонны стальные от­ливки с толщиной стенки более 80 мм. Как правило, ликвации подвергнуты слитки, имеющие существенно большую толщину.

К изменению механических свойств в зависимости от толщи­ны стенок литейные углеродистые стали менее чувствительны, чем другие сплавы, особенно учитывая обязательную их терми­ческую обработку.

Легированные литейные стали. Легирование литейных углеро­дистых сталей проводится с целью повышения механических свойств и приобретения ими специальных служебных свойств. К легированным сталям относят низко- и среднелегированные стали с содержанием легирующих компонентов соответственно до 2,5 и от 2,5 до 10%.

Химический состав легированных сталей в соответствии с ГОСТ 977-88 приведен в табл. 5.9, а их механические свойства после термической обработки (закалки (нормализации) и отпуска) - в табл. 5.10.

Чаще других применяют стали, легированные кремнием, мар­ганцем, хромом и никелем, медью и др.

Известно много композиций марганцевой стали, различающих­ся содержанием углерода и марганца. Обычно их содержание ко­леблется в пределах соответственно 0,17...0,4 % С и 1,0...2,0 % Мп.

Марганцевые стали отличаются более высокой прочностью и особенно большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Марганцевые стали широко используются при изготовлении отливок для железнодорожного транспорта, экскаваторов и других машин.

 

Таблица 5.8 Средний химический состав легированных сталей, мае. %  
Марка стали С Мп Si Сг Ni Си V Мо
20ГЛ 0,20 1,4 0,3          
35ГЛ 0,35 1,4 0,3          
35ГСЛ 0,30 1,3 0,7          
20ФЛ 0,20 0,9 0,3 0,12
45ФЛ 0,45 0,7 0,3 0,15
40ХЛ 0,40 0,7 0,3 1,0
35ХМЛ 0,35 0,7 0,3 1,0 0,25
ЗОХНМЛ 0,30 0,7 0,3 1,5 1,5 0,25
35ХГСЛ 0,35 1,2 0,7 0,8 -
23ХГС2МФЛ 0,23 0,7 1,9 0,9 0,12 0,25
20ДХЛ 0,12 0,6 0,3 1,0 1,5
08ГДНФЛ <0,1 0,8 0,3 1,3 1,0 0,10
12ДХН1МФЛ 0,12 0,4 0,3 1,5 1,6 0,5 0,12 0,25

Примечание. Содержание S и Р не более 0,03...0,05 % каждого.

 

У хромовых сталей (40XJI и др.) также повышенные по срав­нению с углеродистой сталью механические свойства и прокали- ваемость. Для улучшения их структуры и свойств используют не­большие добавки молибдена, уничтожающие отпускную хрупкость

Таблица 5.10 Механические свойства легированных сталей  
Марка стали Температура, °С Механические свойства*, не менее
закалки (нормализации) отпуска Н/мм2 Н/мм2 5, % кси, Дж/м2
20ГЛ (890)
35ГЛ (890)
30ГСЛ 0,5
20ФЛ (890)
45 ФЛ
40ХЛ
35ХМЛ
ЗОХНМЛ
зохгсл
23ХГС2МФЛ
20ДХЛ (880)
08ГДНФЛ (930)
12ДХН1МФЛ

* Показатели механических свойств те же, что в табл. 5.8.

 

при термической обработке. Хромовые стали применяют для по­лучения отливок, работающих в условиях абразивного износа.

Большая прокаливаемость достигается при легировании стали од­новременно марганцем, хромом и кремнием (ЗОХГСЛ, хромансил).

Одновременное легирование хромом и никелем проявляется в измельчении зерна, в значительном увеличении прокаливаемо- сти, что позволяет изготовлять из этих сталей крупногабаритные отливки (ЗОХНМЛ и др.).

Стали, легированные медью, подвержены дисперсионному твердению, которое обеспечивает однородные свойства в тонких и толстых сечениях отливок.

Некоторые марки легированных сталей модифицируют бором, кальцием, церием и другими РЗМ. В результате улучшаются меха­нические и литейные свойства стали. Как правило, добавки вво­дятся в малых количествах. Так, например, достаточно иметь 0,001 ...0,002 % В в стали, чтобы получить резкое увеличение про- каливаемости и пластичности.

В одних случаях действие добавок связывается с модифициро­ванием, в других - с микролегированием.

Графитизированная сталь, также относящаяся к легированным сталям, содержит 0,9... 1,5% С, 1,0... 1,4% Si, 0,5% Мп. В литом состоянии ее структура представлена перлитом и цементитом, т. е. весь углерод находится в связанном состоянии. При термической обработке (отжиг с нагревом до 900 °С и последующее медленное охлаждение в интервале температур 800...700°С) происходит рас­пад структурно свободного цементита с выделением графита. Окон­чательная структура стали — перлит+графит. Такая графитизиро­ванная сталь обладает повышенными антифрикционными свойства­ми и используется для втулок, вкладышей, работающих в условиях абразивного износа.

Высоколегированные стали. В соответствии с ГОСТ 2176-77 высоколегированные стали, содержащие более 10 % легирующих эле­ментов, подразделяются по структуре на шесть классов: мартенсит- ный; мартенсито-ферритный; ферритный; аустенито-мартенситный; аустенито-ферритный; аустенитный. Смена классов происходит по мере увеличения легированности. На практике чаще пользуются названия­ми сталей по основным служебным свойствам: коррозионно-стой­кая, кислотостойкая, жаростойкая, жаропрочная, износостойкая.

Большой класс высоколегированных сталей составляют так называемые коррозионно-стойкие (нержавеющие) ста­ли, обладающие хорошей стойкостью против коррозионного воз­действия агрессивных сред.

Прежде всего к ним относятся высоколегированные хромовые стали ферритного класса (12Х18ТЛ, 15Х25ТЛ), обладающие хо­рошей пластичностью. Добавка титана связывает углерод и повы­шает стойкость против межкристаллитной коррозии.

Для получения высокой твердости и износостойкости хромо­вых сталей (X28JI, X34JI) содержание углерода увеличивают до 0,5...2,0 % и получают феррито-карбидную структуру.

Хромовые коррозионно-стойкие стали мартенситного и фер- рито-мартенситного классов характеризуются сравнительно ши­роким диапазоном содержания углерода и возможным наличи­ем никеля, меди, ниобия и других элементов. К сталям этого класса можно отнести стали марок 10Х14НДЛ и 09ХН4БЛ (Б - ниобий).

Наивысшей коррозионной стойкостью рассматриваемые стали обладают в том случае, когда карбиды в свободном состоянии отсутствуют и полностью переведены в твердый раствор.

Хромовые стали отличаются пониженной по сравнению с уг­леродистой сталью теплопроводностью, повышенной окисляемо- стью, склонностью к пленообразованию, образованию пригара при заливке в формы на основе кварцевого песка, к образованию усадочных раковин, горячих и холодных трещин.

В качестве кислотостойких сталей применяют высоколе­гированные стали аустенитного, аустенито-ферритного и ферри- то-аустенитного классов. Основными легирующими элементами для них являются хром и никель. При этом никель необходим для получения однофазной аустенитной структуры.

Кислотостойкая хромоникелевая сталь, содержащая 18 % Сr и 8 % Ni, широко используется для отливок деталей насосов, фит- тингов и т. п.

Чаще других стали этого типа легируют титаном и молибденом (12Х18Н9ТЛ, 12Х18Н12МЗТЛ).

Хромоникелевые стали, так же как и хромовые, обладают по­ниженными литейными свойствами.

Сложнолегированные хромоникелевые стали характеризуются высокой жаропрочностью и жаростойкостью. Жаропрочными на­зывают стали, способные сопротивляться нагрузкам и разруше­нию при температурах выше 550 °С. Стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии и образования окалины при темпе­ратурах до 1200°С, называют жаростойкими.

Основным фактором, предопределяющим жаропрочность сталей, является легированный аустенит. Практическое примене­ние для изготовления отливок из жаропрочных сталей получили аустенитные стали типа 12Х18Н9ТЛ (для жаропрочных отливок энергетического, химического и нефтяного машиностроения) и 12Х20Н12ТЛ (для турбинных лопаток, работающих при темпера­турах до 600 °С).

В стали 15Х18Н22В6М2Л высокая жаропрочность обеспечива­ется за счет введения добавок вольфрама и молибдена.

Высокомарганцевая износостойкая сталь 110Г13Л (так на­зываемая «сталь Гадфильда») относится к аустенитному классу. Осо­бенностью отливок из этой стали является способность упрочняться з условиях ударной нагрузки и принимать наклеп, повышающий поверхностную твердость от НВ 170... 200 до НВ 600... 800 и износо­стойкость в условиях абразивного износа. При отсутствии наклепа ее износостойкость находится на уровне углеродистой стали.

В литом состоянии структура стали - аустенит и карбиды, располагающиеся по границам зерен. Данная сталь используется после закалки в воде с температуры 1100°С, когда отливки при­обретают однородную аустенитную структуру.

Температура заливки стали 110Г13Л ниже, чем у других ста­лей, и колеблется в пределах 1330... 1370 °С. Сталь 110Г13Л харак­теризуется повышенной склонностью к усадочным дефектам, об­разованию горячих трещин, пригару при литье в формы на осно­ве кварца.

Особо следует отметить, что сталь 110Г13Л очень плохо обра­батывается режущим инструментом (за исключением алмазного).


 

ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

 

6.1. Алюминиевые сплавы

Алюминиевые литейные сплавы обладают высокой удельной прочностью (ав/р) (большей, чем у углеродистых сталей), высо­кой коррозионной стойкостью, достаточно высокими тепло- и электропроводностью.

Кроме того, сплавы на основе алюминия имеют хорошие тех­нологические литейные свойства, легко обрабатываются.

Именно этими обстоятельствами объясняется применение алю­миниевых сплавов во всех отраслях промышленности, особенно в авиации и автостроении.

  Рис. 6.1. Диаграмма состояния А1 - Si    
Классификация литейных сплавов приведена в ГОСТ 1583— 93, в соответствии с которым они подразделяются на пять групп (в табл. 6.1 приведены их химический состав и механические свой­ства):

 

 

I - сплавы на основе системы А1- Si-Mg;

II - сплавы на основе системы А1-Si -Си;

III - сплавы на основе системы А1 -Си;

IV - сплавы на основе системы А1-Mg;

V - сплавы на основе системы А1-Э (прочие элементы, явля-

Сплавы I и II групп. Дан­ные сплавы являются наибо­лее распространенными и на­зываются «силуминами». Их можно подразделить на про­стые силумины (AJI2) и спе­циальные силумины, содер­жащие кроме А1 и Si допол­нительно Mg (десятые доли процента) или совместно Mg (в тех же количествах) и Си.

Для изготовления отливок используют доэтвектические (до 9 % Si) и заэвтектические (до 25 % Si) сплавы (рис. 6.1)- Как видно из диаграммы фа­зового равновесия системы


Химический состав и механические свойства алюминиевых литейных сплавов по ГОСТ 1583—93    

   

 

 


 

       

 

     

 

 


   

     

 

 

   

 

 

Марка сплава Содержание, мае. %, основных компонентов[1]1 Способ литья Вид ТО*2 Механические свойства материала отливок*3
Mg Si Mn Си Ti Ni ав, Н/мм2 (кгс/мм2) 5, % НВ
АК9Ц6 (АК9Ц6р) 0,35... 0,55/ 0,3... 0,5 8,0... 10,0 0,1...0,6 0,3... 1,5 Zn 5,0... 7,0 Fe 0,3... 1,0 К, д _ 147(15,0) 167(17,0) 0,8 0,8 70,0 80,0
АЦМг (AJI24) 1,55... 2,05/ 1,5... 2,0   0,2...0,5 Zn 3,5... 4,5 0,1... 0,2   3, в 3, В Т5 216(22,0) 265(27,0) 2,0 2,0 60,0 70,0

 

Примечания: 1. Обозначение в марках сплавов: ч — чистый; пч — повышенной чистоты; оч — особой чистоты; л — литейные сплавы; с — селективный. В скобках приведены марки сплавов по ГОСТ 1583, ОСТ 48—178 и по техническим условиям для отливок.

2. Условные обозначения способов литья: 3 — литье в песчаные формы; В — литье по выплавляемым моделям; К — литье в кокиль; Д — литье под давлением; ПД — литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка); О — литье в оболочковые формы; М — сплав подвергается модифицированию.

3. Условные обозначения видов термической обработки (ТО):

Т1 — искусственное старение без предварительной закалки; Т2 — отжиг; Т4 — закалка; Т5 — закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение; Т6 — закалка и полное искусственное старение; Т7 — закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 — закалка и смягчающий отпуск.

4. В заказе, в конструкторской документации, при маркировке отливок допускается указывать марку сплава без дополнительно­го обозначения марки в скобках или марку, обозначенную в скобках.