Дайте характеристику сталям, предназначенным для изготовления деталей, подвергаемых улучшению.

Стали, подвергаемые термическому улучшению, широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях (при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению. Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30…0,50 %.

Улучшаемые стали

Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии. Детали, требующие высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты. Для снятия напряжений проводят низкий отпуск. Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости. Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х используются для изготовления небольших средненагруженных деталей. Эти стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым. Повышение прокаливаемости достигается микролегированием бором (35ХР). Введение в сталь ванадия значительно увеличивает вязкость (40ХФА). Хромокремнистые (33ХС) и хромокремниймарганцевые (хромансил) (25ХГСА) стали обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Стали хромансилы обладают высокой свариваемостью, из них изготавливают стыковочные сварные узлы, кронштейны, крепежные и другие детали. Широко применяются в автомобилестроении и авиации. Хромоникелевые стали 45ХН, 30ХН3А отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью, но чувствительны к обратимой отпускной хрупкости. Для уменьшения чувствительности вводят молибден или вольфрам. Ванадий способствует измельчению зерна. Стали 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА др. обладают лучшими свойствами, относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300…400 ^oС. из них изготавливаются валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.

 

5. Охарактеризуйте свойства, структуру, приведите примеры применения сплавов с особыми тепловыми свойствами.

Для ряда отраслей машиностроения и приборостроения необходимо применение материалов со строго регламентированными значениями в определенных температурных интервалах эксплуатации таких физических свойств, как температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) и модуля нормальной упругости (ТКМУ). Эти коэффициенты определяют характер изменения размеров детали и модуля упругости сплава при нагреве.

Согласно правилу Курнакова, в случае, когда компоненты образуют твердый раствор, ТКЛР сплава изменяется по криволинейной зависимости внутри пределов, ограниченных значениями ТКЛР чистых компонентов. Однако сплавы Fe – Ni не подчиняются общим закономерностям. В области концентраций от 30 до 45 % никеля для них характерны аномалии, связанные с инварным эффектом (рис. 7).

Рис. 7 – Температурный коэффициент линейного расширения сплавов Fe – Ni

Самое низкое значение ТКЛР в диапазоне температур от –100 до +100°С имеет сплав, содержащий 36 % Ni. Этот сплав был открыт в 1897 г. и назван инваром (лат. invariabilis – неизменный) из-за минимальных значений коэффициента теплового расширения.

Для металлов с кубической кристаллической решеткой ТКЛР изотропен. Его значения не зависят от направлений кристаллической решетки и преимущественной ориентации текстуры. Термический коэффициент объемного расширения втрое превышает ТКЛР.

Для сплавов Fe – Ni инварного состава, помимо низких значений ТКЛР, характерна еще одна аномалия – аномалия температурного коэффициента модуля упругости. В любых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, являющегося мерой сил межатомных связей. В сплавах с инварным эффектом модуль упругости растет или остается постоянным с повышением температуры. Характерно, что максимальной величиной ТКМУ обладает тот же Fe – Ni сплав с самым низким значением ТКЛР, содержащий 36 % Ni (рис. 7.1). Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, модуль упругости которых практически не зависит от температуры.

Рис. 7.1. – Температурный коэффициент модуля упругости сплавов Fe – Ni

Сплавы, сохраняющие постоянство модуля упругости в широком интервале температур, называют элинварами. Природа аномального изменения ТКЛР инварных сплавов, так же как и модуля нормальной упругости, имеет ферромагнитное происхождение.

 

6. Для получения отливки детали (рис. 5) из серого чугуна СЧ15 требуется изготовить литейную форму.

На отливки из конструкционных чугунов приходится до 80% всех производимых чугунных отливок. Основными потребителями являются различные отрасли машиностроения (автомобильное,

тракторное и сельскохозяйственное машиностроение, тяжелое машиностроение, станкостроение и др.). Свойства отливок регламентируются ГОСТом 1412-70.

Рис. 8. Влияние сечения отливки на механические свойства чугуна

Вследствие чувствительности чугуна к изменению скоростей охлаждения прочность в различных узлах отливки может отличаться от прочности, характеризующей данную марку. На рис. 1 приведены механические свойства чугунов в отливках различного сечения. Отливки охлаждались в песчано-глинистых формах. Конструктор выбирает марку чугуна, исходя из требуемых механических свойств в наиболее нагруженных сечениях отливки.

Литейщик должен выбирать состав чугуна и технологический процесс его получения с учетом влияния различных факторов на структуру чугуна и его механические свойства. При получении чугунов повышенной прочности (СЧ 24-44, СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 36-56, СЧ 40-60), также в тех случаях, когда техническими условиями предусматриваются дополнительные требования, задача может оказаться сложной. Например, отливки, подвергающиеся в процессе эксплуатации повышенному износу (отливки металлорежущих станков, детали двигателей и т. п.), требуют повышенной твердости рабочих поверхностей и определенной микроструктуры чугуна (дисперсности перлита, величины и расположения графитовых включений и т. д.).

При производстве чугунов этих и более высоких марок используют раздельно или совместно методы модифицирования, легирования и термообработки.

Модифицированный чугун. В качестве графити-зирующего модификатора применяют ферросилиций Си75 (75% Si), эффективность действия которого повышается при содержании в нем 1-2% А1.

Модификатор в виде кусков размером 5-10 мм вводят в струю чугуна, выпускаемого из плавильной печи. Для данных условий производства устанавливают оптимальный интервал времени от выпуска чугуна из печи до заливки форм, так как при превышении этого времени эффект модифицирования постепенно исчезает.

Высокие механические свойства модифицированного чугуна достигаются благодаря снижению расчетного содержания углерода и кремния, высокого перегрева чугуна в сочетании с модифицированием.

Следует, что по мере повышения требований к механическим свойствам, снижается содержание углерода в чугуне, повышается его перегрев и используется легирующее влияние марганца. Одновременно увеличивается количество модифицирующих добавок для предотвращения отбеливания чугуна и выделения международного графита.

Эффективным и широко используемым методом улучшения структуры и повышения механических свойств чугуна является применение в шихте стального лома. В модифицированном чугуне высших марок стальная часть шихты составляет до 50-70%. Экспериментально установлено, что при сравнении чугунов одинакового химического состава чугуны, выплавленные на шихте со стальным ломом, имеют более мелкий графит и повышенные механические свойства.

Положительное влияние присадки стали дополняется и тем, что при этом снижается содержание углерода в шихте, а следовательно, и в выплавленном чугуне.

Хотя модифицирование чугуна и уменьшает его склонность к отбеливанию, однако для каждой марки указаны минимальные толщины стенки отливки, получаемые без структурносвободного Цементита.

Легированный чугун. В качестве конструкционного материала применяют низколегированный чугун (общее содержание легирующих элементов до 3%). Используют в основном рФУющие элементы Cr, Мп (при содержании его свыше 1%).

Рис. 8. Влияние различных легирующих элементов на механические свойства (а) и глубину отбела (б) серого чугуна

 

Интенсивность и характер влияния каждого элемента оценивают абсолютной величиной коэффициента и знаком перед ним. Сравнение значений Кг различных легированных и нелегированных чугунов облегчает выбор оптимального химического состава, исходя не только из желаемой структуры и прочности в рабочих узлах, но и из условия получения легко обрабатывающегося серого чугуна без отбела в тонких сечениях отливок.

К серому чугуну с пластинчатым графитом со специальными свойствами предъявляют особые требования, связанные с условиями эксплуатации отливок. В некоторых случаях эти требования можно удовлетворить использованием нелегированных или низколегированных чугунов.

Для обеспечения высокой стойкости изложниц оптимальная структура (перлит + феррит + мелкопластинчатый графит) большей частью достигается при применении нелегированного чугуна с низким содержанием фосфора и серы. Повышенные эксплуатационные свойства антифрикционного ‘чугуна для подшипников, втулок и т. д. обеспечиваются малым легированием его Сг, Ni, Си, Ti, sb, Мп и др. (согласно ГОСТу 1585-70).

Немагнитные отливки, применяемые в электромашиностроении, имеют аустенитную структуру и изготовляются из высоколегированного чугуна. Получение заданной структуры достигается легированием 14-22% V до 8% Си и Сг. Вследствие дефицитности никеля его частично или полностью заменяют марганцем. Специальные и механические свойства этих чугунов ниже, чем высоконикелевых.

Отливки из коррозионностойкого чугуна применяют в химическом аппаратостроении и других областях. Коррозионную стойкость можно оценить весом металла (в граммах), превращенного продукт коррозии за единицу времени (1 ч) с единицы поверх-стн И м2) при действии внешней агрессивной (коррозионной) роды (азотной, серной, фосфорной кислоты, соли, щелочи и т. д.).

Особое место занимают высококремнистые сплавы типа «Фер. росилида». Благодаря высокому содержанию кремния (14-16%) их можно отнести к чугунам со степенью эвтектичности, близкой к единице.