Понятие о способах получения отливок из литейных

Способы литья. Отливкой называют литую деталь или заготовку, полученную заливкой расплавленного металла (расплава) в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию детали или заготовки. Около 50% всех деталей в машинах и оборудовании изготовляют литьем.
Литейную форму заливают жидким металлом че­рез систему каналов, называемую литниковой системой. Расплав может заполнять литейную форму свободно, т. е. под действием силы тяжести, или принудительно — под действием центробежных сил или внешнего давления. Внутренние отверстия, каналы и полости в отливках образуются с помощью стержней, которые перед заливкой вставляют в полость литейной формы, а после кристаллизации отливки извлекают из нее. Формы и стержни могут быть разовыми — изготовляемыми из песчаных смесей, и постоянными — из металла или огнеупорных материалов.

Способы литья отливок можно разделить на две группы. К первой относят способы получе­ния отливок в разовых формах, заполняемых расплавом однократно, после чего их разрушают для извлечения отливки (литье в песчаные сухие или сырые формы, литье в оболочковые формы и др.). Ко второй группе относят способы полу­чения отливок в многократных металлических формах, заполняемых расплавом от нескольких сотен до десятков тысяч раз (центробежное ли­тье, литье в кокиль, под давление и др.).

Каждый из перечисленных способов изготовле­ния отливок имеет свое назначение и область применения, которая определяется объемом про­изводства, требованиями к отливкам по точности и шероховатости поверхности, технологическими свойствами литейных сплавов, технико-экономи­ческими показателями.

При выплавке литейных сплавов в плавильные печи загружают металлическую шихту, ферросплавы, лигатуры и флюсы. Металлическая шихта — слитки технически чистых металлов, лом, отходы производства. Лигатура — вспомогательный сплав, вводимый в расплавленный металл с целью восполнения угарающих в процессе плавки химических элементов. Напри­мер, для выплавки чугуна и стали лигатурой служат ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций и др.), которые одновременно раскисляют металл. Флюсы служат для образования шлака с требуемыми физико-химическими свойства ми (для плавки чугуна и стали флюсом служит известняк). Шлак предохраняет в процессе плавки металл от окисления, служит для удаления неметаллических включений, попадающих в металл вместе с шихтой и образующихся в процессе плавки.

Для улучшения свойств литейных сплавов в процессе плавки, после плавки, в литейном раз­даточном ковше или непосредственно в литейной форме производят модифицирование, легирова­ние и рафинирование. Модифицирование — введение в жидкий сплав после его плавки в сотых или десятых долях процента добавок — модификаторов, которые служат дополнительны­ми центрами кристаллизации, обеспечивают более мелкозернистое строение сплава и более высо­кие его механические свойства. Для чугуна и стали модификаторами являются силикокальций, ферросилиций и др. Легирование — введение в жидкий сплав различных добавок хи­мических элементов (Сг, N1, Си, Mo, Va, W, T1, Со и др.) для придания сплаву особых свойств (жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т. п.) за счет изменения его внутреннего строения. Рафинирование — очистка сплавов от ненужных и вредных примесей. Уда­ление вредных примесей (серы и фосфора) из чугуна и стали выполняют рафинированием их марганцем и известняком.

Чугуны

Влияние компонентов на свойства чугунов. Чу­гун отличается от стали более высоким содержа­нием углерода, лучшими литейными свойствами. Он не способен в обычных условиях обрабаты­ваться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами со­держат легирующие элементы — никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выде­ляющегося графита.

Механические свойства отливок из чугуна за­висят от его структуры. Чугуны имеют следую­щие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидную эвтектику. По микроструктуре чугуны делят на белый чугун I (рис. 23), содержащий ледебуритный цемен­тит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, со­держащий перлит П и графит Г; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и гра­фит Г. В ферритном чугуне весь углерод нахо­дится в свободном состоянии в виде графита. Су­ществуют чугуны с промежуточными микро­структурами: половинчатый Па, в котором име­ются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный Пб, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV — перлит и шаровидный графит.

Рис. 5.5. Микроструктуры чугуна

На образование той или иной микрострукту­ры чугуна большое влияние оказывают его хи­мический состав и скорость охлаждения отливки.

Углеродв обычных серых чугунах содер­жится в количестве от 2,7 до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержа­ния углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают: нижние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.

Совместное влияние углерода и крем­ния на структуру чугуна представлено на диаграмме (рис. 24, а). На диаграмме по линии абсцисс отложено содержание в чугуне кремния на оси ординат — содержание углерода. Диаграмма сплошными линиями делится на пять областей. Обозначение областей соответствует структурам чугуна, приведенным на рис. 23. Используя эту диаграмму, можно определить процентное содержание углерода и кремния для получения отливок с толщиной стенок 50 мм и обходимой микроструктурой.

Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем больше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения отливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьшением ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства. На рис. 24, б показано совместное влияние углерода и кремния (ось ординат) и толщины стенки отливки (ось абсцисс) на структуру чугуна. Обозначение областей на этой диаграмме также соответствует структурам, приведенным на рис. 23, и областям рис. 24, а.

Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5—0,8%. Увеличение содержания марганца до 0,8—1,0% приводит к повышению механических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками.

Фосфорне оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1—0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержание фосфора около 0,5—0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fе + FезР + FезС) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допускается до 0,2—0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отливки художественного литья — около 1 % фосфора.

Сера является вредной примесью, образует при затвердевании сернистое железо (FeS), ухуд­шает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склон­ность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику .(Fe+iFeS), которая плавится при температуре 988°С. Эвтектика затвердевает в последнюю оче­редь и располагается между зернами, приводя к \хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных температурах, т. е. к красноломко­сти. Добавкой марганца в количестве, в 5—7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, по­скольку плавится при 1620°С. Большая часть об­разующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чу­гуне ограничивается до 0,12%, а в высокопроч­ных должно быть не более 0,03%.

Легирующие элементы (Сг, Ni, Mo, Ti, Mn, Cu и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно приме­няют совместно. В результате легирования чугу­на перлит размельчается или образуются другие, еще более тонкие структуры.

Белый чугун. Серый и белый чугуны резко различаются по свойствам. Белые чу­гуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабаты­ваются режущим инструментом, идут на пере­плавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.

Серые чугуны — это литейный чугун. Се­рый чугун поступает в производство в виде отли­вок. Серый чугун является дешевым конструкци­онным материалом. Он обладает хорошими ли­тейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает спо­собностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называют демпфирующей способно­стью. Демпфирующая способность чугуна в 2— 4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различ­ного оборудования, коленчатых и распредели­тельных валов тракторных и автомобильных дви­гателей и др. В соответствии с ГОСТ 1412—80 выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): QH 10 (143—229), СЧ 15 (163—229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180—250), СЧ 30 (181—255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207—285), СЧ 45 (229—289).

Серый чугун получают при добавлении в рас­плавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором яв­ляется кремний. При введении в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная структура с включениями графита. При дальней­шем уменьшении содержания кремния форми­руется структура серого чугуна на перлитной ос­нове с включениями графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также; формы и раз­меров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными — серые чугуны на фер­ритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связи с металличе­ской основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пла­стичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графита (рис. 25, а) в виде пластинок, наименьшее — включения то­чечной или шарообразной формы.

Рис. 5.6. Микроструктура чугуна с различной формой графита:

а — пластинчатый графит в сером чугуне, б - шаровид­ный графит в высокопрочном чугуне, в — хлопьевидный графит в ковком чугуне

По физико-механическим характеристикам се­рые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной прочно­сти, высокой прочности и со специальными свой­ствами.

А) серый чугун малой прочности имеет в основе микроструктуру феррита или ферри­та и перлита с пластинчатым графитом (рис. 25, а). Такой чугун обладает прочностью на растяжение 300 МПа, и соответствует маркам до СЧ 30. В марке буквы сокращенно обознача­ют наименование чугуна, а следующая за ними двухзначная цифра — предел прочности на рас­тяжение.

Б) серый чугун повышенной прочно­сти имеет перлитную основу и более мелкое, за­вихренное строение графита. Он соответствует маркам от СЧ 35 до СЧ 40. Прочность этих чугунов обеспечивается легированием и модифици­рованием чугуна.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена, а иногда титана или меди.

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Хи­мический состав шихты для изготовления моди­фицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный немодифицироваиный чугун затверде­вал бы в отливке с отбелом (т. е. белым или по­ловинчатым). Модификаторы — ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. — добав­ляют в количестве 0,1—0,3% от массы чугуна не­посредственно в ксцаш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного се­рого чугуна не содержится ледебуритного цемен­тита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав прак­тически остается неизменным. Жидкий модифи­цированный чугун необходимо немедленно раз­ливать в литейные формы, так как эффект моди­фицирования исчезает через 10—15 мин.

Высокопрочный чугун. Он имеет ферритную или перлитную структуру (см. рис. 23), является разновидностью серого чугуна, модифицирован­ного магнием. Одновременно с ним или несколь­ко позже в жидкий чугун вводят ферросилиций. В результате получают мелкие включения гра­фита шаровидной формы (см. рис. 25,6). Этот чугун обладает повышенной прочностью по срав­нению с обычными серыми чугунами.

В зависимости от предела прочности (Qb) при растяжении и относительного удлинения () выскопрочные чугуны (ГОСТ 7293-79) разделяются следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): ВЧ 38—17
(140—170), ВЧ 42—12 (140—200), ВЧ 45—5
(160—220), ВЧ 50—2 (180—260), ВЧ 60—2
(200—280), ВЧ 70—3 (229—275), ВЧ 80—3
(220—300), ВЧ 100—4 (302—369), ВЧ 120—4
(302—369).

Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления де­талей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнечно-прессового оборудования, паро­вых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, пор­шни) и др. Так, например, коленчатый вал лег­ковой автомашины «Волга» .изготовляют из вы­сокопрочного чугуна следующего состава! 3,4 — 3,6%! С; 1,8—2,2% Si; 0,96—1,2% Мп; 0,16— 0,30% Сг; <0,01% S; <0,06% Р и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и не большие пределы содержания других химических элементов обеспечивается тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высокими: о_в = 620—650 МПа, 6 = 8—12% и твердость НВ=192—240.

Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют, Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитно-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы (см. рис. 25, в) У отливок с толщиной стенок более 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.

В зависимости от структуры металлической основы различают ковкий ферритный чугун и ковкий перлитный чугун. Ферритные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных дуплекс-процессом и содержащих 2,4—2,8% С 0,8-1,4%! Si; 0,3-0,4% Мп; 0,08-0,1% S ≤0,2% Р. Для защиты от окисления при отжиг отливки из белого чугуна укладывают в специальные металлические ящики и засыпают пес ком, стальными стружками или шамотом. Отжиг белого чугуна состоит в медленном нагреве (20-25 ч) до температуры 950— 1000°С и длительно выдержке (10—15 ч) при этой температур. В процессе выдержки происходит первая стадия графитизации, заключающаяся в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита который в небольшом количестве имеется при этой температуре. К концу выдержки заканчнвается первая стадия графитизации и чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига. Затем температуру снижают до 720—740°С, снова выдерживают чугун в течение 25—30 (рис. 5.7, режим 1). В это время происходит вторая стадия графитизации, в процессе которой распадается цементит перлита. Ферритный ковкий чугун называют также черносердечным по виду излома, который из-за большого количества графитных включений в ферритной основ имеет темный матовый цвет.

Рис. 5.7. Отжиг белого чугуна

Перлитные ковкие чугуны получают из белы чугунов, выплавленных преимущественно в вагранках. Белый чугун для этого должен иметь следующий химический состав: 2,8—8,4% С 0,5—0,8% Si; 0,4—0,5% Мп; 0,2% Р и 0,12% < Для уменьшения содержания углерода отжиг выполняют в окислительной среде. Для этого от­ливки засыпают окалиной или измельченной же­лезной рудой. Режим отжига состоит в.нагреве до температуры примерно 1000°С, длительной выдержке при этой температуре (первая стадия графитизаций) и непрерывном медленном ох­лаждении до комнатной температуры (рис. 26, режим 2). При таком отжиге значительная часть углерода выгорает, а в поверхностном слое глу­биной до 1,5—2,0 мм наблюдается полное обез­углероживание. Поэтому в изломе чугун полу­чается светлым и его называют светлосердечным. Перлитные ковкие чугуны имеют меньшее применение, чем ферритные ковкие чугуны.

В зависимости от предела прочности при рас­тяжении (<tb) и относительного удлинения (6) ковкий чугун (ГОСТ 1215—79) разделяют на следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): КЧ 30—6 (163), КЧ 33—8 (163),,КЧ 35—10 (163), КЧ 37—12 (163) — ферритные черносердечные и КЧ 45—6 (241), КЧ 50—4 (241), КЧ 56—4 (269), КЧ 60—3 (269), КЧ 63—2 (269) — перлитные светло-сердечные.

Ковкий чугун широко применяют в автомо­бильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать по­вторно-переменные и ударные нагрузки и рабо­тающие в условиях повышенного износа, такие, как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохо­зяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механическим свойствам про­межуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами исходного белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточ­но высокими антикоррозионными свойствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, то­почных газов и воды.

Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях маши­ностроения тогда, когда отливка кроме прочно­сти должна обладать теми или иными специфи­ческими свойствами (износостойкостью, химиче­ской стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приведем в качестве примеров сле­дующие.

Магнитный чугун используют для изго­товления корпусов электрических машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.

Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никелемарганцовистый чугун, содержащий 7—10% Мп и 7—9% Ni, а также марганцево-медистый чугун, в котором содержится 9,8% Мп и 1,2 — 2,0% Си.

Аустенитный чугун имеет высокие пока­затели по кислотостойкости, щелочестойкости и жаропрочности. Примерами этих чугунов являются нирезит, содержащий 14% Ni, 2% Gr, 7% Си и никросилал с 5% Si, 18% Ni, 2% Сг и др.

Жаростойкий чугун — содержит 20—25% А1.

К чугунам со специальными свойствами отно­сят также упомянутые ранее ферросплавы — ферромарганец, ферросилиций и т. д., предназначенные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.

Стали

Сталь— основной материал, широко приме­няемый в машино- и приборостроении, строи­тельстве, а также для изготовления различных инструментов. Она сравнительно недорога и про­изводится в больших количествах. Сталь обла­дает ценным комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Стали классифицируют по химическому составу, назна­чению, качеству, степени раскисления и струк­туре.

Классификация по химическому составу. По химическому составу стали подразделяют на уг­леродистые и легированные. Сталь, свойства которой в основном зависят от содержания углеро­да, называют углеродистой. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразде­ляют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеро­дистые (более 0,6% С).

Легированной называют сталь, в состав которой входят специально введенные элементы для придания ей требуемых свойств. По количе­ству введенных легирующих элементов легиро­ванную сталь делят на три группы: низколегированную (с суммарным содержанием легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (от 2,5 до 10%) и высоколегированную (свыше 10%). В зависимости от введенных « элементов различают стали, например, хромистые, марган­цовистые, хромоникелевые и т. п.

Классификация по назначению.Стали по на­значению делят: на конструкционные, инструмен­тальные и стали специального назначения с осо­быми свойствами.

Конструкционные стали представ­ляют наиболее обширную группу, предназначен­ную для изготовления деталей машин, приборов и элементов строительных конструкций. Из кон­струкционных сталей можно выделить цемен­туемые, улучшаемые, автоматные, высокопроч­ные и рессорно-пружинные стали.

Инструментальные стали подразде­ляют на стали для изготовления режущего, из­мерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования.

Стали специального назначе­ния — это нержавеющие, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по качеству. Стали по каче­ству классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Под качеством пони­мается совокупность свойств стали, определяе­мых металлургическим процессом ее производ­ства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вред­ных примесей и газов (кислорода, водорода, азо­та). Основными показателями для разделения сталей по качеству являются нормы содержания вредных примесей (серы, фосфора). Стали обыкновено го к а ч е с т в а содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — до 0,035% S и 0,035% Р, высококачествен­ные—не более 0,025% S и 0,025% Р, а особовысококачественные — не более 0,015%' S и 0,025% Р.

Классификация по степени раскисления. Ста­ли, по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскис­лением называют процесс удаления кислоро­да из жидкой стали. Нераскисленная сталь об­ладает недостаточной пластичностью и подвер­жена хрупкому разрушению при горячей обра­ботке давлением.

Спокойные стали хорошо раскислены марганцем, алюминием и кремнием в печи и ков­ше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков упадочной раковины. Дендритная ликвация в крупных слитках такой стали при их прокатке или ковке приводит к появлению поло­счатой структуры. Это вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки) значительно ниже, чем в продольном.

Зональная ликвация приводит, к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфо­ра и углерода увеличивается, а в нижней — уменьшается. Это приводит к ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.

Кипящие стали раскисляют только марганцем. Они раскислены недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное коли­чество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагирует с углеродом и выде­ляется в виде пузырей окиси углерода СО, соз­давая ложное впечатление «кипения» стали. Движение металла при кипении способствует развитию в слитках такой стали - зональной лик­вации. По сравнению со спокойной сталью такие слитки не имеют усадочной раковины. Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Кипящие ста­ли относительно дешевы. Их выплавляют низко­углеродистыми и с очень малым содержанием кремния (Si ^0,07%), но с повышенным количе­ством газообразных примесей. При прокатке слитков такой стали газовые Пузыри, заполнен­ные окисью углерода, завариваются. Листы из такой стали, предназначенные для изготовления деталей кузовов автомашин вытяжкой, имеют хорошую штампуемость при выполнении формо­изменяющих операций холодной листовой штам­повки.

Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Ча­стично их раскисляют в печи и ковше, а частич­но — в изложнице за счет содержащегося в ме­талле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали. Классификация по структуре. Стали по структуре классифицируют в состояниях после отжига и нормализации (см. гл. IV). В отожженном (равновесном) состоянии на доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; заэвтектоидные, в структуре которых имеются вторичные карбиды, выделяющиеся из аустенита; ледевуритные, в структуре которых содержатся первичные (эвтектические) карбиды; аустенитные; ферритные.

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие сновные классы: перлитный, мартенситный (см. гл. IV), аустенитный, ферритный. Мартенсит представляет собой сильно перенасыщенное уг­леродом а-железо с искаженной кристаллической решеткой.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства углеродистых сталей.В составе углеро­дистой стали кроме железа и углерода содер­жится ряд постоянных примесей: кремний, мар­ганец, сера, фосфор, кислород, азот, водород и другие элементы, которые оказывают большое влияние на свойства стали. Присутствие приме­сей объясняется трудностью их удаления при выплавке (сера, фосфор) или переходом их в сталь при ее раскислении (кремний, марганец) или из шихты (хром, никель).

Структура стали без термической обработки после медленного охлаждения состоит из смеси феррита и цементита, т. е. структура такой стали либо перлит + феррит, либо перлит + цементит. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода (рис. 5.8, б). Твердость цементита (HV 800) на: порядок больше твердости феррита .(HV 80). Твердые частицы цементита повышают сопротив­ление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом с увеличением в стали содержания углерода возрастают твердость, пре­дел прочности и уменьшаются ударная вязкость, относительные удлинение и сужение (рис. 5.8, а).

Рис. 5.8. Влияние углерода на механические свойства стали (а) и на количество феррита и цементита (б)

Механические свойства приведены для горячей деформированной стали без термической обра­ботки. Цифры являются средними и могут коле­баться в пределах ±10% в зависимости от со­держания примесей, условий охлаждения после прокатки и т. д.

Для заэвтектоидных сталей на их механиче­ские свойства сильное влияние оказывает вто­ричный цементит, который образует хрупкий «каркас» вокруг зерен перлита. Этот «каркас» преждевременно разрушается подагрузкой, что вызывает снижение прочности, пластичности и вязкости. Поэтому заэвтектоидные стали приме­няют после специального отжига, в результате которого получают в структуре зернистый пер­лит.

Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и в особенности при холодной обработке давлением и ухудшает
ее свариваемость — способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданны ми свойствами.

Увеличение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (темпера­турный интервал перехода стали в хрупкое со­стояние) в среднем на 20°С на каждые 0,1% уг­лерода.

Содержание кремния в углеродистой ста­ли в виде примеси составляет обычно до 0,4%, а марганца 0,5—0,8%. Кремний и марганец явля­ются полезными примесями. Они переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Раскисление улучшает свойства стали. Кремний сильно повышает предел текучести стали сто,2, что снижает способность стали к вытяжке. По­этому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть наименьшим.

Марганец повышает прочность стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (краснолом­
кость). Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Сераявляется вредной примесью в стали, содержание ее в зависимости от качества стали не должно превышать 0,06%. Сера нерастворима в железе. С железом она образует химическое соединение — сульфид же­леза (FeS). Соединение FeS образует с железом эвтектический сплав (эвтектику) с темпера­турой плавления 988°С. При кристаллизации же­лезоуглеродистых сплавов эвтектика распола­гается обычно по границам зерен. При нагрева­нии стали до 1000—1300°С эвтектика расплав­ляется и нарушается связь между зернами ме­талла, т. е. происходит охрупчивание, вызывае­мое оплавлением примесей по границам кристал­лов. Явление красноломкости может проявлять­ся при ковке или прокатке стали, когда вследст­вие красноломкости на деформируемом металле в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины.

При наличии в стали марганца образуется тугоплавкое соединение — сульфид MnS. В за­твердевшей стали частицы MnS располагаются в виде отдельных включений, что исключает об­разование легкоплавкой эвтектики и явление красноломкости.

Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строе­ния и механические свойства стали, в особенно­сти пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор является вредной примесью в ста­ли, и содержание его в зависимости от качества стали не должно превышать 0,08%. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплот­няет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести, сплава, но уменьшаются его пластичность и вяз­кость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склон­ность сплава к ликвации.

Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хруп­ких неметаллических включений — оксидов и нитридов. Примеси, концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают по­рог хладноломкости, понижают предел выносли­вости и сопротивление хрупкому разрушению. Так, хрупкие оксиды при горячей обработке ста­ли давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.

Влияние растворенного в стали водорода про­является в охрупчивании стали. Поглощенный при выплавке стали водород, кроме того, приво­дит к образованию в крупных поковках флокенов — очень тонких трещин овальной или округ­лой формы.

Флокены резко ухудшают свойства и недопу­стимы встали, предназначенной для изготовле­ния ответственных деталей.

Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород — постоян­ные примеси в стали. Кроме них в стали мо­гут находиться случайные примеси, по­падающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа (стально­го лома) в сталь могут попасть хром, никель, олово и ряд других элементов. Отдельные эле­менты, например медь, мышьяк, попадают в сталь из руды. Случайные примеси находятся в стали в небольших количествах, и они оказыва­ют на свойства стали незначительное влияние.

ЛЕКЦИЯ 6