Викладено відомості про властивості, хімічний склад, маркування та застосування найважливіших металів і сплавів, що застосовуються в машинобудуванні: чавунів, сталей, бронзи, латуні, алюмінієвих, магнієвих та інших сплавів. Посібник призначений для студентів машинобудівних спеціальностей.
Ю. П. Келюх, головний інженер заводу металовиробів,
Г. Р. Грейнер, канд. техн. наук, доц. каф. електроенергетики.
Затверджено Науково-методичною радою ПГУ ім.Т.Г.Шевченка.
Юрченко Володимир Іванович
Юрченко Віра Олександрівна
Бурменко Фелікс Юрійович
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО І КОНСТРУКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ. (Властивості, застосування, маркування)
ЧАСТИНА 1.МЕТАЛЛІЧЕСКІЕ МАТЕРІАЛИ.
Комп'ютерна верстка О. Є. Юрченко.
Стали і чавуни відносяться до групи чорних металів і є основним матеріалом машинобудування. З розвитком металургії і в зв'язку з вимогами машинобудування неухильно збільшується сортамент чавунів, сталей і їх якість.
Кожна марка чавуну або сталі володіє певними, тільки їй властивими фізико-механічними властивостями. Вибір тієї чи іншої марки сталі або чавуну визначається технічними вимогами, що пред'являються до відповідної деталі машин.
Мідь, свинець, олово, цинк, кобальт, нікель, алюміній, титан, магній і ряд інших металів відносяться до групи кольорових металів. Кольорові метали та їх сплави широко використовуються в сучасному машинобудуванні і є незамінними завдяки тільки їм властивим властивостями. У порівнянні з чорними металами кольорові метали є більш цінними і дефіцитними, так як вони поширені в природі в набагато меншій кількості, а виробництво значно складніше і трудомістка. Область застосування кожного кольорового металу або сплаву визначається його фізико-механічними властивостями. Найбільш поширеними кольоровими металами в машинобудуванні є сплави алюмінію, міді, магнію, цинку, олова.
Знання фізичних (щільність, теплопровідність, і ін.), Механічних (міцність, пластичність, твердість і ін.), Технологічних (жидкотекучесть, гнучкість, різанням, і ін.) І експлуатаційних властивостей (опір корозії, зношування і втоми, жароміцність, хладостойкость і ін.) дозволяє визначити області раціонального використання різних матеріалів з урахуванням економічних вимог.
В даному посібнику наведено відомості про всіх зазначених вище властивості металевих матеріалів, що застосовуються в машинобудуванні.
У розділі «Чавуни» дана класифікація і принципи вибору машинобудівного чавуну; наведені фізико-механічні, технологічні та інші властивості сірого, високоміцного, ковкого, антифрикционного, корозійно-стійкого, жаростійкого та інших видів чавуну зі спеціальними властивостями.
У розділі «Сталі» наведені хімічний склад, фізичні, механічні, технологічні властивості та області застосування конструкційної вуглецевої і легованої сталі, в тому числі інструментальної, нержавіючої, жароміцної та інших марок зі спеціальними магнітними і пружними властивостями, високим провідникові, аномальним термічним розширенням, а також порошкових сплавів.
У розділі «Кольорові метали та сплави» наведені відомості про фізико-механічних і технологічних властивостях сплавів на основі алюмінію, міді, магнію, титану, олова та інших елементів, розглянуті особливості та переваги різних марок кольорових металів і сплавів і вказані області застосування з урахуванням їх раціонального використання. Посібник призначений для студентів машинобудівних спеціальностей і може бути використано інженерами і техніками на виробництві.
1 .МАШІНОСТРОІТЕЛЬНИЕ чавуну.
Чавуни знайшли широке застосування в якості машинобудівних матеріалів завдяки поєднанню високих ливарних властивостей, достатньої міцності, зносостійкості, а так само відносної дешевизни. Чавуни використовуються для виробництва якісних виливків складної форми (станини верстатів, корпуси приладів і т.д.).
Білі ливарні чавуни
Білими називаються чавуни, в яких весь вуглець знаходиться у зв'язаному стані у вигляді цементітаFe3 C. Через великої кількості цементиту білі чавуни мають високу твердість (НВ 450-550) і крихкість, тому використовуються тільки для виготовлення зносостійких деталей типу куль млинів, зірочок в галтувальних барабанах, облицювальних плит для щекових дробарок, прокатних валків з вибіленої поверхнею і т. д. У зв'язку з високою крихкістю білі чавуни мають дуже обмежене застосування і тому не маркуються.
Сірі ливарні чавуни.
За структурою сірий чавун ділиться на три види:
- сірий феритний зі структурою феррит + графіт, в цьому чавуні весь вуглець знаходиться у вигляді графіту;
- сірий феррито - перлітною зі структурою феррит + перліт + графіт; в цьому чавуні кількість пов'язаного графіту менш 0.8% ;.
-сірий перлітний зі структурою перліт + графіт; в цьому чавуні кількість пов'язаного графіту становить
Найбільш високими механічними властивостями володіє сірий чавун з перлітною структурою (табл.1.1).
Механічні властивості і призначення деяких марок серогочугуна.
У позначеннях марки чавуну літери "СЧ" позначають "сірий чавун", а число після букв - межа міцності при розтягуванні.
Так як відносне подовження у сірих чавунів становить<0,3%,то маркировке оно не указывается.
З перлитових сірих чавунів найвищими механічними властивостями володіють чавуни, модифіковані ферросилицием або силікокальцієм. При модифікуванні подрібнюються графітові включення, в результаті досягається міцність # 963; B = 1000-1200 МПа.
1.3 високоміцні чавуни.
1. високоміцних називаються чавуни, в яких графіт має кулясту форму. Отримання в чавуні кулястої форми графіту досягається при модифікуванні сірого чавуну деякими хімічними елементами Mq, Ca, Ce і т.д. в кількості 0,05-0,1%. Чавун після модифікування має наступний хімічний склад: С = 3,0-3,6%, Si = 1,1--2.9%, Mn = 0.3-0.7%, S<0.02 %, P<0.01 %. По структуре металлической основы (матрицы) высокопрочный чугун может быть ферритным, феррито – перлитным и перлитным. Шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, поэтому имеет более высокие механические свойства, чем серый чугун. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Так же как и у серых чугунов, наиболее высокими свойствами обладает высокопрочный чугун с перлитной структурой (табл.1.2).
Механічні властивості і призначення деяких марок високоміцного чавуну (ГОСТ 7293-85).
Відповідальна високонавантажених лиття: прокатні валки, шабота кувальних пресів, траверси пресів, лопатки турбін
Високоміцний чавун ефективно замінює сталь в багатьох виробах і конструкціях, оскільки володіє не тільки міцністю, але і пластичністю. У деяких випадках для поліпшення механічних властивостей, застосовують термічну обробку виливків (загартування, відпустка, відпал).
В позначенні марки чавуну літери «ВЧ» позначають «високоміцний чавун», а число після букв - межа міцності при розтягуванні # 963; B в кг / мм 2.
Ковкими називаються чавуни, в яких графіт має пластівчасту форму. Такі чавуни виходять шляхом тривалого відпалу білого доевтектичний чавуну. Пластівчастий графіт, на відміну від пластинчастого, менше знижує механічні властивості металевої основи, в слідстві чого ковкий чавун володіє більш високою міцністю і пластинчастих, ніж сірий чавун.
За структурою металевої основи ковкие чавуни бувають Феритний і Перлітний. Перлітні ковкие чавуни мають більш високу межу міцності, але знижену пластичність. (Табл.1.3)
Механічні властивості і призначення ковкого чавуну (ГОСТ1215-85).
Ковкий чавун у багатьох випадках замінює деталі зі сталі, так як за механічними властивостями деталі наближаються до сталевих, а за ціною виходять на 20-30% дешевше. Недоліком технології отримання ковких чавунів є складність і велика енергоємність процесу, тому ковкий чавун ні в Радянському Союзі, ні в країнах СНД поширення не отримав. В основному ковкий чавун використовується для виготовлення відповідальних виливків, що зазнають при експлуатації значні динамічні і знакозмінні навантаження (наприклад, колінчаті вали, маточини вантажівок, приводні ланцюги конвеєрів та ін.)
В позначенні марки ковкого чавуну літери «КЧ» означають «ковкий чавун». Перша пара цифр - межа міцності в МПа, друга пара цифр-відносне подовження в%.
Леговані чавуни виходять при введенні в їх склад легуючих компонентів (Cr, Si, Al, Ni, Mn і ін.) Легування проводиться для отримання будь-яких особливих властивостей: зносостійкості, жаростійкості, корозійної стійкості та ін.
З легованих чавунів можна виділити наступні групи:
Наприклад, ЖЧЮ 7Х2- жаростійкий чавун, алюмінію -7%, хрому -2%.
Зносостійкість чавуну підвищується при збільшенні в структурі кількості карбідів як простих (цементиту), так і спеціальних (карбідів хрому, вольфраму, ванадію і т.д.). Металева матриця повинна міцно утримувати тверду складову (карбіди) і запобігати її крихке руйнування. Характерним представником зносостійких чавунів є високохромисто зносостійкий чавун ІЧХ20М2Г3Н2. Середній хімічний склад високохромистого чавуну: С = 2,6-3%, Si = 0,3-1,4%, Mn = 0,5-5,5%
Cr = 12-30%, Mo = 0,4-4%, Ni = 0-3%. S≤0,08%. P≤0,1%.
Механічні властивості і призначення деяких марок чавуну наведені в
Застосування зносостійкого чавуну в машинобудуванні.
Футеровка кульових млинів, кулі та інші тіла, що мелють, молотки дробарок
Зносостійкість високохромистого чавуну перевищує сталь Ст20 від 6 до 14 разів. В умовах гідроабразивна зносу стійкість високохромистого чавуну перевищує, зносостійкість високомарганцевой стали Г13Л в 6 разів.
Існують і інші види зносостійких чавунів (білий низьколегований, ОІ-1, ІЧХ4Г7Д, ніхард і т.д.), але вони поступаються високохромисто по зносостійкості і тому застосовуються рідше.
Жаростійкі чавуни використовуються для виготовлення деталей працюють в газовій, повітряної, лужної середовищах при температурах 500-1100 ° С. Жаростійкістю чавуну по ГОСТ 7769-85 називається здатність чинити опір росту і окалинообразования при заданій температурі. Опір окисленню чавуну обумовлено наявністю на поверхні щільних захисних окисних плівок (оксиди Al. Si. Cr). які оберігають метал від подальшого окислення при високих температурах. Жаростійкі чавуни бувають хромисті, кременисті та алюмінієві. Середній хімічний склад жаростійких чавунів:
С = 2,0-3,9%, Si = 1,5-6,0%, Mn = 0,4-1,0%, Cr = 0,5-32%, Al = 19-25%.
Структура хромистого чавуну складається з ферроідізірованного перліту, окремих включень карбідів і графіту. У високохромисто сплаві
(26-30% Cr) структура складається з твердого розчину хрому в # 945; залізо і карбідів у вигляді карбіду евтектики (при С> 2%).
Механічні властивості і призначення деяких марок жаростійкого чавуну наведені в таблиці 1.5.
Застосування жаростійкого чавуну в машинобудуванні (ГОСТ7769-85).