Жаропрочные чугуны легируют хромом и никелем, они могут иметь пластинчатую -или шаровидную формы графита; металлическая основа чаще бывает аустенитной. Чугуны ЧН19ХЗШ, ЧН11Г7Х2Ш применяют в нефтяной и химической промышленности, в газотурбиностроении для изготовления деталей компрессоров по сжижению газов, выпускных патрубков дизелей.
Немагнитные коррозионно-стойкие аустенитные чугуны, аустенитная основа которых сохраняется при положительной и отрицательной температурах, получают легированием высокопрочных и серых чугунов никелем в количествах более 12 % или марганцем в количествах более 9 %. Форма графита этих чугунов может быть пластинчатая и шаровидная. Кроме никеля и марганца аустенитные чугуны легируют хромом, медью, молибденом. Для снижения стоимости чугуна никель частично заменяют марганцем. Аустенитные слабомагнитные чугуны применяют в электротехнической промышленности и приборостроении. Как жаростойкие, коррозионно- и износостойкие чугуны применяют в химическом машиностроении, двигателёстроении (седла клапанов, выпускные патрубки, гильзы цилиндров, втулки направляющие), в турбостроении, для деталей насосов, перекачивающих щелочи, кислоты, морскую воду, для деталей, работающих при тепловых ударах.
Легированные чугуны
В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно - стойкие легированные чугуны,
Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.
Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.
Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3).
Жаропрочные легированные ЧНПГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500—600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.
Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.).
Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения.
Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан.
ГОСТ 1585-85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1 — АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регламентируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также содержатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.
Тема 3.2. Углеродистые стали.
Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.
3.2.1. Углеродистые стали обыкновенного качества
В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии. Эти стали преимущественно используются в строительстве как наиболее дешевые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения.
Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв сп, в полуспокойных — пс, в кипящих — кп. Например, СтЗсп, СтЗпс, СтЗкп. Спокойными и полуспокойными производят стали СТ1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4. Сталь СтО по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С < 0,23%), серы (S < 0,06%) и фосфора (Р < 0,07%). В остальных марках регламентировано содержание С, Mn, Si, S, Р, а также As и Р (табл. 3.1).
Для всех сталей, кроме СтО, справедлива следующая формула: С(%) и 0,07 х номер марки. Так, в стали СтЗ содержание С « 0,07 х 3 * 0,21% (фактически 0,14-0,22%).
Концентрация марганца возрастает от 0,25—0,50% в стали Ст1 до 0,50—0,80% в стали Стб. Три марки стали производят с повышенным (0,80—1,1%) содержанием марганца, на что указывает буква Г в марке: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.
Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих — не более 0,05%, у полуспокойных — не более 0,15%, у спокойных — не более 0,30%.
Степень раскисления определяет также различное содержание газообразных примесей, а следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали, имеющие более низкий порог хладноломкости /50. Так, для сталей СтЗсп, СтЗпсиСтЗкпон составляет—10; —10 и 0 соответственно. Для этих сталей химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94.
Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что прочность конструкции заведомо обеспечивается. На выбор стали большое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеродистые стали, из которых изготовляют сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции.
Стали, поставляемые по техническим условиям, имеют также и специализированное назначение: котло-, мосто- и судостроение. Стали Ст4 и особенно СтЗ широко применяют в сельскохозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, детали, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерни, червяки, поршневые пальцы и т.п.).
Среднеуглеродистые стали, обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Некоторые детали из этих сталей подвергают термическому упрочнению.
3.2.2. Углеродистые качественные стали
Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 3.2). Маркируют их двухзначными числами: 08,10, 15, 20,...,60, обозначающими среднее содержание углерода в сотыхдолях процента (ГОСТ 1050-88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10% С, сталь 45—0,45% С и т.д.
Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексами соответственно пс и кп. Кипящими производят стали 08кп, Юкп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными — 08пс, Юпс, 15пс, 20пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,03%); в полуспокойных его количество ограничено 0,05—0,17%.
Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 до 0,80%. Содержание азота для сталей, перерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006%; для остальных сталей-0,008%.
ГОСТ 1050-88 гарантирует механические свойства углеродистых качественных сталей после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку, — отжига или высокого отпуска.
Качественные стали находят широкое применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.
Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы:
• малопрочные и высокопластичные стали 08,10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготовляемых холодной деформацией и сваркой;
• цементуемые — стали 15, 20, 25. Предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемое™ упрочняется слабо. Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от —40 до +425 °С.