1. Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода при малом содержании других элементов, называются углеродистыми сталями. Они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются.Углеродистые (нелегированные) стали являются наиболее дешевыми сталями и составляют около 80 % объема продукции черной металлургии. Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств стали. Рост прочности происходит до 0,8–1,0 % углерода. При увеличении содержания углерода более 0,8 % уменьшается не только пластичность, но и прочность. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен, легко разрушающейся при нагружении. Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии. Лучше всего обрабатываются резанием среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3–0,4 % С. Низкоуглеродистые стали при механической обработке дают плохую поверхность и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что снижает стойкость инструмента. Постоянными примесями в углеродистых сталях являются: марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые примеси — газы: кислород, азот, водород.
Полезными примесями являются марганец и кремний. Их вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления. Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным источником серы в стали является исходное сырье — чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, особенно при низких температурах, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке.
Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству. По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8 % С, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8 % С, структура которой состоит только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8–2,14 % С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.
По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.
По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.
По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали.
Углеродистые стали обыкновенного качества содержат С ≤ 0,49 % .
Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 10, 15, ..., 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) и высокоуглеродистые конструкционные (до 0,65 % С). Углеродистые стали, содержащие 0,7–1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7, У13, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.
Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы.
1. Стали 05, 08, 10 — малопрочные, высокопластичные; из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий.
2. Стали 15, 20, 25 — цементуемые, предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т. п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина.
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большой прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые.
Чугуны — это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.
Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:
Степень эвтектичности SЭ — отношение концентрации углерода С в чугуне к его концентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора.
Углеродный эквивалент определяется как:
Сэк = С + 0,3(Si + P)
Чугуны подразделяются на: доэвтектические (Sэ < 1, Cэв < 4,2–4,3), эвтектические (Sэ 1, Сэк 4,2–4,3) и заэвтектические (Sэ > 1, Cэв > 4,2–4,3).
В зависимости от степени графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.
Белые чугуны — получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe3C, а не графит. Они как конструкционный материал не применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига. Серые чугуны — образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.
Половинчатые чугуны — занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде Fe3C. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.
Промышленные чугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, до 03 % Р и до 0,2 % S. В отдельную группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные. Серый чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа. Поскольку строение чугуна зависит не только от его химического состава, но и от условий плавки и литья, то эти условия также влияют на механические свойства чугуна. С ускорением охлаждения мельче становятся включения графита, уменьшается его количество, увеличивается доля перлита и уменьшается межпластиночное расстояние в перлите. Все эти факторы приводят к повышению прочности и твердости при заданном химическом составе чугуна. Основные области применения серого чугуна — станкостроение и тяжелое машиностроение (станины станков, разнообразные корпусные детали), автомобильная промышленность и др. Чугуны с шаровидным графитом, используемые в промышленности с 40-х годов, называют высокопрочными и, маркируются буквами ВЧ, за которыми следует число, указывающее значение временного сопротивления при растяжении в МПа (например ВЧ 50). Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом используют для замены литой стали в изделиях ответственного назначения (валки горячей прокатки, станины и рамы прокатных станов, молотов и прессов). Высокопрочный чугун используют и для замены серого чугуна с пластинчатым графитом, если необходимо увеличить срок службы изделия или снизить массу.
2.Для производства отливок используются сплавы черных металлов: серые,
высокопрочные, ковкие и другие виды чугунов;
углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов;
медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые
сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые, вольфрамовые
и др.
Литейные сплавы должны обладать высокими литейными свойствами (высокой
жидкотекучестью, малыми усадкой и склонностью к образованию трещин и др.);
требуемыми физическими и эксплуатационными свойствами. Выбор сплава для тех
или иных литых деталей сложной задачей, поскольку все требования в реальном
учесть не представляется возможным.
Изготовление отливок специальными способами литья.
. Быстрыми темпами развиваются специальные способы литья: в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное, под давлением, центробежное и другие, позволяющие получать отливки повышенной точности, с малой шероховатостью поверхности, минимальными припусками на механическую обработку, а иногда полностью исключающие ее, обеспечивают высокую производительность труда и т. д.
Литье в оболочковые формы.
Оболочковые формы (разъемные, тонкостенные), изготовляют следующим
образом: металлическую модельную плиту, нагретую до температуры 200—250
°С, закрепляют на опрокидывающем бункере с формовочной смесью
и поворачивают его на 180° .Формовочная смесь, состоящая из
мелкозернистого кварцевого песка (93—96 %) и термореактивной смолы ПК-104
(4—7 %), насыпается на модельную плиту и выдерживается 10—30 с. От теплоты
модельной плиты термореактивная смола в пограничном слое переходит в жидкое
состояние, склеивает песчинки с образованием песчано-смоляной оболочки
толщиной 5—20 мм в зависимости от времени выдержки. Бункер возвращается в
исходное положение, излишки формовочной смеси ссыпаются на дно
бункера, а модельная плита с полутвердой оболочкой снимается с бункера и
нагревается в печи при температуре 300—350 °С в течение 1—1,5 мин, при этом
термореактивная смола переходит в твердое необратимое состояние. Твердая
оболочка снимается с модели специальными толкателями.
Аналогично изготовляют и вторую полуформу.
Готовые оболочковые полуформы склеивают быстротвердеющим клеем на
специальных прессах, предварительно установив в них литейные стержни, или
скрепляют скобами. Кроме оболочковых форм этим способом изготовляют
оболочковые стержни, используя нагреваемыестержневые ящики. Оболочковые формы и стержни изготовляют на одно- и многопозиционных автоматических машинах и автоматических линиях.