Класифікація чавунів та сталей. Характеристика видів та маркування

Чавун — це сплав заліза з вуглецем (вміст його становить по­над 2 % за масою) та іншими елементами.

До складу чавуну входить також кремній (Si) — від 0,5 до 3,6% і марганець (Мп) — від 0,5 до 1,5%; фосфор (Р) — 0,2% і сі­рка (S) — 0,1—0,2%. Кремній сприяє графітизації (виділенню графіту), марганець перешкоджає графітизації, але знешкоджує сірку, яка робить чавун крихким і є шкідливою домішкою. Фос­фор поліпшує рідиннотекучість і в розмірі 1% не знижує механі­чних властивостей.

Вуглець у складі чавуну може перебувати у вигляді хімічної сполуки з залізом — карбідом заліза, може бути у вільному стані, тобто у вигляді графіту, і може бути частково у вільному, частко­во у сполученому стані.

На властивості чавуну значною мірою впливає кількісне спів­відношення вмісту зв'язаного і вільного вуглецю, а також форма графітових включень.

Чавун, в якому весь вуглець перебуває у зв'язаному із залізом стані у вигляді БезС (карбід заліза), називається білим чавуном (за білим кольором зламу). Він не містить видимих під мікроско­пом включень графіту. Білий чавун дуже твердий (НВ 450—550) і крихкий, погано піддається технологічній обробці і тому має обмежене використання. Він, в основному, переробляється в сталь. Для поліпшення експлуатаційних характеристик (підви­щення зносостійкості, жаростійкості, корозієстійкості) до складу чавуну вводять леговані елементи: нікель, хром, вольфрам, алю­міній і т. ін. Білі леговані чавуни дуже міцні, зносостійкі, жаро­стійкі, тому з них виготовляють гальмові колодки, ножі екскава­торних ковшів, деталі дробарок, котлів і т. ін.

Графітизовані чавуни — це чавуни, які мають видимі під мік­роскопом включення графіту в структурі після ствердіння та в результаті накладення зовнішніх дій (термічних, силових та ін­ших) у твердому стані.

До числа графітизованих чавунів належать: чавун з пластин­частим графітом, чавун з вермикулярним графітом, чавун з куля­стим графітом, ковкий чавун, половинчастий чавун (з двох скла­дових: «білої» (ледебуритно-карбідно-перлітної) та «сірої» (перлітно-феритно-графітної)).

У доменному виробництві виплавляють 3 види чавунів — переробний, ливарний і спеціальний (феросплави).

Переробний чавун відповідно до ДСТУ 3133-95 призначений для сталеплавильного виробництва, виготовляють марок ПІ і П2; для ливарного виробництва — марок ПЛІ, ПЛ2, ПЛЗ; фосфорис­тий — марок ПФ1, ПФ2, ПФЗ; високоякісний — марок ПВК1, ПВК2, ПВКЗ.

Ливарний чавун використовується для виробництва машино­будівних ливарних чавунів в чавуноливарних виробництвах.

Для самостійного використання з нього одержують ливарні деталі для різноманітних механізмів і машин ливарними мето­дами.

Переваги чавуну полягають у високих ливарних властивостях і невеликій ціні (у порівнянні зі сталлю). Температура розплав-лення чавуну на 300—-400°С нижча, ніж у сталі, що скорочує процес ливарництва.

Чавуни за рахунок вмісту графіту добре обробляються різан­ням, а також утворюється більш чиста поверхня готових виробів, ніж при обробці сталі.

Чавун має високу твердість і низьку пластичність, він крих­кий, тому його неможливо піддавати пластичній деформації. Че­рез низьку пластичність і високий вміст вуглецю чавун погано зварюється. Хімічні властивості його низькі, він піддається всім видам іржавіння.

Ливарний чавун менш крихкий, добре обробляється різанням через високий вміст кремнію, який сприяє графітизації, має добрі антифрикційні властивості, великий опір стисненню, достатньо високу міцність при розтягненні, згинанні, різанні, стискуванні.

Використовується в машинобудуванні як найбільш дешевий спосіб виготовлення деталей.

Маркується літерою Л і числами, які показують вміст крем­нію. Випускають сім марок ливарного чавуну: ЛІ; Л2; ЛЗ; Л4; Л5; Л6; Л7. Чим вище число, тим менший вміст кремнію (ЛІ — 3,6% Si; Л7 —0,8% Si).

Залежно від вмісту марганцю, фосфору, сірки ливарний чавун ділиться на чотири групи (І, II, III, IV), п'ять класів (А, Б, В, Г, Д) і чотири категорії (І, II, III, IV).

Машинобудівні чавуни. За формою графітових включень ма­шинобудівні ливарні чавуни діляться на:

• сірі чавуни — форма графітових включень у вигляді пластин;

• високоміцні — включення графіту кулеподібної форми;

• ковкі чавуни — включення графіту вермикулярної форми.

Держстандарт установлює 8 марок сірого чавуну: СЧ-10; СЧ-15; СЧ-20; СЧ-25; СЧ-30; СЧ-35; СЧ-40; СЧ-45. Принципи маркування сірого чавуну: СЧ — сірий чавун (його назва за сірим кольором зламу). Число показує середню величину тимчасового опору розри­ву: σ_в = 100 МПа або 10 кгс/мм². Твердість цих чавунів НВ = 143...255; δ = 0,2—0,5 %. Хімічний склад: С = 3,2 - 3,5%; Si = 1,9— 2,5%; Мn = 0,5—0,8 %; Р = 0,1—0,3%; S ≤ 0,125%.

Регулюванням сумарного вмісту вуглецю і кремнію в розпла­вленому чавуні, а також швидкістю охолодження в формі, можна одержати виливки з різноманітною структурою.

Сірі чавуни ідеальні ливарні сплави з невисокою температу­рою плавлення 1100°С і при твердінні не дають усадочності. Во­ни дешевші, ніж сталь, а виливки з них менше жолобляться і утворюють тріщини, мають більш чисту поверхню, тому що ме­нше взаємодіють з піщаною формою. Виливки більш тонкостінні, ніж виливки зі сталі, що призводить до менших витрат металу.

Марки СЧ10 — СЧ20 використовуються для одержання вили­вок, які менше навантажуються, це кришки, фланці, маховики.

Чим вища марка, тим надійніші виливки щодо несучої спро­можності.

Основними складовими структур, які визначають їх властиво­сті, крім графіту, є ферит, цементит, перліт.

Високоміцний чавун, що має кулясту форму графіту, одер­жують обробкою розплавленого чавуну різноманітними модифі­каторами (магній, церій, марганець).

Хімічний склад: С = 2,7—3,6%; 5/ = 1,9—2,8%; Мn =0,2—0,9; Р = 0,1%; S = 0,1%; Сr = 0,15%.

Високоміцний чавун у 3 рази міцніший, ніж сірий, відзнача­ється пластичністю, добре обробляється різальним інструментом, має добрі ливарні властивості.

Марка чавуну визначається його тимчасовим опором розриву під час розтягання, умовною границею плинності та відносним видовженням.

Умовне позначення марки чавуну з кулястим графітом містить літери ВЧ: В — високоміцний, Ч — чавун), цифрове позначення мінімального значення тимчасового опору під час розтягання, в МПа, та через дефіс — мінімального значення відносного видов­ження, у відсотках.

Приклад умовного позначення марки чавуну з кулястим гра­фітом з мінімальним значенням тимчасового опору під час роз­риву 500 МПа та мінімальним відносним подовженням 2%: ВЧ 500-2 ДСТУ 3925-99. Виготовляється всього 12 марок такого ча­вуну (див. табл. 3.1).

Механічні властивості чавуну повинні відповідати вимогам, зазначеним у табл. 1.

Механічні властивості високоміцного чавуну (згідно ДСТУ 3925-99)

Використовується для виготовлення високонавантажувальних деталей: колінчатих валів вагою від кількох кілограмів до 2—З тонн, деталей турбін, прокатних валиків, шпинделів, супортів, шаботів ковочних молотів і т. ін.

Чавун з вермикулярною формою графіту по міцності переве­ршує сірі і має більш високу пластичність

Хімічний склад: С = 3,1—3,5%; Si = 2,0—2,8%; Мn = 0,6—1,2%; Р = 0,05—0,08%; S = 0,02%; Сr = 0,1—0,3%; Mg = 0,012—0,028%; Са = 0,01—0,06%; рідкоземельні = 0,03—0,12%.

Марка чавуну визначається його тимчасовим опором розриву під час розтягнення, умовною границею плинності та відносним видовженням.

Приклад умовного позначення марки чавуну з вермикулярним графітом з тимчасовим опором розриву під час розтягнення 300 МПа та відносним видовженням 4%: ЧВГ 300-4 ДСТУ 3926-99.

Механічні властивості чавуну повинні відповідати вимогам, які наведені у табл. 2.

Таблиця 2

Механічні властивості чавуну з вермикулярним графітом


Із ковких чавунів виготовляють корпуси повітряного інстру­менту, кронштейни, гальмові колодки, кратери і редуктори (ви­користовуються в автотракторобудуванні), фітинги. Виливки із ковкого чавуну мають властивості, близькі до стальних виливок.

Ковкий чавун одержують внаслідок спеціального тривалого високотемпературного відпалу вихідної литої заготовки із білого чавуну.

Точність чавунних виливок характеризується трьома класами (при­пущеннями відхилень від розмірів) І, П, Ш; але І — найбільш точний.

Марку на виливці проставляють на поверхні, яка не підлягає обробці. Маркування може бути у вигляді виливки, карбування, нанесення фарби.

Спеціальні чавуни або феросплави. їх використовують при ви­плавці сталі як спеціальні домішки для її розкислювання (відбору кисню з розплавленої сталі) і легування. Це сплави заліза з крем­нієм (Fe =18—50%, Si = 60—95%, С = 2—2,5%) і марганцем, а також хромом (феромарганець, ферохром, феросиліцій, фероси-лікомарганець і т. ін.).

Феросилікомарганець - сплав, основою якого є залізо та мар­ганець із масовою часткою від 10 до 35% та фосфор, сірка і вуг­лець з обмеженими верхніми значеннями масових часток, одер­жаний способом відновлення оксидних матеріалів. Випускається таких марок: МнС 25, МнС 22, МнС 17, МнС 12, де літери Мн - означають марганець, С — кремній, наступні за ними цифри - середню масову частку кремнію в цілих одиницях. Частка марга­нцю не менше 60—65%, вуглецю від 0,5—3,5%.

Вуглецеві сталі класифікують за структурою, способом виробництва і роз­кислення, за якістю.

За структурою розрізняють: доевтектоїдну сталь, що містить до 0,8 % С, структура якої складається із фериту і перліту; евтектоїдну, що містить біля 0,8 % С, структура якої складається тільки з перліту; заевтектоїдну, що містить 0,8—2,14 %С, структура якої складається із зерен перліту, навколо яких розміщена сітка цементиту.

За способом виробництва розрізняють сталі, що виплавляються в електро­печах, мартенівських печах і киснево-конверторним способом.

За способом роскислення розрізняють кип'ячі, напівспокійні і спокійні сталі.

За якістю розділяють сталі на звичайної якості і якісні. Сталі звичайної якості містять не більше 0,05 % S і не більше 0,04 % Р. Якісні сталі містять не більше 0,04 % S (у випадку інструментальних сталей до 0,03 % S) і не більше 0,035 % Р, вони менш забруднені неметалічними включеннями і газами. В особливо відповідальних випадках ці сталі містять менш ніж 0,02 % S і 0,03 % Р.

Тому при однаковому вмісті вуглецю якісні сталі мають більш високі пластичність і в'язкість, особливо при низьких температурах. Якісні сталі застосовують ширше для виготовлення виробів, що експлуатуються при низьких кліматичних температурах, зокрема в умовах Півночі.

Сталі звичайної якості виготовляють згідно ГОСТ 380-88. Виплавлення їх проводиться у великих мартенівських печах і кисневих конверторах. Позначають їх буквами «Ст» і цифрами від 0 до 6, наприклад: Ст0, Ст1 — Ст6. Букви «Ст» позначають «Сталь», цифри — умовний номер марки сталі в залежності від її хімічного складу. В кінці позначення марки стоять букви «кп», «пс», «сп», які вказують на метод роскислення: «кп» — кипляча, «пс» — напівспокійна, «сп» — спокійна.

Хімічний склад сталі повинен відповідати нормам, наведеними в табл. 3.
Таблиця 3

Хімічний склад вуглецевих сталей звичайної якості, ГОСТ 380-88

Якісні вуглецеві сталі виплавляються в електропечах, кисневих конверторах і мартенівських печах відповідно ГОСТ 1050-88. Якісні сталі поставляють за хімічним складом і за механічними властивостями (табл. 8). До них висувають більш жорстокі вимоги по вмісту шкідливих домішок — не більше 0,04 % S та 0,035 % Р.

Склад і властивості деяких марок якісних вуглецевих сталей, ГОСТ 1050-88

Якісні вуглецеві сталі маркують двозначними цифрами 05, 10, 15—60, які вказують на середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка.

При позначенні киплячої або напівспокійної сталі в кінці марки вказується ступінь розкисленості буквами «кп», «пс». У випадку спокійної сталі ступінь розкисленості не вказується.

За вмістом вуглецю якісні вуглецеві сталі поділяються на низьковуглецеві до 0,25 % С, середньовуглецеві 0,3—0,5 % С і високовуглецеві конструкційні до 0,65 % С.

Для виробів відповідального призначення застосовують високоякісні сталі з більш низьким вмістом сірки і фосфору. Низький вміст шкідливих домішок

у високоякісних сталях не більше 0,02 % S та 0,03 % Р ускладнює їх виробництво і робить їх більш дорогими, тому високоякісними сталями виготовляють не вуглецеві, а леговані сталі. При позначенні високоякісних сталей в кінці марки добавляється буква «А», наприклад сталь У10А.

Вуглецеві сталі, що містять 0,7—1,3 % С, використовують для виготовлення, ударного і ріжучого інструменту. їх маркують У7, У13, де «У» означає вуглецеву сталь, а цифра — вміст вуглецю в десятих долях відсотка.

Класифікація і маркування легованих сталей

Для легованих сталей використовують класифікацію за структурою в рівно­важному стані, за структурою після охолодження на повітрі, за кількостю легуючих елементів і за призначенням.

За рівноважною структурою сталі поділяються на доевтектоїдні із надлиш­ковим феритом у структурі, евтектоїдні з перлітною структурою, заевтектоїдні з надлишковими карбідами, ледебуритні сталі, в структурі яких присутні первинні карбіди, що виділились з рідкого стану. Виділення карбідів обумовлене тим, що легуючі елементи зсувають вліво точки S і Е діаграми залізо-вуглець. Тому границя між перерахованими сталями проходить при меншому вмісті вуглецю в порівнянні із значеннями, вказаними на діаграмі Fe—Fe₃C.

Враховуючи, що деякі елементи різко звужують або розширюють область γ-заліза, крім цих груп сталей розрізняють аустенітні і феритні сталі.

Вуглецеві сталі бувають перших трьох класів, леговані — всіх шести класів.

За структурою після охолодження на повітрі розрізняють перлітні сталі, що характеризуються низьким вмістом легуючих елементів і відповідно невисокою стабільністю переохолодженого аустеніту; мартенситні сталі зі середнім вмістом легуючих елементів і відповідно високою стабільністю аустеніту і аустенітні сталі, що містять велику кількість легуючих елементів і зберігають аустенітну структуру при кімнатній температурі.

За кількістю легуючих елементів розрізняють низьколеговані сталі, що містять до 2,5 % легуючих елементів, середньолеговані від 2,5 до 10 % і високолеговані сталі, які містять понад 10 % легуючих елементів.

За призначенням розрізняють три групи сталей: конструкційні (машинобудівні і будівельні), інструментальні (штампові, для різального і вимірювального інструменту) і сталі з особливими фізичними і хімічними властивостями (корозійностійкі, жароміцні, електротехнічні, магнітні та ін.).

В Україні при позначенні легованих сталей використовується система літер і цифр, певне сполучення яких відповідає кожній марці сталі.

Легуючі елементи позначають буквами алфавіту: X — хром, Н — нікель, В — вольфрам, М — молібден, Ф — ванадій, Т — тітан, Ю — алюміній, Д — мідь, Г — марганець, С — кремній, К — кобальт, Ц — цирконій, Р — бор, Б — ніобій. Буква А в середині марки сталі показує вміст азоту, а в кінці марки — те, що сталь є високоякісною.

Для конструкційних марок сталей перші дві цифри показують вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Якщо вміст легуючого елемента більше 1% після літери вказують його середнє значення в цілих відсотках. Якщо вміст легуючого елемента біля 1 %, або менше, то після відповідної літери цифру не ставлять.

Як основні легуючі елементи в конструкційних сталях застосовують до 2 % Сг, 1—4 % Ni, до 2 % Мn, 0,6—1,2 % Si. Такі легуючі елементи, як Mo, W, V, Ті у більшості випадків вводять у сталь разом із Сг, Ni з метою додаткового покращення тих чи інших фізико-механічних властивостей. В конструкційних сталях ці елементи знаходяться в наступних кількостях: 0,2—0,4 % Мо; 0,5— 1,2 % W; 0,1-0,3 % V; 0,1-0,2 % Ті.

Наприклад, сталь 18ХГТ містить: 0,17—0,23 % С; 1,0—1,3 % Сг; 0,1—1,1 % Мn; біля 0,1 % Ті. Сталь 38ХНЗМФА — 0,3—0,4% С; 1,2—1,5% Сг; 3,0-3,5 % Ni; 0,35—0,45 % Мо; 0,1—0,18 % V; сталь 30ХГСА — 0,32—0,39 % С; 1,0—1,4 % Сг; 0,8—1,1 % Мп; 1,1—1,4 % Si.

У інструментальних сталях на початку позначення марки сталі ставиться цифра, що показує вміст вуглецю в десятих долях відсотка. Початкову цифру опускають, якщо вміст вуглецю біля 1 %.

Наприклад, сталь ЗХ2В8Ф містить: 0,3—0,4 % С; 2,2—2,7 % Сг; 7,5—8,5 % W; 0,2—0,5% V; сталь 5ХНМ — 0,5—0,55% С; 0,5—0,8% Сг; 1,4—1,8% Ni; 0,19—0,30 % Mo; ХВГ — 0,9—1,05 % С; 0,9—1,2 % Сг; 1,2—1,6 % W; 0,8— 1,1 % Мп.

Для деяких груп сталей приймають додаткові позначення. Марки автоматних сталей починаються з букви «А», підшипникових з букви «Ш», швидкорізальних — з букви «Р», електротехнічних — з букви «З», магніто-твердих — з букви «Е».

При маркуванні електротехнічних сталей (1211, 1313 та ін.) перша цифра означає клас за структурним станом і видом прокатування, друга — вміст кремнію, третя — втрати на гістерезис, четверта — групу за основною характеристикою, яка нормується. Разом три перші цифри означають тип сталі, а четверта — порядковий номер цього типу сталі.

Марки сталей для будівельних конструкцій позначають — С235, С245, С255, С345, С590К та ін., де буква «С» вказує на те, що сталь будівельна, цифри — границя текучості прокату, а буква «К» — варіант хімічного складу. Наявність у кінці позначення букви «Д» вказує на те, що сталь додатково легована 0,15— 0,30 % Си, наприклад, С345Д.

Для виготовлення рейок широкої колії типів Р75, Р65, Р50 застосовують сталі марок М76, М74, де буква «М» вказує на мартенівський спосіб виплавки, а цифри — середній вміст вуглецю у відсотках.

У кінці позначення марок особливо високоякісних сталей можуть стояти букви, що вказують на способи її додаткового переплаву. Букви «ВД» означають, що з метою покращення якості був проведений вакуумно-дуговий переплав, буква «Ш» — електрошлаковий, «ПД» — плазмодуговий, «ВЬ — вакуумно-індукційний.

Нестандартні леговані сталі, що випускаються заводом «Дніпроспецсталь», позначають буквами «ДИ». У всіх випадках після сполучення букв ставиться порядковий номер сталі, наприклад, ДИ8. Після освоєння марки металургійними і машинобудівними заводами умовні позначення замінюють загальновизнаним маркуванням, яке відображає хімічний склад сталі.

Ливарні сталі маркуються тією ж системою, букв і цифр, як і деформовані. Але в кінці марки додатково ставиться буква «Л», що означає ливарну сталь.

Жерсть у залежності від призначення, якості поверхні і властивостей поділяється на марки: ЧЖК, ЧЖР, ГЖГ, ГЖР, ЭЖК, ЭЖК-Д, ЭЖР-Д. Букви означають: «ЖК» — жерсть консервна, «ЖР» — жерсть різного призначення, крім тари для харчових продуктів, «Ч» — чорна, «Г» — гарячого покриття оловом, «Э» — елек­тротехнічного покриття оловом, «Д» — жерсть із диференційованим покриттям.

6. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАТЕРІАЛІВ

Для кількісної оцінки твердості найчастіше застосовують ста­тичне вдовбування за нормаллю до досліджуваної поверхні під заданим навантаженням дуже твердого наконечника  індентора. У цьому випадку число твердості характеризує опір матеріалів місцевій пластичній деформації, що виникає при вдовбуванні індентора.

Випробування на твердість відрізняються простотою і високою продуктивністю. Можна вимірювати твердість готових виробів, у тому числі великога­баритних (за допомогою переносних приладів, що встановлюються на виріб). Тому вимірювання твердості виявляються найбільш поширені з усіх механічних випробувань, як у дослідженнях, так і в контролі якості продукції у виробничих умовах.

1. Визначення твердості за Бринеллем

Кулька із загартованої сталі діаметром D вдовбується у зразок (виріб) під дією навантаження Р, після зняття якого вимірюють діаметр відбитка d (рис.1).

а

б

Рис. 1. Схема випробування твердості за методом Бринелля:

Рис. 2. Схема преса Бринелля

Звідси випливає, що твердість за Бринеллем має розмірність напруги кгс/мм². З метою наступності ця розмірність не замінена на МПа, як вимагає сучасна система міжнародних одиниць (СІ), тим більше, що поряд з числом твердості розмірність не вказують.

За методом Бринелля можна випробувати матеріали з твердістю не більше 450НВ, тому що при більшій твердості матеріалу кулька із загартованої сталі деформується.

Діаметр кульки, навантаження та тривалість витримки вибирають залежно від матеріалу й товщини зразка (табл. 1)

Вибір параметрів випробування при визначенні твердості за методом Бринелля

Якщо Р = 3000 кгс, D = 10 мм і витримка під навантаженням становить 10...15 с, тоді ці умови випробувань поряд зі значенням НВ не вказують. Будь-які інші умови випробувань повинні бути вказані. Наприклад, 185 НВ 5/650/20 означає твердість у 185 одиниць Бринелля при використанні кульки з D = 5 мм при Р = 650 кгс і тривалості витримки під навантаженням 20 с.

Між границею міцності при розриві і твердістю за Бринеллем різних матеріалів існує залежність:

_В = К  НВ кгс/мм², (2)

де сталь твердістю НВ:

<175............................_В  0,343 НВ;

>175............................_В  0,361 НВ;

мідь, латунь, бронза:

відпалена................................._В  0,55 НВ;

наклепана................................_В  0,40 НВ;

алюміній та його сплави:

з твердістю НВ 20-45.............._В  (0,33  0,36 НВ);

дюралюмін..............................………....._В  3,6 НВ.

Залежність часового опору розриву деяких вуглецевих і легованих сталей від чисел твердості за Бринеллем репрезентована в таблиці (див. додаток 2).

Визначення твердості за формулою (1) не практикується. Користуються го­товими таблицями, у яких наведені числа твердості залежно від діаметрів відбитка (див. додаток 3).