ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

СОДЕРЖАНИЕ
Железо и его сплавы.
Фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах.
Фазы и структурные составляющие.
Стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием.
Автоматные стали.
Стабильная диаграмма железо-углерод.
Классификация чугунов.
Белые, серые, высокопрочные, ковкие чугуны.
Формирование структуры чугунов.
Влияние углерода, кремния и скорости охлаждения на структуру чугунов.
Свойства и применение чугунов.
Маркировка чугунов.
Основное назначение легирующих компонентов.
Классификация легирующих элементов.

ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ.
Железо - один из наиболее распространенных в природе металлических элементов.
Железоуглеродистые сплавы, стали и чугуны в течение целой эпохи являлись основой развития человеческой цивилизации. И это связано, с одной стороны, с большой распространенностью железа в земной коре, а с другой, с уникальностью свойств сплавов на основе железа.
Такие свойства достигаются при взаимодействии железа углеродом, а также с многочисленными легирующими элементами, которые существенно изменяют структуру и фазовый состав железоуглеродистых сплавов. Фазовое и структурное состояние этих сплавов описывается диаграммой железо-углерод.

ФАЗЫ И СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ
В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы могут содержать следующие фазы: аустенит, феррит, цементит и графит. Структурные составляющие них сплавах могут состоять из одних этих фаз, а также из их смесей (ледебурита — эвтектическая смесь аустенита и цементита; перлита — эвтектоидная смесь феррита и цементита)
Аустенит является твердым раствором углерода в γ-железе. Предельная концентрация углерода в аустените составляет 0% при 1145°. С понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается до 0,08%. Такую предельную концентрацию аустенит имеет при 723°. Эта температура является одновременно нижней границей существования устойчивого аустенита в углеродистых сталях. Сталь, имеющая структуру аустенита, немагнитна и обладает большой пластичностью.
Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. В α-железе при 700° растворяется до 0,02% углерода, феррит характеризуется незначительными величинами твердости и прочности и высокой пластичностью.Механические свойства феррита сильно зависят от величины зерна.

Цементит — это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fе3С. Цементит содержит около 6,67% И и рода, весьма тверд и хрупок. Твердость его приближается его к НВ — 800. Цементит — нестабильное (эндотермическое) соединение и может в определенных условиях разлагаться.
Перлитом называют механическую смесь феррита и цементита, образующуюся при эвтектоидном распаде медленно охлаждаемого аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,80%. Твердость перлита НВ 180 ÷ 220. Сталь, содержащая 0,80%С, имеет чисто перлитную структуру.
Ледебурит — это механическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3%С. Так как при температуре 723° аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Таким образом, ниже 723° ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементитом, смесь перлита с цементитом.
Графит представляет собой свободный углерод, расположенный в основной массе металла в виде пластинок или зерен. Он образуется либо за счет распада цементита, либо выделяется н I пересыщенных жидких или твердых растворов.
Кроме указанных структурных составляющих, в технических железоуглеродистых сплавах наблюдаются в небольшом количестве и другиефазы — сульфиды, фосфиды, окислы, нитриды и структурные составляющие на их основе (например, фосфидная ввтектика в чугуне).

графит
цементит
феррит
Аустенит

Стали с повышенной обрабатываемостью резанием. Наиболее часто применяют автоматные стали А12, А20, А40, имеющие повышенное содержание серы 0.08-0.3, фосфора 0.05 и марганца 0.7-1.0. Сталь 40Г содержит 1.2-1.55 Mn. Фосфор, повышая твердость, прочность и охрапчивая сталь, способствует образованию ломкой стружки и получению высокого качества поверхности. Стали обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению, имеют пониженный предел выносливости.

Автоматные стали.
Автоматными называют стали, обладающие повышенной обрабатываемостью резанием.
Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, кальция, которые изменяют состав неметаллических включений, а также свинца, который образует собственные включения.
Автоматные стали А12, А20 с повышенным содержанием серы и фосфора используются для изготовления малонагруженных деталей на станках автоматах (болты, винты, гайки, мелкие детали швейных, текстильных, счетных и других машин). Эти стали обладают улучшенной обрабатываемостью резанием, поверхность деталей получается чистой и ровной. Износостойкость может быть повышена цементацией и закалкой.
Стали А30 и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие нагрузки.
У автоматных сталей, содержащих свинец, (АС11, АС40), повышается стойкость инструмента в 1…3 раза и скорость резания на 25…50 %.
Легированные хромистые и хромоникелевые стали с присадкой свинца и кальция (АЦ45Г2, АСЦ30ХМ, АС20ХГНМ) используются для изготовления нагруженных деталей в автомобильной и тракторной промышленности.
Автоматные стали подвергают диффузионному отжигу при температуре 1100…1150oС, для устранения ликвации серы.

Автоматные стали.
Опорный кронштейн из автоматной стали.
Как правило, гайки производятся из автоматной стали на станках-автоматах.
Автоматные детали. Диаметр обрабатываемых деталей от 2 до 32 мм.

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод (иногда говорят железо-цементит) — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.
Часть диаграммы состояния сплавов железо-цементит

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, содержащий >2,1% С. Кроме углерода в чугуне обычно содержится (в %): до 4 Si; 2 Мп; 0,3 Р; 0,25 S, а также 0,1 Cr, Ni или Cu.Классификация чугунов в зависимости от состояния углерода в сплаве:
белые,
серые,
ковкие,
высокопрочные чугуны.
В белом чугуне весь углерод находится в виде химического соединения с железом - цементита (Fе3С). Цементит обладает высокими твердостью (800 НВ) и хрупкостью, поэтому трудно поддается механической обработке. Из-за этого белые чугуны нашли ограниченное применение в качестве конструкционных материалов и служат в основном для получения ковких чугунов. При длительном обжиге белого чугуна цементит в нем распадается и углерод выделяется в свободное состояние.
Серые чугуны в изломе имеют серебристый цвет из-за наличия в них пластинчатых включений графита. Они широко используются в литейном производстве и выпускаются в соответствии с ГОСТ 1412-85. Прочность серого чугуна с пластинчатым графитом при растяжении находится в пределах 120.. .440 МПа, твердость 140...290 НВ. Структура серых чугунов в зависимости от состава и условий охлаждения может быть с перлитной, перлитно-ферритной и ферритной основой.

Чугун, полученный из белого чугуна продолжительным отжигом при температуре 800...850oС, называютковким. В отличие от серого чугуна в ковком углерод находится не в виде пластинчатого графита, а в виде хлопьевидного. Ковкий чугун по сравнению с серым чугуном обладает более высокой прочностью (300 ... 630 МПа), пластичностью и ударной вязкостью. Ковкий чугун имеет однородные свойства по сечению, в его отливках отсутствуют напряжения, ему при суши высокие механические свойства, он хорошо обрабатывается.
В промышленности получили распространение высокопрочные и легированные чугуны. В высокопрочномчугуне (ГОСТ 7293-85) углерод находится в виде шаровидного графита. Содержание основных элементов в таких чугунах составляет (в %): до 38 С; 2.9 Si; 0,9 Мn; 0,1 Сг; 0,02 S; 0,1 Р; 0,08 Mg. Чугуны с шаровидным графитом значительно превосходят по характеристикам серые чугуны. в частности по износо-, жаро- и коррозионной стойкости.
Белый чугун
ЧУГУН СЕРЫЙ
Чугун ковкий
Чугун высокопрочный.

Формирование структуры чугунов
Стали и чугуны являются сложными по составу сплавами, но в основном состоят из железа и углерода. Поэтому их с известным приближением можно рассматривать как двойные желозо-углеродистые сплавы
Влияние углерода, кремния и скорости охлаждения на структуру чугунов

Скорость охлаждения зависит от конструкции или приведенной толщиной отливки, температуры заливки, химического состава чугуна, теплофизических свойств материала формы и ее температуры.
Зависимость скорости охлаждения от толщины отливки весьма сложна. В первом приближении скорость охлаждения может быть принята обратно пропорционально толщине отливки (с - для плоской и диаметру d - для круглой отливки); приведенная толщина R равна соответственно с/2 и q/4

Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).
Области применения. Ковкий чугун как конструкционный материал широко применяют в различных отраслях машиностроения благодаря высоким физико-механическим свойствам отливок, несложной и стабильной технологии их производства и более низкой стоимости по сравнению с отливками из стали, поковками и штамповками. Основным потребителем отливок из ковкого чугуна является автомобиле-и тракторостроение, сельхозмашиностроение и другие отрасли промышленности.
Применение ковкого чугуна в различных отраслях промышленности
Применение серого чугуна в химическом машиностроении. Чугун, применяемый для деталей химического оборудования, отличается повышенной коррозионной стойкостью. Для него характерно более низкое содержание кремния и повышенное содержание легирующих элементов.
Применение серого чугуна в электромашиностроении . Для отливок станин электродвигателей, крышек, фланцев, щитов применяют нелегированный чугун марок СЧ 12-28 и СЧ 15-32 с высоким содержанием углерода и кремния и повышенным (до 0,5%) содержанием фосфора.

Маркировка чугунов
Маркировка чугуна.
По принятой в Советском Союзе маркировке обозначения марок доменных чугун содержат буквы и цифры.
Буквы указывают основное назначение чугун:
П — передельный для кислородно-конверторного и мартеновского промышленности
Л — литейный для чугунолитейного промышленности.
Марки чугун литейного промышленности, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна:
СЧ — серый чугун,
ВЧ — высокопрочный,
КЧ — ковкий;
В настоящее время практически ничего не изменилось и в производства разновидности чугуна маркируются следующим образом:
1. передельный чугун — П1, П2;
2. передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2,
3. передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,
4. передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
5. чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);
6. антифрикционный чугун
7. антифрикционный серый — АЧС,
8. антифрикционный высокопрочный — АЧВ,
9. антифрикционный ковкий — АЧК;
10. чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм);
11. чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

Пример обозначения легированных чугун:
ЧН19ХЗ — чугун, содержащий ~19% никель и ~3% Cr.
Если в легированном чугун регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).