Выбор марки литейного сплава

При выборе материалов деталей следует учитывать характер нагружения детали (статическая, динамическая или знакопеременная нагрузка), влияние размеров сечения детали (масштабный фактор), конструктивную форму (фактор формы) и, наконец, характер технологической обработки.

Выбор литейного сплава при конструировании литых деталей предназначенных для работы в заданных условиях определяется служебными (механическими, физическими, химическими и др.) и технологическими (литейными, обрабатываемостью) свойствами, а также стоимостью.

Для изготовления литых деталей применяют:

–чугун (серый, модифицированный, высокопрочный, ковкий, легированный);

– сталь углеродистую, легированную;

– медные, алюминиевые, магниевые, цинковые, свинцовые, оловянные и никелевые сплавы.

При конструировании литых деталей необходимо учитывать, что механические свойства металла могут быть неодинаковыми в различных по толщине сечениях отливки и даже пол сечению (в центре и на периферии), а также в верхних и нижних частях отливки. Это особенно характерно для чугуна, у которого механические свойства в значительной степени определяется скоростью охлаждения отливки в форме, поэтому детали с различной толщиной стенок характеризуются разными механическими свойствами.

Поэтому нельзя применять одни и те же формулы для расчетов сечений отливок из различных металлов и сплавов.

Как известно металл при затвердевании приобретает различное кристаллическое строение (различную величину, форму и расположение зёрен), зависящее от толщины сечения отливки, условий заливки и охлаждения. Кристаллическое строение, в свою очередь, определяет механические свойства литого изделия. Механические и иные свойства литой детали в значительной степени могут быть изменены термической обработкой.

§ Чугуны.

Наибольшее распространение в промышленной практике получили чугуны. Чугуном называют сплав на основе железа, содержащий более 2% углерода. Чугун разделяется на легированный и нелегированный. Нелегированным называют чугун, не содержащий других легирующих компонентов, кроме углерода.

Легированный чугун делят на низколегированный (не более 2.5% легирующих компонентов), и среднелегированный (от 2.5% до 10% легирующих компонентов) и высоколегированный (более 10% легирующих компонентов). В чугуне марганец считается легирующим элементом, лишь при содержании более 2%,кремний-более 4%. И фосфор более чем 1.5%.

Чугуны подразделяются на:

– белые (при содержании «С» до 4% в виде цементита),

– серые (при содержании «С» 2.5-3.7%, при этом до 0.9%С находится в химически связанном с железом состоянии),

– высокопрочные (получаются из серого чугуна путём его обработки в жидком состоянии небольшим количеством магния или другими элементами),

– ковкие (получаются путём специального отжига белого чугуна),

– антифрикционные (применяются в узлах трения),

– легированные (в состав входят Ni, Mo, Cr, Cu, W, V, Al, Ti, и др.).

Серые чугуны СЧ10-СЧ15 ГОСТ1412-79, где (10-15) – предел прочности при растяжении, кг/мм².

Ковкие чугуны: КЧ 30-6 до КЧ 63-2 ГОСТ 1215-79, где 30-63 – предел прочности, 6-2 – относительное удлинение в %.

Высокопрочные чугуны (с шаровидным графитом) от ВЧ 38-17 до ВЧ 120-2 ГОСТ 7293-79.

Антифрикционные чугуны: обозначаются тремя буквами: АЧ – антифрикционный чугун, С – серый чугун (с пластинчатым графитом), К – ковкий (с компактным графитом), В – высокопрочный (с шаровидным графитом). От АЧС-1 до АЧС-6 ГОСТ 1585-79; АЧВ-1 и АЧВ-2; АЧК-1 и АЧК-2, где цифра обозначает номер сплава.

Температура плавления чугунов от 1150 до 1200 градусов.

Линейная усадка СЧ: мелкое литьё 0,8-1,2%, среднее 0,6-1,0%, крупное 0,4-0,6%.

Серый чугун. Механические свойства серого чугуна одного и того же химического состава в зависимости от толщины стенки, скорости охлаждения технологии изготовления отливки, выплавки и состава шихты могут колебаться в значительных пределах, поэтому в технических условиях следует учитывать только механические свойства и структуру.

Механические свойства серого чугуна определяются структурой металлической основы, а так же формой и расположением графита. Включения графита действуют как внутренние надрезы, поэтому серый чугун с пластинчатым графитом характеризуется сравнительно низкой прочностью и особенно низкой пластичностью.

Вместе с тем наличие графита придаёт чугуну ряд ценных качеств, например, низкая чувствительность к внешним надрезам, высокую циклическую вязкость и высокую конструктивную прочность.

Серый чугун обладает лучшими литейными свойствами, чем сталь: высокой жидкотекучестью, малой усадкой, в значительно меньшей степени склонен к образованию напряжений и трещин.

Детали из серого чугуна легко обрабатываются резанием, хорошо сопротивляются износу, впитывают и удерживают смазочные масла на трущихся поверхностях.

Зависимость механических свойств от толщины стенки и марки СЧ можно выделить на примере:

Марка	Химический состав. % σв и σизг при толщине стенки в мм.
	С	Мn	Si
СЧ 15	3.6	0.5-0.8	2.0-2.4	21-52^*	18-45	12-32	8.5-21
СЧ 25	3.3	0.6-0.9	1.4-1.7	30-60	27-54	21-42	15-30
СЧ 35	3.1	0.7-1.0	1.0-1.3	--	34-60	29-51	23-41

* Первое число – σ_в, кгс/мм²; второе – σ_изг, кгс/мм² [1] стр. 41, табл. 2.

Рекомендации по применению серого чугуна (ГОСТ 1412-79):

СЧ 00 – для неответственных деталей (опоки, грузы, рамки);

СЧ 10 – для слабонагруженных деталей с минимальным короблением, износ не важен (строительные и бытовые отливки, колонны, рамы, радиаторы, посуда, кожухи, плиты, стойки, подшипники и т.д.);

СЧ 15 – СЧ 20 – детали, не допускающие большого коробления, в условиях износа при удельных давлениях между трущимися поверхностями < 5 кгс/см^² (компрессорное литьё, основания станков станины и детали сложной конфигурации, салазки, столы, шестерни, кронштейны, планшайбы, шкивы).

СЧ 20-СЧ 25 – детали, работающие при повышенных напряжениях, подвергающиеся поверхностной закалке, от которых потребуется герметичность (станины и стойки долбёжных, фрезерных, строгальных, расточных станков; станины станков с направляющими, зубчатые колёса, маховики, диски сцепления, тормозные барабаны, водо- и паронепроницаемые отливки).

СЧ 30-СЧ 40 – детали, работающие при высоких напряжениях и удельных давлениях между трущимися поверхностями или подвергающиеся поверхностной закалке, от которых требуется высокая герметичность (станины ножниц и прессов, блоки и плиты многошпиндельных станков, патроны токарных станков, зубчатые колёса станины с направляющими токарных станков и сильно нагруженные муфты, кулачки, коленчатые валы и блоки цилиндров; гидроцилиндры, корпуса насосов и золотников высокого давления).

Высокопрочный чугун с шаровидной формой графита ГОСТ 7293-79.

Такой чугун имеет высокие механические свойства, обладает некоторыми специфическими технологическими и эксплуатационными свойствами: хорошей жидкотекучестью, малой величиной линейной усадки, незначительной склонностью к образованию горячих трещин, износостойкостью, высокими антифрикционными свойствами, высокой жаростойкостью при легировании его кремнием и алюминием; хорошо поддаётся механической обработке на станках, автогенной резке и допускает заварку литейных дефектов.

«ВЧ» сохраняет свои механические свойства до температуры 450-500 градусов.

Отливки из «ВЧ» почти однородны по всему сечению, поэтому в пределах одной отливки допускается сочетание стенок 10-30 и 100-300 мм.

Применяя различные виды термической обработки чугуна с шаровидным графитом (нормализацию, термическую закалку) можно получать чугун с различной структурой и свойствами. Свойства чугуна с шаровидным графитом в ряде случаев позволяют применять его вместо стальных поковок, стального литья, ковкого чугуна, серого чугуна и бронзы. «ВЧ» с шаровидным графитом делится на два класса: перлитный и ферритный. «ВЧ» может конкурировать с углеродистой сталью.

«ВЧ»	Углеродистая сталь	«СЧ»	«КЧ»
sВ = 40-60	40-60 кг/мм^2	12-24	30-40
sТ = 30-42	20-35 кг/мм^2	-	12-28
d = 1,5-10	10-15 %	-	≤12

«ВЧ» применяется как новый материал и как заменитель стали, ковкого и серого чугуна. По сравнению со сталью обладает большей износостойкостью, лучшими антифрикционными и антикоррозийными свойствами, лучшей обрабатываемостью. Вследствие меньшей плотности отливки легче стальных на 8-10%. Из высокопрочного чугуна, в отличие от ковкого, можно отливать детали любого сечения, массы и размеров.

«ВЧ» с шаровидным графитом применяется: в станкостроении – суппорты, резцсодержатели, планшайбы, шпиндели, рычаги и др.; прокатные валки станов, станины станков, молотов, прессов, барабаны тельферов, коленчатые валы, поршни, гильзы, шатуны, кулачковые валики и т.д.

Ковкий чугун

Отливки из ковкого чугуна получают путём отжига белого чугуна с целью придания ему необходимых механических свойств и получения структуры состоящей, состоящей из феррита, перлита и углерода отжига.

Ковкий чугун применяется в основном для небольших отливок, работающих в условиях динамических нагрузок. Главной причиной его ограничения являются технологические затруднения в процессе изготовления отливок, необходимость длительной термической обработки, ограниченные допускаемые размеры сечений – не более 30-40 мм и др.

Рекомендации по применению:

КЧ 30-6: вентили, детали с/х. машин, корпуса ручных инструментов и приборов.

КЧ 33-8: детали тормозов, хомуты, колодки, ключи.

КЧ 35-10, КЧ 37-12: корпуса, станины, кронштейны, катки, втулки.

КЧ 45-6 до КЧ 56-4: зубчатые колёса, червячные колёса, поршни.

КЧ 60-3 Износостойкие детали (звенья цепей, подшипники).

Антифрикционный чугун (ГОСТ 1585-79).

Отливки из этого чугуна применяют для подшипников, втулок и др. деталей, работающих в паре с закалённым или нормализованным валом (АЧС-6, АЧВ-2 и АЧК-2 – с «сырым» валом).

По структуре АЧ может быть перлитным, перлитно-ферритным, ферритно-цементитным, аустенитным, с легированием Cr, Cu, Ni, Ti, Sc, Mn, Al, Pb, P.

Твёрдость НВ от1570 МПа до 2550 МПа

Режимы работы отливок из антифрикционного чугуна по ГОСТ 1585-79.

Марка	Давление «Р», МПа не более	Окружная скорость «V», м/с.	Марка	Давление «Р», МПа не более	Окружная скорость «V», м/с.
АЧС-1		5,0 перлит 0,3	АЧВ-1		10,0 перлит 1,0
АЧС-2		0,3 перлит 3,0	АЧВ-2 Вал сырой		5,0 П+Ф 1,0
АЧС-3		1,0 П+Ф	АЧК-1		2,0
АЧС-4		5,0 перлит	АЧК-2 Вал сырой		5,0 П.+Ф 1,0 Ф+П
АЧС-6 Вал сырой		4,0 перлит пористый	АЧС-5		1,0 аустенит 0,4

Приводимые значения «Р» и «V» указывают допустимые (значения) сочетания этих показателей.

При использовании АЧ в узлах трения требуется соблюдать следующие условия:

а) отсутствие перекоса при монтаже;

б) обеспечение непрерывного, тщательного смазывания, не допускающего искрения или значительного нагрева узла трения;

в) увеличение зазоров по сравнению с установленными для бронзы на 15-30 %, при наличии значительного нагрева – до 50 %;

г) приработку на холостом ходу и постепенное повышение нагрузки.

Жаростойкий чугун (ГОСТ 7769-63)

Отливки из этого чугуна можно эксплуатировать при температурах до 1000 градусов. Основные требования к отливкам: ростоустойчивость и окалиностойкость.

Марка	Допустимая температура	Легирующие добавки
ЖЧХ-0,9		0.9% Cr
ЖЧХ-1,5		1.5% Cr
ЖЧХ-2,5		2.5% Cr
ЖЧХ-5,5		5.5% Si
ЖЧНДХ-15-7-2		0.5% Ni, 7% Cu, 2% Cr
ЖЧСШ-5,5-0,1		5.5% Si

Коррозионно-стойкий и жаропрочный чугун (ГОСТ 1184-66)

Такие чугуны предназначены для эксплуатации в газовых средах (продукты сгорания топлива) при температуре до 600 градусов и под нагрузкой. Это большая группа чугунов: хромовых – ЖЧХ, никелевых – ЧН, кремниевых – ЖЧС и ЧС, алюминиевых – ЖЧЮ, и т.д.

§ Сталь

Сталь – это сплав с содержанием углерода до 2%. В зависимости от химического состава сталь делится на легированную и углеродистую.

Структура и механические свойства углеродистой стали, определяется содержанием в ней углерода, т.к. влияние других элементов при малом процентном содержании очень незначительно. Практически в углеродистых стаях для отливок содержание углерода не превышает 0,6% и потому структура таких сталей состоит из феррита и перлита. При увеличении содержания углерода повышается прочность, и снижается пластичность стали. Это связано с уменьшением в её структуре феррита и увеличением перлита. Большое влияние на механические свойства стали оказывает характер термической обработки.

При конструировании литых деталей из стали необходимо учитывать изменение механических свойств металла при переходе от одного сечения к другому (не так резко как у чугуна).

Изменение механических свойств стали с 0,27% «С».

Диаметр заготовки, мм.	sв, кг/мм^2	d, %
	54,0
	52,5

Низкоуглеродистая сталь – до 0,25% «С»

Среднеуглеродистая сталь – от 0,25 до 0,6% «С»,

Высокоуглеродистая сталь – от 0,6 до 2,0% «С».

Легированной называется сталь с содержанием легирующих элементов:

Низколегированная < 2.5% легирующих элементов,

Среднелегированная – от 2,5 до 10% (в сумме)

Высоколегированная > 10% (в сумме).

· В стали Mn считается легирующим элементом, если его больше 1%, а Si – если его больше 0,8%.

Основным преимуществом низколегированной стали являются более высокие, чем у углеродистых, значения предела прочности при тех же пластических свойствах (особенно после закалки и отпуска). Увеличение предела текучести даёт возможность принимать более высокие допускаемые напряжения, т.е. уменьшить расход металла.

Большинство низколегированных сталей обеспечивают одинаковую структуру и равномерные механические свойства по всему поперечному сечению отливки.

Среднелегированные стали отличаются от углеродистых не только повышенными прочностными свойствами, но и лучшими физическими и химическими свойствами.

Высоколегированные стали имеют специальное назначение (нержавеющие, жаропрочные, кислотостойкие, окалиностойкие, износостойкие и др.).

Химический состав углеродистых сталей.

15Л 0,12-0,2% С 0,35-0,65% Mn 0.17-0.37% Si

- начиная с Л25 у всех

у всех марок

55Л 0,52-0,6% С 0,5-0,8% Mn

Плотность стали 7,65-7,85 г/см³

Температура плавления 0,3% «С» - 1510°С

0,8% «С» - 1485°С

1,6% «С» - 1420°С.

Литейная усадка отливок из углеродистых сталей: мелких 1,8-2,2%, средних 1,6-2,0%, крупных 1,4-1,8%.

Свободная же усадка несколько выше

Стальная отливка	Линейная усадка при литье в песок (%)
Мягкие (0,14% «С»)	2,47
Средней твёрдости (0,35% «С»)	2,40
Твёрдые (0,75% «С»)	2,31
Марганцовистые (10-14% Mn)	2,5-3,85
Кислотоупорная	2,74
Высокохромистая	1,6
Жароупорная	1,8-2,2

При затруднённой усадке учитывается механическое торможение усадки, т.е. сопротивление материалов литейной формы, стержней, выступающих частей отливки нормальному протеканию процесса усадки. Неравномерное охлаждение частей отливки с различной толщиной стенки вызывает термическое торможение усадки.

Схемы конструкций отливок, дающих свободную и затрудненную усадку:

1) Со свободной усадкой:

2) С механическим торможением усадки:

3) С термическим торможением усадки:

4) С механическим и термическим торможением усадки:

Конструкционные литые стали (15Л – 55Л ГОСТ 977-65) в основном имеют жидкотекучесть среднюю, к литейным трещинам мало склонны.

Низколегированные и среднелегированные литые стали (ГОСТ 7832-65) имеют жидкотекучесть удовлетворительную, слабо склонны к образованию литейных трещин.

§ Медные литейные сплавы

Их делят на бронзы и латуни. Бронзы, в свою очередь, делят на оловянистые (сплав меди с оловом и другими элементами) и безоловянные (специальные сплавы мели с алюминием, железом, марганцем, никелем, и другими элементами).

Латуни – это сплавы меди с цинком, кремнием, алюминием, железом, марганцем, свинцом и др.

Классификация медных литейных сплавов (по ГОСТ 5200-50).

Латунь – медный сплав, в котором преобладающим легирующим компонентом является цинк.

Бронза – всякий медный сплав за исключением латуни.

Оловянистая бронза – бронза, в которой преобладающим легирующим элементом является бронза.

Безоловянная бронза – бронза, не содержащая олова в качестве легирующего компонента.

Оловянно-фосфористая бронза – оловянная бронза, содержащая фосфор в качестве легирующего компонента.

Никелевая бронза – преобладающий компонент – Ni.

Алюминиевая бронза – преобладающий компонент – Al.

Марганцевая бронза – преобладающий компонент – Mn.

Свинцовая латунь – компонент – Pb.

Никелевая латунь – компонент – Ni.

Оловянная латунь – компонент – Sn.

Плотность 8,2-8,8 г/см³.

Температура плавления: Cu - 1083°C, Zn - 419°C, Sn - 232°C. Температура плавления не зависит от химического состава сплава.

Литейная усадка медных сплавов для литья:

Мелкого – 1,4-1,8%

Среднего – 1,0-1,4%

Крупного – 0,8-1,2%.

Практически все литейные бронзы и латуни отливаются в землю и в кокиль.

Основное преимущество медных сплавов: высокая коррозионная стойкость в различных средах, низкие коэффициенты трения, повышенная герметичность (для некоторых сплавов).

§ Алюминиевые литейные сплавы.

Алюминиевые сплавы в соответствие с основными компонентами (основой) получили названия: силумины (Al-Si), дюралюмины (Ai-Cu-Mn), магналии (Al-Mn). В зависимости от назначения они подразделяются на литейные (20%) и деформируемые (80% от всех сплавов).

Сплавы алюминиевые литейные применяются для фасонных отливок. Выпускается 37 марок, подразделённых на 5 групп в зависимости от основы.

По химическому составу сплавы разделяются на 5 групп:

1. Сплавы на основе (Ai+Mg) – АЛ8, АЛ13

2. Сплавы на основе (Al+Si) – АЛ2, АЛ4, АЛ4В, АЛ9 и АЛ9В.

3. Сплавы на основе (Al+Cu) – АЛ7, АЛ7В, АЛ12.

4. Сплавы на основе (Al+Si+Cu) – АЛ3, АЛ3В, АЛ5, АЛ6, АЛ10В, АЛ14В и АЛ15В.

5. Сплавы на основе Al и прочие (в том числе Ni, Zn, Fe) – АЛ1, АЛ11, АЛ16В, АЛ17В, АЛ18В.

Буква «В» указывает, что отливки изготавливаются из литейных алюминиевых сплавов в чушках. Литейные свойства сплавов хорошие (хуже гр. 3 и 5). Отливки получают литьём в землю, в кокиль, под давлением, по выплавляемым моделям и в оболочковые формы.

Плотность сплавов – 2,6-2,8 г/см³, температура плавления - 658°С. Литейная усадка: мелкое литьё – 0,8-1,35%, среднее – 0,7-1,2%, крупное – 0,6-1,0%. Падение прочности при изменении сечения от 15 до 60 мм примерно 30%.

Обработка резанием в основном хорошая. Коррозионная стойкость удовлетворительна или понижена. Большинство отливок подвергаются термообработке: отпуску, закалке, закалке и частичному старению, закалке и полному старению до максимальной твёрдости.

Дата добавления: 2014-01-07