Занятие 16. Применение чугуна, стали, сплавов цветных металлов, неметаллических материалов для изготовления деталей в автомобилестроении.
Все материалы по химической основе делятся на две основные группы — металлические и неметаллические. К металлическим относятся металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов.
В свою очередь, металлические материалы делятся на черные и цветные.
К черным относятся железо и сплавы на его основе — стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами, и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства (например, магнитные или электрические).
Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90% всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др.
Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы — пластмассы, керамика, резина и др. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности невелико (до 10%) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят металлические, не оправдалось.
Применение чугуна в машиностроении
На машиностроительных заводах по большей части производится ковкий ферритный чугун, и в незначительных количествах перлитный, несмотря на то, что последний отличается более высокой износоустойчивостью, прочностью, отлично работает при высоких температурах, имеет высокую усталостную прочность, глушит вибрации и т. д.
Из ковкого перлитного чугуна изготовляются такие детали, как распределительные и коленчатые валы, поршни дизельных моторов, клапанные коромысла, элементы сцепления и многое другое.
Материал с шаровидным графитом нашел применение в автопромышленности в качестве современного конструкционного чугуна и заменителя углеродистой стали, а также серого и ковкого чугуна.
Области использования такого материала определяются его высокими эксплуатационными, конструкционными и технологическими характеристиками и в большинстве случаев прекрасным сочетанием данных свойств.
Главной отличительной чертой чугуна является его применение в изготовлении как небольших деталей, вес которых составляет несколько сот граммов (к примеру, поршневые кольца), так и довольно крупных деталей, вес которых может достигать до 150 т; как толстостенных (до 10 см), так и тонкостенных (от 3 до 5 мм) деталей. Детали используются не только в литом состоянии, но и после необходимой термической обработки. Все мы прекрасно помним из повседневного быта чугунные ванны, которые отличаются от прочих прекрасными эксплуатационными характеристиками, при этом их вес очень велик. В автомобилестроении же, такой вид чугуна применяют для изготовления блока цилиндров мотора.
Ярким примером использования такого вида чугуна, заменившего стальные поковки, считаются коленчатые валы для моторов крупных дизельных тракторов и автомобилей. Такие чугунные детали кроме того что дешевле кованых стальных, еще и превосходят их по качествам эксплуатации.
Применение сталей в машиностроении
Для изготовления автомобильных деталей применяют многие марки малоуглеродистых и среднеуглеродистых легированных и низколегированных сталей, предусмотренных ГОСТ 4543-71 и ГОСТ 19282-73. Иногда применяют также стали, не включенные в настоящее время в ГОСТ и производящиеся по ТУ заводов автомобильной промышленности. В табл. 5 приводятся наиболее распространенные группы и марки легированных сталей (ГОСТ 4543-71), примеры их применения при производстве автомобильных деталей и характерные варианты их термической обработки. Легированные стали, как правило, подвергаются термической или химико-термической обработке.
Низколегированные стали (ГОСТ 19282-73) обычно содержат до 0,25 % недефицитных, но достаточно сильно действующих легирующих элементов. Использование этих сталей вместо углеродистых позволяет уменьшить массу и сечение деталей при обеспечении прежних или более высоких механических качеств. По сравнению с качественными углеродистыми сталями эти стали отличаются повышенной прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью благодаря увеличенному содержанию в них марганца, хрома, меди, других присадок. Вместе с тем они обычно дешевле легированных сталей, поэтому использование их в автостроении с годами увеличивается. Особенно большое применение низколегированные стали получили при изготовлении деталей рам грузовых автомобилей (лонжеронов и поперечин), дисков и других деталей колес, картеров задних мостов.
Применение цветных металлов и их сплавов в машиностроении
Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.
Из цветных металлов в автомобилестроении в чистом виде и в виде сплавов широко используются алюминии, медь, свинец, олово, магний, цинк, титан.
Дата добавления: 2016-06-05 ; просмотров: 3315 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Машиностроительный чугун
Машиностроительные чугуны обладают хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью, прочностью, малой чувствительностью к концентраторам напряжения. [1]
Машиностроительными чугунами , идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность. [2]
Реторты отливаются из обычного машиностроительного чугуна или стали. Несколько более устойчив низколегированный чугун, содержащий 0 3 – 0 6 % хрома и 0 2 – 0 4 % никеля. [4]
Таким образом, структура машиностроительных чугунов состоит из металлической основы и графитных включений. Характер металлической основы влияет на механические свойства чугунов: прочность и твердость выше у перлитных, а пластичность – у ферритных. [5]
В четвертом томе дана классификация и принципы выбора машиностроительного чугуна , приведены физико-механические, технологические и другие свойства серого, ковкого, износостойкого, антифрикционного, коррозионно-стойкого, жаростойкого чугуна, чугуна с шаровидным графитом, ро специальными физическими свойствами. [6]
При образовании расплава в шве в момент изотермической выдержки происходит полное или частичное превращение перлита, как основной составляющей машиностроительных чугунов , в аустенит. В этом случае может происходить науглероживание аустенита. [8]
Отделом сварки ЦНИЙТМАШ разработаны специальные электроды ЦЧ-4, предназначенные для сварки высокопрочных и обычных серых чугунов, обеспечивающие твердость наплавленного металла, приближающуюся к твердости обычного машиностроительного чугуна . Электроды изготовляются из проволоки Св-08 или Св – 08А по ГОСТ 2246 – 60 с нанесенным на них специальным покрытием, содержащим карбидообразующие элементы, обладающие большим сродством к углероду, чем железо. [9]
Отделом сварки ЦНИИТМАШ разработаны специальные электроды ЦЧ-4, предназначенные для сварки высокопрочных и обычных серых чугунов, обеспечивающие твердость наплавленного металла, приближающуюся к твердости обычного машиностроительного чугуна . Электроды изготовляются из проволоки Св-08 или Св – 08А по ГОСТ 2246 – 60 с нанесенным на них специальным покрытием, содержащим карбидообразующие элементы, обладающие большим сродством к углероду, чем железо. [10]
Одним из путей снижения веса машин является использование в конструкциях модифицированных и высокопрочных чугунов, имеющих значительно более высокие показатели механических свойств, чем обычные марки машиностроительных чугунов , а также применение для изготовления высоконапряженных деталей машин низколегированных сталей. [11]
Отделом сварки ЦНИИТМАШ разработан специальный электрод марки ЦЧ-4, предназначенный для сварки высокопрочных и обычных серых чугунов, дающий в наплавленном металле легированный сплав по твердости, приближающейся к твердости обычного машиностроительного чугуна . Электроды изготовляют из проволоки Св-08 или Св – 08А ( ГОСТ 2246 – 60) и покрывают специальной обмазкой, содержащей нужное количество карбидообразующпх элементов, которые обладают большим сродством к углероду, чем железо. Получаемые карбиды не растворяются в железе и имеют малую твердость. Наплавленный металл хорошо обрабатывается нормальным режущим инструментом. В переходных зонах, особенно при сварке массивных деталей, встречаются отдельные твердые включения, которые могут быть обработаны твердосплавным инструментом. [13]
Наплавленный металл, наиболее близкий по своему-составу к основному металлу, дают чугунные электроды. Однако обычный машиностроительный чугун в условиях охлаждения при сварке отбеливается, а наплавленный металл тверд, хрупок и имеет большое количество пор и мелких трещин. [14]
Жидкотекучесть чугуна зависит в основном от его химического состава и температуры заливки в формы. Жидкотекучесть повышается с увеличением содержания углерода, а также кремния и фосфора. Ограниченное содержание фосфора в машиностроительных чугунах ( до 0 3 % Р) объясняется тем, что он увеличивает твердость и хрупкость сплава, ухудшает обрабатываемость резанием. Сера ( обычно до 0 12 %), находящаяся главным образом в виде сульфида железа FeS, ухудшает жидкотекучесть. [15]
Состояние углерода в чугуне и форма графитных включений играют решающую роль в достижении наиболее высоких показателей механических свойств. Поэтому главными классификационными признаками чугунов являются состояние углерода (связанное или свободное) и форма графитных включений. В соответствии с этим различают:
· белый чугун – весь углерод в белом чугуне находится в связанном состоянии в виде карбида железа – цементита;
· серый чугун – углерод в основном находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы и частично может находиться в перлитной составляющей металлической основы в виде цементита (до 0,8%);
· высокопрочный чугун содержит до 0,8% углерода в металлической основе в связанном состоянии в виде шаровидного графита;
· ковкий чугун получается путем отжига отливок белого чугуна, в результате чего цементит распадается с образованием своеобразных по форме хлопьевидных включений графита, при этом связанный углерод присутствует только в перлите металлической основы.
Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом термической обработки.
По степени графитизации белый чугун является почти неграфитизированным, половинчатые чугуны являются малографитизированными, а остальные чугуны – значительно графитизированными (рис.11).
Рисунок 11. Схема классификации чугунов по степени графитизации, виду излома, форме и условиям образования графита.
Белый чугун. Так как углерод в белом чугуне находится преимущественно в виде цементита, то на изломе такой чугун имеет белый цвет и характерный металлический блеск. Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется, а идет на производство стали.
По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Любой белый чугун содержит эвтектику – ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита, а при охлаждении ниже 727 0 С – из перлита и цементита (рис. 12 ).
Рисунок 12. Микроструктура белого эвтектического (4,3 % углерода) чугуна.
Большое количество цементита в структуре придает белым чугунам высокую твердость 450-550 НВ и хрупкость, поэтому они используются только для изготовления износостойких деталей типа шаров мельниц, звездочек в галтовочных барабанах, облицовочных плит для щековых дробилок, прокатных валков с отбеленной поверхностью и т.д. В связи с высокой хрупкостью белые чугуны имеют очень ограниченное применение и поэтому не маркируются.
Серый чугун. Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ, так как ему присущи антифрикционные свойства Так как углерод в нем находится преимущественно в свободном состоянии в форме пластинчатого графита, то на изломе данный чугун имеет серый цвет (Рис. 13).
Рисунок 13. Вид излома серого чугуна.
В зависимости от распада цементита различают ферритный, ферритно – перлитный и перлитный серые чугуны (Рис. 14). Наиболее прочным, но в то же время наименее пластичным, является чугун на перлитной основе. Чугун на ферритной основе обладает наивысшей пластичностью при наименьшей прочности.
Рисунок 14. Структура серого чугуна (а – перлитная, б – ферритно-перлитная, в – ферритная).
Графитовые включения в чугуне не связаны с металлической основой. Поэтому при увеличении содержания углерода повышается объем графитовых включений, что снижает их прочность. Этим обусловлено сравнительно небольшое содержание углерода (от 3,5 до 4,5%).
Иногда в сером чугуне наряду с графитом содержится ледебурит. Такой чугун называют половинчатым. Структура половинчатого чугуна – ледебурит + перлит + графит. В легированных и термически обработанных чугунах можно получить мартенсит, аустенит или игольчатый тростит.
Половинчатым чугун называется потому, что вид излома у него представляет собой сочетание из светлых и темных участков кристаллического строения. Половинчатый чугун твёрд и хрупок; применение изделий из половинчатого чугуна ограничено. Чаще всего эта структура встречается в отбеленных отливках в качестве переходной зоны между отбеленным слоем и графитизированной частью.
Серый чугун широко применяется в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении для производства отливок, поэтому его называют литейным. Из него изготавливают станины металлорежущих станков, блоки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и т.д.
Маркировка. Серые чугуны обозначаются по ГОСТ 1412-85: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20 … СЧ 45. Расшифровывается марка следующим образом: СЧ – серый чугун, двухзначная цифра характеризует предел прочности при растяжении σв в МПа∙10. Например, чугун СЧ 35 имеет σв=350 МПа.
Выбор марки чугунов для конкретных условий работы обуславливается совокупностью технологических и механических свойств. Ферритные серые чугуны СЧ10. СЧ15, СЧ18 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей – крышки, фланцы, маховики, диски сцепления и т.д. Ферритные серые чугуны СЧ20, СЧ21,СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статистических и динамических нагрузках – блоков цилиндров, картеров двигателей, поршней цилиндров, барабанов сцепления и т.д. Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ49, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами, их используют для изготовления гильз цилиндров, распределительных валов и т.д.
Высокопрочный чугун. Высокопрочными называются чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму (Рис. 15). Получают путем введения в жидкий серый чугун специальных добавок.
Рисунок 15. Шаровидный графит.
Высокопрочные чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую основу (Рис. 16).
Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов – обратное.
Рисунок 16. Структура высокопрочного чугуна (а – перлитный, б – перлитно –ферритный, в – ферритный).
Для данных чугунов характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность, при перлитной основе.
Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %,кремния –1,9…2,6 %, марганца –0,6…0,8 %, фосфора – до0,12 %, серы – до0,3 %.
Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости обладают достаточно высокой обрабатываемостью резанием.
Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.
Маркировка. Высокопрочный чугун маркируется буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях МПа (ГОСТ 7293-85). Например, ВЧ70 – высокопрочный чугун с σв=700 МПа; Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ80, ВЧ100.
Ковкий чугун. Ковким называют чугун с хлопьевидным графитом. Его получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4—2,9 % С и 1,0—1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига.
Промышленный ковкий чугун производится главным образом с ферритной основой; в ней однако всегда имеется перлитная кайма. В последние годы стали широко применяться чугуны с феррито-перлитной и перлитной основой. Чугун с ферритной основой обладает большой пластичностью.
Излом у ферритного ковкого чугуна черно-бархатистый; с увеличением количества перлита в структуре излом становится значительно светлее.
Данный чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Маркировка. Ковкий чугун обозначается двумя буквами и двумя числами (ГОСТ 1215-85), например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число—предел прочности (в МПа) на разрыв σв=370 МПа, второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна δ=12%.
Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 14770 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ