§§ Материалы, применяемые для производства отливок. § 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	10	20	40	80
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»
В = 40-60	40-60 кг/мм^2	12-24	30-40
Т = 30-42	20-35 кг/мм^2	-	12-28
 = 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	490 1370	5,0 перлит 0,3	АЧВ-1	145 1960	10,0 перлит 1,0
АЧС-2	980 10	0,3 перлит 3,0	АЧВ-2 Вал сырой	100 1175	5,0 П+Ф 1,0
АЧС-3	590	1,0 П+Ф	АЧК-1	1960	2,0
АЧС-4	1470	5,0 перлит	АЧК-2 Вал сырой	50 1175	5,0 П.+Ф 1,0 Ф+П
АЧС-6 Вал сырой	880	4,0 перлит пористый	АЧС-5	1960 2940	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	600	0.9% Cr
ЖЧХ-1,5	650	1.5% Cr
ЖЧХ-2,5	700	2.5% Cr
ЖЧХ-5,5	850	5.5% Si
ЖЧНДХ-15-7-2	600	0.5% Ni, 7% Cu, 2% Cr
ЖЧСШ-5,5-0,1	1000	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.