Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Киевский национальный университет

строительства и архитектуры

Кафедра металлов и сваривания

Курсовая работа

Выполнил: Студент гр. ЗПЦБ-41

Лукьянчук Д.В.

Проверил: Лобков Я.Ю.

г. Киев, 2011г.

Приблизительный химический состав и технологическую последовательность получения чугунных деталей из чугуна марки КЧ 37-12. Опишите и зарисуйте структуру. Приведите технологические и механические особенности а также конкретные примеры деталей что отливаются.

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода более 2,0%, называются чугунами. Чугуны различаются по структуре, способам изготовления, химическому составу и назначению.

По структуре чугун бывает серый, в котором углерод находится в виде графита, белый, характеризующийся наличием цементита; отбеленный, содержащий свободный графит и цементит; ковкий, характеризующийся наличием графита и отсутствием свободного цементита, получаемый из белого чугуна путем отжига. По способам изготовления различают отливки из обычного и отливки из модифицированного чугуна. По химическому составу чугуны бывают нелегированные и легированные.

Белый чугун. Белый чугун представляет собой сплав железа с углеродом, в котором углерод находится в виде химического соединения с железом. Белый чугун очень хрупкий и твердый. Он не поддается механической обработке режущим инструментом и применяется для отливки деталей, не требующих обработки, или обрабатывается абразивными кругами. Главным образом он применяется для получения из него ковкого чугуна.

Ковкий чугун. Ковкий чугун обычно получают из отливок белого чугуна путем длительного томления. Существует два способа получения ковкого чугуна - американский и европейский.

При американском способе томление производится в песке при температуре 800-850°. При этом углерод из химически связанного переходит в свободное состояние в виде графита, располагаясь между зернами чистого железа. Чугун приобретает вязкость, почему и называется ковким. При европейском способе томление отливок производится в железной руде при температуре 850-950°. При этом углерод из химически связанного состояния диффундирует с поверхности отливок в окружающую атмосферу и таким путем поверхность отливок обезуглероживается и становится мягкой, почему чугун называется ковким, хотя сердцевина остается хрупкой.

В обозначениях марок ковкого чугуна после букв пишется число, показывающее среднюю величину предела прочности при разрыве в кг/мм2, а затем число, показывающее удлинение в %. Например, КЧ 37-12 обозначает ковкий чугун с пределом прочности, равным 37 кг/мм2, и удлинением 12%.

При отжиге чугуна цементит разлагается, образуя железо и углерод отжига (графит), имеющий компактную хлопьевидную форму (рис.1). При такой форме графита чугун обладает повышенной прочностью, некоторой пластичностью и сопротивлением ударным нагрузкам.

Рис.1. Схемы микроструктур ковкого чугуна: а - перлитного; б - ферритного; 1 - перлит; 2 - графит отжига; 3 - феррит

Название "ковкий чугун" условно и указывает лишь на то, что этот материал по сравнению с серым чугуном является пластичным. В действительности же ковкий чугун никогда ковке не подвергают, из него, так же как и из серого чугуна, изготовляют лишь фасонные отливки для машиностроения. Для этого выплавляют чугун такого химического состава, чтобы при затвердевании м форме он получился белым (с перлитно-цементной структурой). Из белого чугуна обычным способом изготовляют отливки, которые затем отжигают с целью разложения цементита и получения графита отжига в конечной структуре.

ковкий чугун алюминий свойство

Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. По сравнению с углеродистой сталью характеризуется повышенной жидкотекучестью, демпфирующей способностью и большей износостойкостью. Он имеет достаточно высокие антикоррозионные свойства и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.

Толщина стенок отливки не должна превышать 40-50 мм, при большей толщине в процессе отжига образуется пластинчатый графит.

В зависимости от способа производства ковкого чугуна его подразделяют на две группы: ферритный и перлитный.

Ковкий чугун получают при отжиге отливок в нейтральной среде. Чугун имеет бархатистый черный излом с тонкой наружной серой кромкой и структурой, состоящей из феррита или перлита и графита отжига. Поэтому его часто называют "черносердечным". Химический состав чугунных отливок до отжига: 2,5-2,9% С; 0,8-1,4% Si; 0,3-0,5% Mn; до 0,2% Р, до 0,12% S; до 0,05% Сr. С уменьшением содержания углерода механическая прочность чугуна повышается, но ухудшаются его литейные свойства.

Марки ферритного ковкого чугуна: КЧ 37-12, КЧ 35-10, КЧ 33-8 и КЧ 30-6 (КЧ означает ковкий чугун, первое число - минимальный предел прочности при растяжении, второе число - минимальное относительное удлинение в %).

Из ферритного чугуна КЧ 37-12, КЧ 38-10 изготовляют детали для автомобилей и сельскохозяйственных машин, работающих при высокой динамической и статической нагрузках (задние мосты автомашины, крючки и др.). Для малоответственных деталей (гайки, фланцы и др.) применяют КЧ 30-6 и КЧ 35-8.

Прочность перлитного ковкого чугуна выше прочности ферритного чугуна, но первый менее пластичен.

Отливки из белого чугуна после очистки и браковки загружают в специальные чугунные ящики для отжига (150-300 кг отливок). Ящики, закрытые крышками после заделки щелей глиной, устанавливают в печь для отжига.

Отжиг для получения ферритного и перлитного ковкого чугуна выполняют по различному режиму. Для получения ферритного чугуна отжигают по режиму, приведенному на рис.15, а. Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая стадия заключается в медленном нагреве до 950-980° С (зона I) и в продолжительной выдержке при этой температуре (зона II). Во время нагрева и выдержки цементит белого чугуна распадается, выделяя углерод отжига.

После разложения цементита температуру печи понижают до 730° С (зона III); при этой температуре аустенит превращается в перлит. Вторая стадия графитизации заключается в выдержке отливок при температуре порядка 730-710° С (зона IV). Во время выдержки при этой температуре цементит, входящий в состав перлита, разлагается, образуя феррит и углерод отжига. Зона V - зона охлаждения отливок.

Для получения перлитного чугуна отжигают по режиму, приведенному на рис.2, б. Как видно из графика, отсутствует вторая стадия графитизации. Время отжига составляет 17-80 ч. Перлитный ковкий чугун (КЧ 50-5, КЧ 60-3, КЧ 63-2) имеет высокую прочность и износостойкость. Из него изготовляют вилки карданных валов, звенья цепей конвейера, муфты и др.

Рис.15. Режимы отжига белого чугуна на ковкий: а - на ферритный ковкий; б - на перлитный ковкий

Для отжига применяют непрерывные отжигательные печи, в которых задают необходимые температурные зоны.

Ковкий чугун удовлетворительно работает при пониженных температурах, но обладает в сравнении с серым чугуном увеличенной склонностью к хрупкому динамическому разрушению.

Несмотря на большое разнообразие номенклатуры изделий и различные области применения, ковкий чугун используют главным образом при получении тонкостенного литья (толщина стенок 3-40 мм). Это связано прежде всего со стремлением обеспечить безусловное получение отбела и однородность свойств во всех сечениях отливки как при первичной кристаллизации белого чугуна, так и в процессе термической обработки. Требование равномерности толщины стенок отливок из ковкого чугуна является обязательным условием обеспечения высокого качества и экономичности производства изделий.

Химический состав ковкого чугуна не регламентируется ГОСТом, а определяется требованиями к его механическим и технологическим свойствам. Основные элементы, с помощью которых регулируются свойства ковкого чугуна, - углерод и кремний, а в производстве перлитного чугуна, кроме того, марганец, хром и др.

Механические свойства ковкого чугуна в значительной мере зависят от общего объема содержащихся в нем включений углерода отжига и поэтому для получения высококачественного сплава следует отдавать предпочтение низкоуглеродистому чугуну (2,4-2,7% С).

Содержание углерода при производстве ковкого чугуна дуплекс-процессом (вагранка-электропечь) находится в пределах 2,2-2,9%, а при ваграночной плавке 2,7-3,1%. Содержание кремния зависит от толщины стенки отливки и определяется допустимыми пределами суммарного содержания углерода и кремния, которое обычно не должно превышать для высококачественного ферритного ковкого чугуна 3,7-3,8%, а для низкосортного (ваграночного) 4,0-4,1%.

Варианты химического состава ковкого чугуна для отливок в автомобильной промышленности приведены в таблице 1. ниже.

Карбидообразующие элементы при большом содержании в чугуне замедляют его графитизацию, некоторые из них (Ti, Та, Zr, Nb) при малом содержании оказывают модифицирующее действие и ускоряют графитизацию. С, Si, А1 - графитизацию ускоряют. Ni и Си - оказывают неоднозначное влияние - ускоряют первую и замедляют вторую стадии графитизации.

Углерод, образуя графитные включения, является основным регулятором механических свойств ковкого чугуна. Наиболее высокими свойствами обладает чугун с пониженным содержанием углерода. Однако этот чугун имеет низкую жидкотекучесть и требует длительного отжига. Для хорошего заполнения литейной формы низкоуглеродистый ковкий чугун необходимо сильно перегревать.

Кремний. Необходимое содержание кремния зависит от многих факторов: количества углерода, толщины стенки, требуемой степени графитизации и т.д. Обычно количество кремния определяется суммой С + Si, которая для высококачественного ферритного чугуна составляет 3,7-3,8%, а для низкосортного 4,0 - 4,1%. Высокая сумма С - f - Si может привести к выделению пластинчатого графита при первичной графитизации, что резко понижает механические свойства чугуна. При низкой сумме С + Si даже при весьма длительном отжиге графитизация чугуна полностью не происходит. При содержании кремния до 1,5% механические свойства ковкого чугуна повышаются. Такие же результаты могут быть получены за счет одновременного увеличения содержания кремния и фосфора, однако при этом снижается ударная вязкость. Кремний резко ускоряет графитизацию.

Марганец. Повышает прочность феррита и увеличивает количество связанного углерода. При повышении содержания марганца до 0,8-1,4% увеличивается количество перлита в структуре и прочность чугуна повышается, но резко падают пластичность и ударная вязкость. Марганец снижает температуру эвтектоидного превращения, чем затрудняет 2-ю стадию графитизации и способствует образованию структуры зернистого перлита. При производстве ферритного ковкого чугуна содержание марганца не должно превышать 0,6%, а при производстве перлитного - 1,2%.

Сера. Избыточную серу считали вредной примесью, тормозящей первую стадию графитизации ковкого чугуна. Однако установлено, что избыточная сера, растворяясь в металлической основе, дает возможность получать ковкий чугун с высокими механическими свойствами и компактной формой графита.

В работах показано, что содержание серы в ферритном ковком чугуне, модифицированном алюминием, может быть повышено до 0, 20% без увеличения длительности отжига. При этом механические свойства возрастают за счет улучшения формы графита, упрочнения феррита и перлитизации металлической основы.

Определяющее влияние на структуру и свойства ковкого чугуна оказывает отношение содержания марганца и серы в нем. Установлено, что при отношении Mn: S меньшем 1,7 отливки из белого чугуна даже в весьма массивных сечениях свободны от выделений первичного графита. Скорость распада эвтектических карбидов на первой стадии отжига от отношения марганца к сере зависит незначительно. При отношении Мп: S = 0,8-1,2 перлитная структура сохраняется независимо от длительности второй стадии графитизации, а форма углерода отжига получается шаровидной. С повышением отношения Мп: S наблюдается переход к перлито-ферритной и ферритной структуре металлической основы и уменьшение компактности выделений углерода отжига. Изменение отношения Мп: S от 1,0 до 3,0 позволяет получить всю гамму структур (от перлитной до ферритной) и механических свойств ковкого чугуна по ГОСТу 1215-59, без изменения содержания других химических элементов и технологии производства.

Фосфор. При содержании свыше 0, 20% ведет к повышению жидкотекучести чугуна и некоторому увеличению предела прочности при растяжении, но резко снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости. Фосфор ускоряет первую и замедляет вторую стадии графитизации.

Хром является наиболее сильным замедлителем процесса графитизации ковкого чугуна. Его содержание обычно ограничивают 0,06-0,08%. Повышение количества хрома до 0,1-0,12% приводит к необходимости прибегать к специальным мерам для получения ферритного ковкого чугуна (удлинять отжиг, производить предварительную закалку отливок и др.). Трудности получения ферритного ковкого чугуна при повышенном содержании хрома связаны с образованием сложных карбидов, устойчивых при высоких температурах, и замедлением диффузионных процессов в металлической основе. Широкое использование металлолома, содержащего легированную сталь, при производстве ковкого чугуна приводит к увеличению концентрации хрома в шихте и требует изыскания методов нейтрализации его влияния на процесс графитизации. Так, совместное модифицирование ковкого чугуна алюминием, бором и сурьмой или ферротитаном позволяет получать ферритный и перлитный ковкий чугун, содержащий до 0,2% хрома, с высокими механическими свойствами без удлинения цикла отжига.

Молибден способствует измельчению перлита и графитных включений, увеличивает предел прочности (на 3-7 кГ/мм2 при присадке 0,5% Мо), но затрудняет графитизацию вследствие образования легированного цементита и специальных карбидов. Он влияет аналогично хрому, но слабее последнего. Молибден предохраняет ковкий чугун от хрупкости в интервале температур 300-500° С.

Ванадий. Присадка 0,05-0,10% ванадия позволяет получать износостойкий ковкий чугун с сорбито-перлитной основой. Прочностные характеристики повышаются на 30-40%.

Свойства при повышенных и пониженных температурах. При повышенных температурах сопротивление ковкого чугуна упругим и пластическим деформациям понижается. Несколько уменьшается и пластичность при кратковременных испытаниях.

Характерной особенностью поведения чугуна при высоких температурах является его рост, связанный с необратимым увеличением объема. Этот рост особенно увеличивается при термоциклировании - периодическом нагреве и охлаждении. Причинами роста чугуна являются графитизация при нагреве и выделение растворенного углерода на новых центрах графитизации при охлаждении, а также проникновение кислорода во внутрь изделия, приводящее к окислению металлической матрицы чугуна особенно по границам включений графита или по границам зерен. Рост весьма велик, когда имеет место неодновременное превращение в различных слоях металла при частых колебаниях температуры. Это приводит к объемным изменениям, создающим сжимающие и растягивающие напряжения, обусловливающие возникновение микротрещин. Микротрещины сами увеличивают объем чугуна и служат добавочными каналами для окисления металлической основы агрессивными газами.

Ковкий чугун имеет меньшую склонность к росту в сравнении с серым чугуном в связи с изолированностью в металлической основе компактных графитовых включений. Мала склонность к росту в области субкритических температур и у перлитного ковкого чугуна, имеющего низкое содержание кремния, а следовательно, меньшую склонность к графитизации. Ковкий чугун при субкритических температурах имеет в 2-3 раза большую ростоустойчивость, чем обычный серый чугун. При высоких надкритических температурах, когда мала сопротивляемость металлической основы окислению и велико растворение графита, процессы роста протекают в ковком чугуне так же интенсивно, как и в обычном сером чугуне. Таким образом, отливки из ковкого чугуна могут работать в течение продолжительного срока лишь при таких Температурах, при которых процессы окисления не имеют большого равития.

Увеличение температуры испытания выше 400 - 450° С вызывает интенсивное падение прочности. В атмосфере водяного пара, являющегося интенсивным окислителем, допустимая температура работы отливок из ковкого чугуна должна быть понижена до 300° С. При этом необходимо учитывать, что ферритный ковкий чугун хуже сопротивляется окислению, чем перлитный.

Длительная прочность ковкого чугуна при 300-400° С невелика и резко понижается при дальнейшем повышении температуры. Форма кривой ползучести и ее скорость зависят от структуры чугуна, температуры и величины напряжений.

По данным работы, длительная прочность перлито-ферритного ковкого чугуна при 425° С (соответствующая испытаниям в течение 4000 ч) одинакова с литой сталью марки 25Л после отжига, в то время как кратковременная прочность стали при этой температуре выше, чем чугуна. При температурах более высоких, чем 500°, длительная прочность феррито-перлитного чугуна оказывается меньше, чем указанной стали. Ферритный ковкий чугун при всех температурах имеет длительную и кратковременную прочность ниже, чем сталь. Сопротивление ползучести ковкого чугуна выше, чем серого, но ниже, чем высокопрочного чугуна.

В отличие от серого чугуна по мере понижения температуры ферритный кoвкий чугун становится более хрупким, что связано с насыщением его азотом.

Наиболее распространенным модификатором ковкого чугуна является алюминий.

Технологические свойства. Литейные свойства (жидкотекучесть, усадка, склонность к образованию горячих трещин) характеризуют ковкий чугун как хороший литейный материал.

Жидкотекучесть имеет особо важное значение, так как большинство отливок обладает сложной конфигурацией при небольшом весе и тонких стенках. Белый чугун из-за низкого содержания углерода, кремния и фосфора имеет пониженную жидкотекучесть по сравнению с серым чугуном.

Жидкотекучесть возрастает с увеличением содержания кремния, фосфора и особенно углерода. Сера и марганец в отдельности слабо влияют на жидкотекучесть, но увеличенное содержание обоих элементов приводит к повышению содержания в расплаве тугоплавкого соединения MnS и понижению жидкотекучести.

Усадка и склонность к образованию горячих трещин. Величина усадки зависит от химического состава чугуна и технологии изготовления отливок. Усадка в жидком состоянии и в процессе затвердевания определяет образование усадочных раковин и пористости, а в твердом состоянии - различие в размерах модели и отливки.

Общий объем усадочных раковин и усадочной пористости определяется объемной усадкой сплава при кристаллизации отливки, т.е. при переходе жидкого чугуна в твердое состояние.

Обрабатываемость ковкого чугуна определяется усилием резания, лимитированным жесткостью системы станок - инструмент - деталь, чистотой поверхности и интенсивностью износа режущего инструмента, определяющего режимы резания с точки зрения его стойкости. Наиболее распространенной характеристикой обрабатываемости является экономическая скорость резания, соответствующая стойкости режущего инструмента в 60 (у60) или 90 (о90) мин при определенном заданном режиме резания.

Обрабатываемость металла можно определять различными методами. Общей закономерностью является ухудшение обрабатываемости по мере повышения прочности и твердости металла.

При обработке ковкого чугуна необходимо учитывать, что при одинаковых механических и физических свойствах разные марки чугуна резко различны по обрабатываемости. Это прежде всего связано с иногда очень незначительными изменениями в структуре. Так, включения эвтектического цементита в количестве 5-7% слабо влияют на твердость и прочность ковкого чугуна, но резко снижают стойкость режущего инструмента при механической обработке. Увеличение пластичности материала сверх допустимых пределов вызывает образование нароста на передней грани инструмента, что также снижает его стойкость. Это может иметь место при обработке ферритного ковкого чугуна марок КЧ 35-10 и КЧ 37-12. Однако основной причиной, нарушающей зависимость между обрабатываемостью чугуна и его твердостью и прочностью, являются неоднородности структуры, особенно у перлитного ковкого чугуна. Так, чугун с крупнопластинчатым перлитом обрабатывается хуже, чем с зернистым, несмотря на то, что последний имеет более высокую твердость.

При повышении содержания углерода и кремния увеличивается количество свободного углерода в структуре ковкого чугуна, понижается его твердость и улучшается обрабатываемость. Для получения высокой чистоты обработанной поверхности необходимо стремиться к мелким включениям углерода отжига, равномерно расположенным в металлической основе. Чистота обработанной поверхности перлитного ковкого чугуна выше, чем ферритного, что имеет особое значение при нарезании резьбы, конфигурация элементов которой на перлитном чугуне получается более совершенной, чем на ферритном.

Сильно снижают обрабатываемость ковкого чугуна поверхностные дефекты, возникающие при отжиге в недостаточно герметизированной печи, имеющей окислительную атмосферу. В результате такого отжига образуется слой окалины, глубоко внедренной в приповерхностные слои отливки по границам зерен в обезуглероженном слое на глубину до 0,7-1 мм и неудаляющейся при пескоструйной и дробеструйной обработке. Создание защитной атмосферы в печи и защита отливок от окисления на всех стадиях графитизации позволяет почти полностью избавиться от этих дефектов и тем самым улучшить качество отливок и расширить области их применения.

Механические свойства ковкого чугуна регламентируются ГОСТ 1215-79 (табл.1.14). В основу маркировки и стандартизации ковкого чугуна положен принцип регламентирования допустимых значений механических свойств при растяжении В и. Так же, как в сером и высокопрочном, в ковком чугуне твердость зависит главным образом от матрицы, а прочность и пластичность - от матрицы и графита.

В отличие от чугуна с шаровидным графитом, большое влияние оказывает не только форма, но и количество графита. В связи с этим максимальной прочности можно достичь при дисперсном перлите и малом количестве наиболее компактного графита, а наибольшей пластичности - при феррите и таком же графите.

Таблица 2. - Механические свойства ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79

Кроме свойств, обусловленных ГОСТом, в некоторых случаях представляют интерес и другие свойства, приведенные в табл.3-6.

Таблица 3. - Механические свойства ковкого чугуна при растяжении и сжатии (не вошедшие в ГОСТ 1215-79)

Влияние химического состава на механические свойства ковкого чугуна проявляется в изменении структуры металла и степени легированности феррита и перлита.

Таблица 4. - Механические свойства ковкого чугуна при изгибе (не вошедшие в ГОСТ 1215-79)

Таблица 5. - Механические свойства ковкого чугуна при кручении и срезе (не вошедшие в ГОСТ 1215-79)

Углерод в ковком чугуне является главным элементом, изменение содержания которого непосредственно определяет механические свойства. Чем выше марка ковкого чугуна, тем ниже должно быть содержание углерода, так как при этом не только уменьшаются количество графита и его размеры, но и улучшается его форма.

Области применения. Ковкий чугун как конструкционный материал широко применяют в различных отраслях машиноетроения 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.

На машиностроительных заводах производят в основном ферритный ковкий чугун, и в крайне незначительном количестве перлитный, хотя последний и обладает высокой прочностью, износостойкостью, хорошо работает в условиях повышенных температур, обладает высокой усталостной прочностью, хорошо гасит вибрации и т.д.

Из перлитного ковкого чугуна можно изготовлять такие детали, как коленчатые и распределительные валы, поршни дизельных двигателей, коромысла клапанов, детали сцепления и т.д.

Выбрать металлический материал и термическую обработку строительного изделия лома с выбором технологической последовательности его производства в следующем порядке:

а) Нарисовать эскиз изделия лом (конструкцию нарисовать произвольно и упрощённо). Описать назначения и условия работы изделия (действующие нагрузки, рабочие температуры, агрессивность среды, износ и т.п.). Определить требования к свойствам (механических и технологических), исходя из условия работы изделия.

б) Сделать сравнительный анализ разных видов и марок металлических материалов, опираясь на их свойства, и сделать обоснованный выбор наиболее рационального материала, соответственно конструкции и понимания работы изделия. Дать справочную и качественную характеристику материала: механические и технологические особенности, сварочности, химический состав, температура критических точек и т п.; место в классификации металлических материалов.

в) Обосновать выбор (или нецелесообразность) термической обработки (ТО), определить её последовательность и режимы на всех этапах. Описать структуру металлического материала до, в процессе и после ТО.

г) Определить метод и способ изготовления заготовки для заданного изделия. Начертить принципиальную физическую схему процесса выбранного способа, дать её определения, преимущества и недостатки. Начертить эскиз заготовки.

д) Описать, чем отличается заготовка от готового строительного изделия. Определить последовательность способов обработки заготовки до готового изделия. Начертить принципиальные схемы этих способов (операций), дать их определения, недостатки и преимущества.

a) Лом - ручной ударный и рычажный инструмент, один из наиболее древних видов инструмента, известных человечеству, наряду с молотком, зубилом, топором, лопатой. Лом, как правило, изготавливается из прочного металлического стержня.

Области применения:

Раскалывание твёрдых предметов, крупных кусков каменного угля, камня, льда и т.д.

Перемещение тяжестей на небольшие расстояния (работа ломом как рычагом). При этом действуют поперечные нагрузки и момент изгиба. Износу наиболее подвержена рабочая часть лома, так как больше всего контактирует с изделиями.

В качестве аварийного инструмента на случай пожара и др. чрезвычайных ситуаций. При этом лом подвергается высоким температурам 1100-1350°C. Аварийный электротехнический лом имеет резиновое изолирующее покрытие, так как подвергается электрическому воздействию.

В исключительных случаях лом может служить оружием.

Лом может быть использован для совершения кражи (взлом).

Максимальной в материале лома должна быть упругость, так как по условиям эксплуатации не может пластично остаточно деформироваться и не может крошится.

Требования к технологическим свойствам таковы. Исходя из конструкции лома, обработка давлением (штампуемость) и обработка резанием (шлифуемость) должны бать высокими. А сварочность и литейные свойства значения не имеют.

Преимущества:

Простейший инструмент, не требующий при эксплуатации электроэнергии, топлива и ремонта, срок службы ограничен только коррозией и циклическими нагрузками.

б) Так как лом должен обладать повышенным пределом прочности, твёрдости и малой хрупкостью при одновременном уменьшении относительного удлинения и ударной вязкости (лом хоть и подвергается динамическим знакоизменяемым нагрузкам, но они не постоянны) то для его изготовления наиболее подходит среднеуглеродистая сталь, которая содержит углерода - от 0,25 до 0,6%.

Так как лом может использоваться в агрессивной среде, при высоких температурах а также должен обладать повышенной прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью (но не максимальной, так как не подвергается постоянному трению), то для его изготовления также подходит легированная сталь, которая кроме углерода содержат повышенное количество Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, V, что придают стали вышеуказанные свойства.

Также высокими служебными характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность обладает нержавеющая сталь из которой тоже может быть изготовлено изделие лом.

Наиболее рациональный материал для изготовления лома является среднеуглеродистая сталь (например ст.30, ст.45, ст.50) так как легированная сталь имеет высокую цену. Поэтому выбираем сталь ст.30.

Классификация: сталь конструкционная, углеродистая, качественная

Применение: тяги, серьги, траверсы, рычаги, валы, звездочки, шпиндели, цилиндры прессов, соединительные муфты и другие детали невысокой прочности.

Химический состав в %

Химический состав в %

C-0.27 - 0.35

Si-0.17 - 0.37

Mn-0.5 - 0.8

Ni до 0.25

S до 0.04

P до 0.035

Cr до 0.25

Cu до 0.25

As до 0.08

Температура критических точек

Ac1=760, Ac3 (Acm) =830, Ar3 (Arcm) =705, Ar1=670, Mn=352

Механические свойства при Т=20oС

Сортамент Сталь

Sв 530 МПа

sT 320 МПа

d5 25%

y 52%

KCU 620 кДж/м2

Термообр - состояние поставки

Твердость материала 30 после отжига

HB 10 - 1 = 179 МПа

Твердость материала 30 калиброванного нагартованного,

HB 10 - 1 = 207 МПа

Твердость материала 30 горячекатанного отожженного,

HB 10 - 1 = 156 МПа

Физические свойства

T	E 10 - 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/ (м·град)	кг/м3	Дж/ (кг·град)	Ом·м
20	2		52	7850
100	1.96	12.1	51		470
200	1.91	12.9	49		483
300	1.85	13.6	46		546
400		14.2	43		563
500		14.7	39		764
600	1.64	15	36
700		700		700		700

Технологические свойства

Свариваемость: ограниченно свариваемая.

Флокеночувствительность: чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: склонна.

В зависимости от содержания углерода в железоуглеродистом сплаве различают:

техническое железо (содержит углерода до 0,05 %);

низкоуглеродистая сталь (0,05.0,25 % С);

среднеуглеродистая сталь (0,30.0,50 % С);

сталь с повышенным содержанием углерода (0,50.0,7 % С);

высокоуглеродистая сталь (свыше 0,7 % С).

В микроструктуре углеродистых сталей присутствуют три структурные составляющие в различных формах и сочетаниях.

Феррит - твердый раствор углерода в альфа-железе. Для ферритной структурной составляющей характерны следующие формы: зернистая, сетчатая и типа видманштеттового строения.

Цементит (карбид железа) - химическое соединение, отвечающее формуле Fe₃C. Свободный цементит может присутствовать в стали в виде зернышек, игл и сетки.

Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся при 0,8 % С. Перлит в зависимости от формы частичек цементита бывает пластинчатый и зернистый.

Микроструктура углеродистой стали выявляется на шлифах после травления 3.4 % раствором азотной кислоты в спирте. При этом феррит и цементит имеют белый цвет, а перлит - перламутровый. Обычно избыточный феррит занимает большие участки и легко отличается от цементита, который в стали бывает в небольших количествах. Если сталь характеризуется повышенным содержанием углерода, близким к 0,8%, то феррит располагается в виде белой тонкой сетки, похожей на сетку цементита. В этом случае отличить цементит от феррита можно путем травления шлифа пикратом натрия, который окрашивает цементит в темно-коричневый цвет, оставляя феррит белым. В зависимости от сочетания микроструктурных составляющих (в соответствии с диаграммой состояния "железо-цементит") углеродистые стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Микроструктура доэвтектоидной стали состоит из перлита и избыточного феррита (рис.1). При этом по мере увеличения содержания углерода количество перлита возрастает, а феррита - убывает (рис.2,3,4).

Эвтектоидные стали имеют микроструктуру, состоящую только из перлита (рис.5). Микроструктура заэвтектоидных сталей состоит из перлита и избыточного (вторичного) цементита (рис.6). К конструкционным сталям по классификации, принятой в сварочной технике, относятся стали, содержащие 0,26-0,45% С. Отличие составов среднеуглеродистых от низкоуглеродистых сталей в основном состоит в различном содержании углерода (табл.9-20 и 9-21). К этой же группе относится сталь с повышенным содержанием марганца (марок ВСтбГпс, 25Г, ЗОГ и 35Г). Для стали ВСт4сп ударная вязкость в зависимости от толщины листовой стали при расположении образца для испытания на ударный изгиб поперек направления проката следующая:

Для сортовой и фасонной стали ВСт4сп при расположении образца для испытания на ударный изгиб вдоль направления проката эта зависимость следующая:

Очевидно, что различные плавки стали, содержащие углерод по нижнему или по верхнему пределу (например для стали Ст5 0,28 или 0,37% С), отличаются свойствами и имеют различную свариваемость. Однако этого обычно не учитывают при выборе технологии сварки, которую рассчитывают на наиболее высокое для данной марки стали содержание углерода.

Среднеуглеродистые стали находят применение в судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Для сварно-литых и сварно-кованых конструкций находят применение преимущественно стали 35 и 40.

Сварка среднеуглеродистых сталей. Повышенное содержание углерода предопределяет значительные трудности сварки этих сталей. К ним относятся низкая стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, возможность образования малопластичных закалочных структур и трещин в околошовной зоне и трудность обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом.

Для преодоления этих трудностей и в первую очередь для повышения стойкости металла шва против кристаллизационных трещин при всех видах сварки плавлением стремятся снизить содержание углерода в металле шва. Это обычно достигается за счет применения электродных стержней и электродной проволоки с пониженным содержанием углерода и уменьшения доли основного металла в металле шва. Стремятся также обеспечить получение швов с большим значением коэффициента формы и применяют предварительный и сопутствующий подогрев, двухдуговую сварку в раздельные ванны и модифицирование металла шва.

Для сварки среднеуглеродистых сталей чаще всего применяют предварительный подогрев до температуры 250-300° С. За счет предварительного подогрева удается повысить на 0,01-0,02% допускаемое содержание углерода в металле шва, при котором еще не образуются трещины, и предупредить образование закалочных структур в околошовной зоне. Однако сварка с подогревом обладает серьезными эксплуатационными недостатками. Кроме того, чрезмерный подогрев может вызвать образование трещин вследствие увеличения провара основного металла и связанного с этим повышения содержания углерода в металле шва.

Для снижения доли основного металла в металле шва дуговую сварку среднеуглеродистых сталей, как правило, ведут с разделкой кромок на режимах, обеспечивающих минимальное проплавление основного металла и максимальное значение коэффициента формы шва. Для иллюстрации сказанного на рис.9-12 показаны угловые швы, сваренные под флюсом на режимах, типичных для сварки низкоуглеродистой (а) и среднеуглеродистой (б) стали.

Для повышения доли электродного металла в металле шва принимают также меры по увеличению коэффициента наплавки. При механизированных способах сварки это достигается применением сварочной проволоки малого диаметра (2-3 мм) и минимального сварочного тока. Лучшие результаты получаются при постоянном токе прямой полярности. Сварку под флюсом среднеуглеродистых сталей ведут на режимах, не характерных для этого высокопроизводительного способа, в связи с чем он не получил широкого применения при изготовлении конструкций из среднеуглеродистых сталей.

Эффективным и надежным средством достижения равнопрочное™ металла шва при низком содержании в нем углерода служит дополнительное легирование элементами, упрочняющими феррит. При сварке среднеуглеродистых сталей для достижения равнопрочное™ достаточно дополнительно легировать шов марганцем и кремнием. Для сварки под флюсом применяют флюсы АН-348-А и ОСЦ-45 и сварочную проволоку Св-08А, Св-08ГА и Св-ЮГ2. При этом необходимое повышенное содержание в шве кремния и марганца достигается частично путем восстановления их из флюса. Этому способствует применение тонкой проволоки и малых токов, при которых восстановление кремния и марганца протекает более интенсивно.

Технология сварки среднеуглеродистых сталей в углекислом газе, как и сварка их покрытыми электродами и под флюсом основана на снижении доли основного металла в металле шва и обеспечении благоприятной формы провара. В производстве сварка в углекислом газе для изготовления конструкций из среднеуглеродистых сталей применяется мало.

Благодаря возможности в широких пределах изменять коэффициент формы металлической ванны и медленному остыванию металла околошовной зоны при электрошлаковой сварке создаются благоприятные условия для обеспечения высокого качества сварного соединения среднеуглеродистой стали. Однако при сварке металла, содержащего более 0,3% С, рекомендуется проводить предварительный и сопутствующий подогрев конструкции (особенно при кольцевых швах) до температуры 180-200° С. Высокая стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин обеспечивается при подаче электродной проволоки со скоростью, не превышающей критических значений (см. рис.9-11).

При электрошлаковой сварке увеличение коэффициента формы металлической ванны, при прочих равных условиях, приводит к увеличению содержания в ней углерода (рис.9-13). При этом, однако, стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин не снижается, так как одновременно с ростом коэффициента формы металлической ванны растет критическое содержание углерода.

В) Термообработка необходима, когда деталям или инструменту нужно придать новые качества: повышенную твердость, устойчивость к большим ударным нагрузкам и т.п. Складывается она в основном из трех процессов: закалки, отпуска и отжига.

Чего, кажется, легче: нагрел деталь, опустил ее быстро в воду - и она закалена. Процесс прост, если знаешь, до какой температуры нагреть, как определить ее и в какой среде охлаждать деталь (в воде, масле и т.п.).

Правильность закалки углеродистых сталей контролируют по графику, изображенному на рисунке. При нагреве выше верхней границы зоны закалки (дана толстой линией) теряются все первоначальные свойства металла. Углеродистые стали, у которых содержание углерода ниже 0,30% (марки от Ст.0 до Ст.30), вообще не закаливаются. Закаленная стальная деталь хрупка из-за наличия больших внутренних напряжений. С помощью термического процесса - отпуска - можно снизить хрупкость; при этом сохранится твердость, полученная при закалке. Отпуск производится при сравнительно небольших температурах. Нагретую для этого деталь охлаждают на открытом воздухе. Температуру для отпуска легко определить по так называемым цветам побежалости, которые представляют собой цветные окисные пленки, образующиеся при различных температурах на хорошо зачищенной поверхности отпускаемой детали при отпуске небольших деталей пользуются нагревом на болванке. При этом цвета побежалости наблюдают на самой детали, температуры отпуска инструмента лома - 250-280°С, отжиг.

Процесс отжига стали необходим в том случае, когда надо из старого закаленного инструмента или детали сделать что-либо другое (закаленную деталь нельзя обработать из-за большой твердости). При отжиге ранее закаленная деталь нагревается до нужной температуры (см. рисунок) и затем охлаждается на открытом воздухе. После отжига сталь приобретает все качества, которые у нее были до закалки, то есть она легко обрабатывается.

Г) Заготовкой для изготовления лома является прочный металлический стержень разных диаметров. Стержень изготавливается машинным литейным методом.

Стержневые машины применяют для изготовления стержней в условиях серийного и массового их производства. В основном стержни готовят на встряхивающих, пескодувных и пескострельных машинах, а также на пескометах, специальных устройствах.

Изготовление стержней встряхиванием. На встряхивающих машинах изготовляют средние и крупные стержни в открытых ящиках. Более крупные стержни получают на встряхивающих машинах с перекидным столом и с поворотным столом. Смесь уплотняют встряхиванием (рис.134) в ящике, закрепленном на перекидном столе. Сверху на ящик устанавливают сушильную плиту. После уплотнения смеси ящик совместно с плитой переворачивают на 180° и закрепляют на приемном столе. При опускании приемного стола и одновременной работе вибратора, закрепленного на столе машины, стержень извлекается из ящика. Замена ручного расталкивания вибрацией позволяет повысить размерную точность стержней.

Изготовление стержней на пескодувных машинах. Этот способ изготовления стержней наиболее высокопроизводителен, применяют при изготовлении мелких и средних стержней любой сложности. Недостаток пескодувного способа состоит в необходимости применения стержневых смесей с низкой прочностью в сыром состоянии. Это затрудняет перемещение и извлечение стержней из ящика.

Рис.4. Схема изготовления литьевого стержня на встряхивающих машинах с перекидным столом: 1 - стол, 2 - стержневой ящик, 3 - стержень, 4-сушильная плита, 5 - приемный стол

Схема машины для изготовления стержня пескодувным способом изображена на рис.5.

Рис.5. Изготовление литьевого стержня на пескодувной машине: 1 - прижимный механизм, 2 - стержневой ящик, 3 - надувная плита, 4 - рабочий резервуар, 5 - клапан, 6 - венты

Сжатый воздух, проходя через головку резервуара со смесью, выталкивает ее в стержневой ящик, прижатый к надувной плите механизмом пескодувной машины. Для выхода воздуха из стержневого ящика в его стенках выполнены специальные отверстия - щелевые и сетчатые венты.

Плотность набивки ящика смесью зависит от соотношения суммарных площадей поперечного сечения вент к сечению вдувных отверстий надувной плиты. Для мелких стержней массой до 0,4 кг это соотношение равно 0,15-0,6; для стержней с прочностью во влажном состоянии 14,7-19,6 кПа - 0,1 - 0,9. Давление сжатого воздуха составляет не менее 588 кПа.

Рис.6 Схема заготовки стержень.

Для изготовления лома из стержня необходимо зделать опорный зубец и рабочую часть лома. Лом можно изготовить способом холодной объёмной штамповки, а точнее её разновидностью - высадкой.

Объёмная штамповка, технологический процесс кузнечно-штамповочного производства, заключающийся в изменении простейших объёмных заготовок (цилиндрической, призматической и др. формы) в более сложные изделия, форма которых соответствует полости специализированных инструментов - штампов. Объёмная штамповка как процесс перераспределения металла заготовки происходит в результате пластической деформации (см. Обработка металлов давлением).

Основные операции Объёмная штамповка - осадка, высадка, протяжка, выдавливание, гибка, плющение, калибровка, образование выступов, утолщений, углублений, осуществляемые на кузнечно-прессовых машинах - молотах, прессах и машинах специального назначения. Из штампованных поковок после обработки резанием и термической обработки получают различные детали: шатуны, коленчатые валы, рычаги, зубчатые колёса, лопатки турбин, крепёжные детали, шары, ролики и кольца подшипников и др.

Различают холодную и горячую Объёмная штамповка Холодная штамповка осуществляется без нагрева. Исходный материал - калиброванные прутки, нарезаемые на мерные (штучные) заготовки, или проволока в бунтах. Масса получаемых изделий от нескольких г до неск. кг; точность по 3-2-му классам; шероховатость поверхности соответствует 7-10-му классам чистоты. Холодной Объёмная штамповка получают ответственные детали с высокими и стабильными механическими свойствами, что объясняется отсутствием рекристаллизации в металле и упрочнением. Т.к. заготовки не нагреваются, на поверхности поковок не происходит образования окалины, обезуглероживания, обесцинкования и т.п., что улучшает качество поковок в целом и сокращает припуски на дальнейшую обработку. В ряде случаев поковки не требуют дополнительной обработки, являясь готовыми деталями (коэффициент использования металла составляет 1). Однако для осуществления холодной Объёмная штамповка требуются значительные усилия - до 2500 Мн/м2 (1 Мн = 100 тс) и более, что отрицательно влияет на стойкость штампов. Существенно снизить усилия (в 10-15 раз) позволяет нагрев заготовок, т.е. горячая Объёмная штамповка

Горячая штамповка осуществляется с нагревом до температуры 200-1300°С в зависимости от состава сплава и условий обработки. Исходный материал - прокатные прутки, разделённые на мерные заготовки, равные по объёму будущей поковке (с учётом неизбежных отходов). Масса получаемых изделий от нескольких г до 6-8 т; точность размеров поковок зависит от их массы и конфигурации и может быть повышена последующей холодной калибровкой; шероховатость поверхности соответствует 3-7-му классам чистоты. Процесс горячей Объёмная штамповка аналогичен по физической сущности свободной ковке, но осуществляется в штампах. Горячей Объёмная штамповка получают поковки, однородные по структуре, сравнительно высокой точности, сложной конфигурации, которой невозможно добиться при свободной ковке. Однако средний коэффициент использования металла при горячей Объёмная штамповка 0,5-0,6 (т.е. до 50-40% металла идёт в отход), при холодной штамповке этот коэффициент значительно выше.

Холодную высадку осуществляют на холодновысадочных автоматах, которые обеспечивают автоматическую подачу заготовки, перемещение её из ручейка в ручеёк и отрезания лома от стержня (рис.7).

Холодновысадочный автомат имеет механизм подачи, отрезания и перенесения заготовки с линии подачи на линию высадки, а также механизм высадки и выталкивания.

Стержень 1 роликами 2 подаётся через матрицу 3 до упора 4. Высадка лома осуществляется пунсом 5, после чего она выталкивается из матрицы. При холодной высадке коэффициент использования материала достигает 95%.

После высадки лом очищают от заусенец, и загатовка лома подаётся для изгиба ручки.

Горячую объёмную штамповку лома можно использовать на простых однорывчаковых штампах, которые имеют одну поверхность. Температура нагревания аналогична температуре прокатки. Операцию по изготовлению лома из заготовки - стержня может быть протяжка удлинённых частей заготовки и формовка (рис.8).

Рис.8 схема горячей объёмной штамповки (формовки).

3. Опишите сварку чугуна. Особенности технологии, материалы, область применения. Опишите огневое резание чугуна. Приведите марки чугуна с расшифровкой.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом (свыше 2,11-2,14%), в котором обычно содержатся также кремний (до 3%), марганец (до 1%), сера, фосфор и могут присутствовать легирующие добавки - хром, никель, ванадий, алюминий, магний и др. Чугун без легирующих добавок или термообработки - достаточно хрупкий материал с низкими прочностью, твердостью и пластичностью.

Углерод может присутствовать в чугуне в виде цементита Fe3C и графита. По количеству цементита и форме графита чугуны подразделяются на следующие виды:

белый;

серый;

ковкий;

половинчатый;

высокопрочный чугун.

Белый чугун - это чугун, в котором весь углерод присутствует в виде цементита. Цвет излома - светлый. Белый чугун имеет очень высокую твердость и не может обрабатываться режущим инструментом. Его используют преимущественно в качестве полупродукта для получения ковкого чугуна.

В сером чугуне весь углерод или его большая часть присутствует в виде графита. Цвет излома - серый. Серый чугун благодаря высоким литейным свойствам используется в качестве основного материала для литья. В отличие от белого чугуна хорошо поддается металлической обработке.

Ковкий чугун получают в результате отливки и последующей термической обработки белого чугуна с образованием хлопьевидного графита. Ковкий чугун применяется в основном при производстве автомобилей, сельскохозяйственных машин и тракторов.

Половинчатый (отбеленный) чугун - это чугун, в котором углерод присутствует как в виде графита, так и в виде цементита. Используется как фрикционный материал для работы в условиях сухого трения, для производства деталей повышенной износостойкости.

В высокопрочном чугуне содержится шаровидный графит, образуемый в процессе кристаллизации. Обычно используется для производства ответственных изделий в машиностроении, для изготовления высокопрочных труб водоснабжения, нефте- и газопроводов.

Свариваемость чугуна

Чугун обладает плохой технологической свариваемостью: быстрое охлаждение сварного шва и околошовной зоны приводит к возникновению отбеленных участков (участков с выделениями цементита, обладающих высокой твердостью), что крайне затрудняет последующую механическую обработку металла;

в связи с высокой хрупкостью чугуна при его неравномерном нагреве и охлаждении высока вероятность появления трещин в сварном шве и околошовной зоне;

чугун является жидкотекучим сплавом, что усложняет удержание расплавленного металла от вытекания и затрудняет формирование шва;

из-за интенсивного выделения газов из жидкой сварочной ванны, продолжающегося и на стадии кристаллизации, в сварном шве могут образовываться поры;

в результате окисления кремния, а иногда и других элементов на поверхности сварочной ванны могут образовываться тугоплавкие оксиды, приводящие к непроварам.

Однако сварка металла весьма распространена при ремонте чугунных изделий, для исправления брака чугунного литья, а в некоторых случаях при изготовлении сварно-литых конструкций.

Способы сварки чугуна

Сварка чугуна может выполняться покрытыми или угольными электродами, порошковой проволокой, оборудованием для газовой сварки и другими способами.

Существуют три основных технологических направления сварки чугуна:

сварка, обеспечивающая получение в металле шва чугуна;

сварка, обеспечивающая получение в металле шва низкоуглеродистой стали;

сварка, обеспечивающая получение в металле шва сплавов цветных металлов.

Важным способом борьбы с образованием отбеленных и закаленных участков, а также возникновением трещин является предварительный подогрев свариваемой детали. В зависимости от температуры предварительного подогрева различают следующие виды сварки металла:

горячая сварка - с температурой предварительного подогрева 600-650°C;

полугорячая сварка - с температурой предварительного подогрева до 400-450°C;

холодная сварка - без предварительного подогрева.

Горячая и полугорячая сварка чугуна используются в случаях, когда требуется получение в металле шва чугуна со свойствами, близкими к свойствам основного металла детали. Предварительный подогрев изделия до температуры 600-650°C при горячей сварке чугуна создает условия для сравнительно равномерного нагрева и более медленного охлаждения металла после сварки, что обеспечивает графитизацию чугуна - выделение углерода в виде графита - и предотвращение его выделения в виде цементита.