Черное литьё

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Большинство деталей автомобилей воспринимают при работе значительные статические и динамические нагрузки. Динамические нагрузки возникают при сгораний газов в камере сгорания цилиндров двигателей, из-за действия инерционных сил, в результате частотных колебаний, при торможений автомобиля, ударах колес от препятствий и по другим причинам. Многие детали воспринимают перенесенные нагрузки и поэтому подвергаются усталостным разрушениям. Некоторые детали автомобилей, кроме механического подвержены коррозионно-механическому изнашиванию, в частности окислительному (поршни, головки цилиндров, поршневые кольца, гильзы цилиндров и др.)

Особенности эксплуатаций автомобилей не позволяют при разработке их конструкций идти по пути увеличения сечений габаритных размеров и массы деталей, поэтому к материалам, применяемым для их изготовления, предъявляются высокие требования. Они должны надежно обеспечивать статическую и динамическую прочность деталям, высокую износостойкость трущихся поверхностей, температурную и коррозионную стойкость.

Указанным требованиям, хорошо отвечают легированные стали. В нормализованном и улучшенном состояний они обеспечивают при ограниченных сечениях необходимую прочность, а в результате химико-термической обработке с последующей закалкой и низким отпуском - высокую твердость и износостойкость рабочих поверхностей при больших удельных нагрузках.

Но нельзя не учитывать, что стоимость легированных сталей достаточна высока. Поэтому наряду с легированными сталями применяют и более дешевые низколегированные и качественные углеродистые стали и серые чугуны.

В качестве заготовок автомобильных деталей используются поковке, штамповки черное и цветное литье. Первые два вида заготовок отличаются более равномерной и мелкозернистой структурой и ориентированным расположением волокон зерен металла, а, следовательно, и наилучшими механическими свойствами изготавливаемых из них деталей. Поэтому в конструкциях автомобилей кованных и штампованных деталей большинство. Исходным материалом для изготовления по ковок и штамповок является металлопрокат. Однако он почти в три раза дороже черного литья. По этому, в тех случаях, когда нагрузки деталей ограниченны, целесообразно вместо поковок и штамповок использовать отливки. При изготовлений деталей особо сложной формы литье часто является возможным способом изготовления заготовок (блоков и головок цилиндров, картеров коробок передач, картеров редукторов и др. деталей)

Наиболее дешевым видом черного литья являются серые чугуны. В автомобильной промышленности широко применяются модифицированные, легированные, высокопрочные, ковкие и специальные чугуны.

1. Краткие сведения о чугунах

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых содержится более 2,14% углерода. Вторым важнейшим и обязательным элементом для чугунов является кремний, содержание которого колеблется от 0,5 до 3-5% в зависимости от марки чугуна. Углерод кремний и алюминий (C, Si, Al) Являются графитизирующими элементами. Способствуют появлению свободного графита, т.е. графитных включений. Марганец-карбидообразующий элемент. Он карбидообразующий элемент, влияет на образование перлита металлической основе и его дисперсности. Марганец способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства (снижает жидко текучесть), содержание серы лимитируется от 0,08% для мелкого литья и 01-012% для крупного.

Фосфор практический не влияет на графитизацию. Это полезная примись в чугуне, так как улучшает жидко текучесть. Твердые участки фосфид ной, эвтектики повышают, общую твердость и износоустойчивость чугуна.

Часто чугун легирует хромом, никелем, медью, алюминием. Хром препятствует, а медь и никель способствуют графитизаций чугуна.

Разновидности чугунов

По структуре способу получения и свойствам все чугуны можно разделить на следующие виды:

1 Белый или предельный чугун;

Серый или литейный (Сч)

Ковкий чугун (Кч)

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (Вч)

Преимущества чугунов по сравнению со сталями

1.Чугуны и стали являются самыми дешевыми машиностроительными материалами, но чугуны дешевле стали

2.Чугуны обладают лучшими литейными свойствами (большой жидко текучестью и меньшей усадкой). Поэтому их используют для изготовления корпусных деталей, деталей сложной формой, детали с внутренними полостями

3.Чугуны, в которых, имеется графит, лучше, чем стали сопротивляются и стиранию, т.к. графит выполняет роль твердой смазки

4.Чугуны хорошо гасят вибраций и шум. Поэтому станицы станков, кузнечных прессов, полы в цехах делают из чугуна.

5.Все чугуны (кроме белых) хорошо обрабатываются резанием, т.к. получается сыпучая стружка

6.Чугуны меньше, чем сталь чувствительны к надрезам, рискам, других концентраторов напряжения, которые могут служить очагами усталостного разрушения.

Недостатки чугунов.

1.Главный недостаток чугунов по сравнению со сталями-более низкие механические свойства, особенно при растяжений и ударных нагрузках

2.Склонность чугунов к хрупкому разрушению

3.плохая свариваемость

4.Чугуны практический не подаются обработке давлением.

2. Чугуны со свободным графитом

Формы графита.

Серые, ковкие, высокопрочные чугуны по структуре можно рассматривать как сталь с ферритной, феррита-перлитной или перлитной с металлической основой, в которой находятся графитные включения различной формы.

У серых чугунов - пластинчатая форма графита, у ковких хлопьевидная, у высокопрочных-шаровидная. Следовательно, механические свойства чугунов влияют два структурных фактора:

1.Форма графитных включений;

2.структура металлической основы чугуна.

Форма графитных включений становиться определяющим фактором, когда особенно сильно сказывается вредная влияние включений, как концентраторов напряжений. Это резко уменьшает пластичность чугуна и делает его хрупким.

Пластинчатая форма графита характерна для серого чугуна это могут, быть прожилки, лепестки их пересечения. Особенно опасны прожилки с острыми концами. Пластинчатая форма графита очень охрупчивает чугун.

Хлопьевидный графит. Он характерен для ковкого чугуна. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость цемента с помощью длительного оттиска (~ 80 часов.) разложить это (Feз С >Fe+C), то образующиеся графит приобретает компактную, почти равносную, но не округлую форму - хлопьевидную.

Шаровидный графит. Такая форма графита характерна для высокопрочного чугуна, получаемого из жидкого серого с добавлением внето магния или церия. Округленные включения графита не создают резкой концентрации напряжений, такие включения не являются «трещинами» и чугун с шаровидной формой имеет значительно более высокую прочность в изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.

Микроструктура чугуна с различной формой графита дана на рис 1 и рис 2.

Рис.1 Микроструктура серого чугуна(x 500)., а-белый чугун, б-перлитный серый чугун., в-ферритно - перлитный серый чугун., г-ферритный серый чугун.

Рис.2. микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом(l;x150) и ковкого чугуна (ll;x500): а)- Нейтральный шлиф. б)- Перлитный чугун. в)- Ферритный чугун.

Таким образом, прочность чугунов определяется строением металлической основы и формой графитных включений

Пластичность чугунов с разной формой графита характеризуется следующими значениями относительного удлинения, %

Пластичность мало зависит от строения металлической основы (нижние значения типичны для перлитных чугунов, верхние - для ферритных)

Твердость HB, определяемая структурой металлической основы, имеет следующие значения

Твердость мало зависит от формы графитов

3. Маркировка, механические свойства и применение серых чугунов

В соответствий с ГОСТ 14 12-85 предусматриваются следующие марки чугуна: СЧ 10; СЧ 15; СЧ 20; СЧ 25; СЧ 30; СЧ 35.СЧ-серый чугун, цифры - величина минимального временного сопротивления при растяжений в МПа•10Ї№(ктс/ммІ) Таблица 1.2

Таблица 1 - Ориентировочные данные о временном сопротивлений при растяжений и твердости в стенках отливки различного сечения

Твердость, HB, не более

Из чугунов малой прочности изготавливают детали, воспринимающие небольшие нагрузки. Структура их - большие пластинки графита и графитная или ферритно-перлитная металлическая основа (СЧ10,СЧ15,СЧ20)

Чугуны повышенной прочности (перлитная металлическая основа) идут на изготовление станин станков, цилиндров, поршней. Из модифицированных Fe Si и чугунов (СЧ21 СЧ24) делают ответственные детали, работающие на износ: зубчатые колеса, тормозные колодки и т.д.

Средний химический состав чугунов СЧ: 3,0-3,5% с;1,4-2,4% Si; 0,5-1,0% Mn; 0,15% S; 0,2%P.

122 Маркировка, механические свойства и применение ковких чугунов (КЧ)

Отличительной особенностью структуры ковких чугунов является хлопьевидная форма графита. Средний химический состав ковкого чугуна: 2,2% С; 0,8-3,4% Si 1-5% Mn отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна,t950-1000 C° Время отжига 70-80 часов. Отмечают 2 стадий графитизаций: во время первой стадий происходит распад цементита в ледебурите и цементите вторичного на аустенит и хлопьевидный графит, то есть

Л (А+Ц)>А+Г

Цээ>А+Г

Во время 2 стадий графитизации цементит перлита распадается на феррит и хлопьевидный графит, т.е.

П (Ф+Ц)>Ф+Г

График отжига белого чугуна для получения ковкого чугуна дан на рис.

По ГОСТУ 1215-79 предусматривается 11 марок ковкого чугуна (таблица 2)

Таблица 2 - Механические свойства ковкого чугуна

Первые цифры 2-временное сопротивление разрыву; вторые цифры относительное удлинение S%.

Чем ниже содержание углерода в ферритном чугуне, тем меньше графитных включений и выше его пластичность.

Чем больше перлита в металлической основе ковкого чугуна, тем выше его твердость и прочность, и ниже пластичность и вязкость. Из ферритного ковкого чугуна КЧ30-6 изготавливают детали, работающие при средних динамических нагрузках (корпуса подшипников, скобы, собачки и т.д.)

Из перлитного чугуна изготавливают детали, работающие при высоких динамических и статических нагрузках или в тяжелых условиях износа (коленчатые валы, вилки, карданных валов, втулки, муфты, тормозные колодки храповики и др.). Хорошие литейные свойства чугуна и особенно жидко текучесть, обеспечивает получение тонкостенных отливок (3-60 мм) сложной формы и чистой поверхностью, которые благодаря высокой плотности металла, выдерживают гидростатические испытания до 100 КТС? ммІ. Это позволяет использовать ковкие чугуны для производства большого ассортимента деталей гидро и паропроводных установок

Рис.3 Схема отжига ковкого чугуна

123 Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.

Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкого серого чугуна небольшими добавками магния (0,03-0,07% или церия. Под действием магния графит в процессе кристаллизаций принимает шаровидную форму. Такой графит имеет минимальную поверхность при данном объеме, и значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый. Высокопрочные чугуны имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, и способность гасить вибраций, высокую износостойкость и т.д. И в соответствий с ГОСТ 7293-85 для изготовления отлива предусматриваются 8 марок чугуна (табл.3)

Таблица 3 - Свойства чугунов с шаровидным графитом

Рекомендуемый Химический состав чугуна:

3,2-3,6%С ? 0,10%S

2-3% Si

0,5-1,0% Mn ? 0,10%P

Высокопрочный чугун применяют для:

1-Деталей прокатного и кузнечного производства;

2-Горнорудного и дробильно-размольного производства

3-Коленчатых валов

4-Деталей турбин

5-Деталей зубчатых передач

ВЧ находит применение как новый конструкционный материал, как заменитель углеродистой стали, КЧ и СЧ. Из Вч изготавливаются как мелкие тонкостенные отливки (поршневые кольца) так и отливки массой в 15 тонн (шаботы ковочных молотов, станины, рамы прессов и прокатных станов), Чугунные валы имеют более высокую циклическую вязкость, малочувствительны к внешнем концентраторам напряжений имеют лучшие антифрикционные свойства, значительно дешевле стальных валов. При этом достигается снижение массы деталей на 8% и обеспечение экономий денежных средств.

Применение ВЧ в замене с СЧ дает экономический эффект в тех случаях когда за счет более высокой прочности снижается вес отливки или обеспечивается возможность упрощения монтажных работ (монтаж трубопроводов сваркой) Из ВЧ изготовляют волки прокатных станов, деталей турбин, канализационные и другие трубы, изложницы, суппорты, резцедержатели, план шайбы и другие детали станков. В химической и нефтяной промышленности ВЧ применяют для корпусов насосов, вентилей и т.д.

Схемы микроструктур серого, ковкого и высокопрочного даны на рис.4.

Рис.4. Классификация чугуна по структуре механической основы и форме графитных включений (схемы микроструктур)

Задача. Выбор материала.

Коленчатый вал двигателя легкого автомобиля экономично изготовлять из чугунов - материала, мало чувствительного кроме того к надрезу и хорошо гасящего вибраций. Для этого назначают чугун повышенного качества выбрать класс и марку чугуна с пределом прочности ни ниже 400 Мпа и относительным удлинением 2-3% указать структуру чугуна и форму выделения графита и объяснить, какие изменения в этом случае надо внести в условие выплавки

Коленчатый вал испытывают большие нагрузки, и подвергается скручиванию, изгибу и механическому изнашиванию. Крутящий момент, развиваемый, на коленчатом валу, передается на трансмиссию автомобиля, а так же используется для привода в действие различных механизмов двигателя.

Форма коленчатого вала зависит от числа и расположение цилиндров порядка работы и тактичности двигателя. На большинстве автомобильных двигателей применяют полно опорные коленчатые, т.е. каждая шатунная шейка расположена между 2 коренными

Общий вид коленчатого вала дан на рис.5.

Коленчатый вал имеет следующие части коренные 7 и шатунные 3 шейки, щеки 8, противовесы 4, передний конец 1, и задний конец (хвостовик) с маслоотражателем 5, масло сгонной резьбой и фланцем 6 для крепления маховика. Шатунные шейки служат для соединения коленчатого вала шатунами. Коренные шейки вала входят в подшипники, установленные в блоке цилиндров. Шеки соединяют коренные и шатунные шейки вала, образуя колено или кривошипы. Противовесы расположены на коленчатом валу, разгружают коренные подшипники от сил инерции и создаваемых ими моментов.

Для повышения износостойкости и долговечности шатунных и коренных шеек их закаливают токами высокой частоты (ТВЧ, после чего шлифуют и полируют

чугун маркировка серый коленчатый

Рис.5 устройство коленчатого вала.

Коленчатый вал изготовляют горячей штамповкой из легированных сталей (40ХН, 40ХФА,

40 ХНМА, 50 Г и. д) или отливают из высокопрочного чугуна. Например, коленчатый вал машины «Запорожец» отливают в оболочковые формы из чугуна ВЧ 50-2. Отливки подвергают низкотемпературному отжигу при 640-660°С в течений 3-4 ч. С последующим охлаждением на воздухе

Для решения нашей задачи предложенный чугун ВЧ 60 его средний химический состав:

С=3,2-3,4% S ? 0,003%

Si=2,0-2,5% Cr=0 ,15-0 ,25%

Mn=1 ,15-1,3% Mg=0 ,02-0,04%

Вал отливают в оболочковые формы. Валы подвергают термической обработке по режиму: нагрев до 950°С в течений 8 часов, охлаждение 600°С, подогрев до 725°С, выдержка при 725°С-8 часов и охлаждение на воздухе. В результате термообработке происходит периодизация перлита и поэтому достигается значительное повышение механических свойств:

?в=50-70МПа S=5-8%

?и=90-110МПа

НB207-241

Магний является чрезвычайно активным элементом. Введенный в жидкий чугун, он будет вступать в химическое взаимодействие со всеми элементами, кроме железа, образуя оксиды, нитриды, сульфиты и другие соединения. Этим он способствует очищению чугуна от газов, неметаллических включений и резко повышается плотность. В результате этих сложных физико-химических реакций происходят резкие изменения природных свойств. Изменяется форма графита (шаровидный) и повышается прочность и пластичность. Структура высокопрочного чугуна дана на рис.2 и рис.4(схема микроструктуры на перлитной основе).

Таким образом, выбран высокопрочный магниевый чугун ВЧ60 на перлитной основе (П+Г)

Список литературы

1. Михайловский Е.В., Серебряков К.Б., Тур Е.Я., Устройство автомобиля М: Машиностроение 1985.-352с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение. М: Машиностроение,1992-528с

3. Гуляев А.П., Металловедение., М: Металлургия 1986-542с

4. Термическая обработка в машиностроение. Справочник под ред. Ю. М Лахтина, А Г Рахштадта. М: Машиностроение. 1980-78с

5. Арзамасов Б.Н., Материаловедение. Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова и др.; МГТУ им Н Э Баумана 2002- 646с

Размещено на Allbest.ru