О производстве литья

Углеродистая сталь, общие сведения

Углеродистая сталь состоит из: C, Mn, Si, P, S.

С, главный элемент, характеризующий качество литой стали. Остальные элементы во многих марках углеродистой стали остаются неменяющимися.  Углеродистая сталь делится   на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую.

Низкоуглеродистая сталь содержит : 0,09-0,2%С;0,5-0,6%Mn; 0,15-0,25% Si;  ДО 0,08 %Р и не более 0,03%S.

Мех. свойства стали после отжига:

G_b=35-45кг/мм²; G_s=18-22 кг/мм²; δ_s = 25-35%; ψ = 40-50%.

Из низкоуглеродистой стали производят детали для электротехнической,  машиностроительной промышленности. Литье из низкоуглеродистой стали подвергаются  термической обработке – цементации, после которой проводится закалка.  Отливки получаются с более высокими механическими свойствами  и хорошо работают на истирание.

Углеродистая сталь, механические свойства после закалки:

G_b=42-50 кг/мм²; G_s=25-33 кг/мм²; δ_s = 20-25%; ψ = 30-40%.

После закалки, пластические свойства отливок снижаются.

Свойства стали, которые необходимо учитывать при производстве отливок::

1) повышенная температура плавления;

2) пониженная жидкотекучесть;

3) склонность к окислению;

4) склонность к образованию горячих трещин.

Видно,  что изготовление деталей из низкоуглеродистой стали связано с определенными трудностями, поэтому в литейном производстве применяют  для  стальных отливок сталь среднеуглеродистую.

Состав среднеуглеродистой стали колеблется в  пределах: 0,2-0,45% С; 0,6-0,9% Mn; 0,2-0,45% Si; 0,03-0,05% Р (для неответственных деталей допускается содержание 0,1-0,15% Р); 0,03-0,05 % S (для отдельных отливок допускается содержание до 0,1% S).

Среднеуглеродистая сталь, механические свойства:

G_b=40-55 кг/мм²; G_s=22-32 кг/мм²; δ_s = 23-12%; ψ = 35-20%;а_к 5-3 кгм/см².

Литейные свойства среднеуглеродистой стали лучше, чем низкоуглеродистой стали: пониженная  температура плавления; жидкотекучесть выше; меньше образуется газов и неметаллических включений в отливке; более низкая склонность к образованию горячих трещин;  уменьшается пригар в отливках. Но пониженная теплопроводность среднеуглеродистой стали приводит к образованию повышенных напряжений.

Высокоуглеродистая сталь применяется для деталей, подвергающихся термической обработке – закалке и отпуску – или которые применяются не обработанные механическим способом.

Состав высокоуглеродистой стали: 0,45-0,5% и выше С; 0,5-0,8% Mn; 0,04-0,05%Р; 0,04-0,05%S.

Cодержание Si и Al в сумме должно быть не более 0,3-0,5%,

содержание S и Р в отдельных случаях  допускается до 0,1%;

Высокоуглеродистую сталь с содержанием 0,5-0,6%С можно применять после отжига без закалки, а сталь с содержанием более 1%С можно использовать без проведения термообработки  для отливок, работающих на истирание.

Высокоуглеродистая сталь имеет низкую температуру плавления; хорошую жидкотекучесть; малый пригар формовочной смеси; небольшую склонность образования горячих трещин.

Уменьшенная  теплопроводность высокоуглеродистой стали увеличивает склонность к образования напряжений.

Не стоит отделять литники и прибыли от отливок из высокоуглеродистой стали ацетиленокислородной резкой, из-за этого в отливке  образуются трещины. При термической обработке,  для предотвращения появления трещин, нагрев отливок следует производить с большой осторожностью.

Отливки из высокоуглеродистой стали из-за большой твердости плохо обрабатываются.

 Классификация стали

Углеродистая сталь, классификация  производится по ГОСТ 977 -88.Углеродистая сталь, марки, химический состав  и механические свойства приведены в табл. 1

 Отклонения по содержанию химических элементов: C, Si, Mn, если содержание этих элементов не оговорено в ту  отливок, не считается  браковочным фактором.

Допуски содержания фосфора, серы в зависимости от группы стали, от способа выплавки приведено в табл 2.

Содержание Cr, Ni и Cu не более 0,5% содержания. По данным (табл.1) видно,  что углеродистая сталь имеет уменьшенные  механические свойства и малый  предел по текучести.   Отношение предела текучести к пределу  прочности  составляет

G_s/G_b · 100= 15-60%.

Предел текучести углеродистой стали становится выше  после  термической обработки – закалка с отпуском. Для удовлетворения стальных отливок высоким требованиям,  стальные литые детали удовлетворяли высоким требованиям, они должны  быть получены из легированной стали,  у нее имеется  больший  предел текучести,  предел прочности и более высокая прокаливаемость.

Углеродистая сталь, влияние различных элементов на механические свойства и структуру

Содержание элементов С, Mn, Si, P и S в стали, оказывают влияние на механические, литейные свойства сплава.

Увеличивая количество  углерода увеличивают предел прочности , но уменьшается пластичность.   Термообработка увеличивает  предел прочности и текучести, но уменьшает пределы  удлинения и сужения. Ударная вязкость стали с увеличением  содержания С уменьшается  в сырых отливках, и после  термической обработки.

Твердость увеличивается  при возрастании количества  углерода в литом и в термически обработанном виде,  поэтому затруднительно  выполнять механическую обработку отливок.

Изучая  механические свойства стали, нужно запомнить, что предел прочности увеличивается  быстрее, чем предел текучести. При определенном  содержании углерода отношение  G_s/G_b начинает снижаться. Это говорит о том, что в отливках, требующие большего предела по текучести, применять углеродистую сталь не нужно.

Увеличенное  количество С в стали,  влияет не только на механические, но и на литейные свойства.

Жидкотекучесть стали увеличивается  с увеличением количества   С (рис 1).

 Большая жидкотекучесть влияет  и на  другие литейные свойства : уменьшается число газовых раковин и неметаллических включений в литых заготовках; уменьшается образование горячих трещин. Потому, что с увеличением количества С уменьшается склонность к усадке.

Теплопроводность стали с увеличением С уменьшается, поэтому увеличивается возможность образования  термических напряжений и трещин при пониженных температурах.  Для отливок, подвергающихся быстрому охлаждению, нужно  использовать  сталь  с меньшим  количеством С.

Большое содержание С в толстостенных  отливках дает  зональную ликвацию, а в тонкостенных отливках ведет к внутрикристаллической ликвации. Литые заготовки,  проходящие закалку, нужно отливать из углеродистой стали с более высоким содержанием углерода, так как углерод улучшает прокаливаемость в стали.

Mn улучшает механические свойства стали.. Но в углеродистой литой стали содержание Mn  не должно быть более  0,9-1%,  при таком содержании Mn  не намного увеличивает механические свойства стали.

Увеличение количества  Mn  на 0,1% в пределах от 0,6 до 0,9% увеличивает предел прочности на 1,2 кг/мм².

Марганец раскисляет сталь, нейтрализуя S, что уменьшает количество трещин в стальных отливках.

Mn нейтрализует S по реакции

FeS+Mn       MnS+Fe;

Jтношение Mn к S должно быть равно Mn/S=1,71 или Mn= 1,71 S.

Mn образует более сложные  соединения: (MnS) m (FeS)n, в которых преобладает сернистый марганец; для полной нейтрализации S надо иметь Mn в  4-5 раз  больше. Таким образом, для нейтрализации  0,05% S  надо иметь 0,2-03 Mn. Для раскисления углеродистой стали нужно иметь до 0,5 % Mn.  Поэтому общее количество Mn в стали с содержанием 0,05 % S должно быть около  0,7 %.

При малом содержании Mn увеличивается склонность стали к появлению трещин.

Mn увеличивает твердость литых деталей, предел прочности, предел текучести и уменьшает сужение, удлинение и ударную вязкость. Mn  увеличивает  жидкотекучесть и снижает  красноломкость.

S в углеродистой стали это примесь вредная, увеличивающая красноломкость, т.е.  ухудшает механические свойства литья при больших температурах, что ведет  к образованию трещин. Красноломкость обусловлена тем, что соединения S образуют при 985ᴼ легкоплавкую эвтектику FeS-Fe (рис 2) и FeS+FeO при 940ᴼ.

Mn и S образует более тугоплавкое соединение- сернистый марганец (MnS) , которое плавится  при 1600ᴼ, MnS, соединяясь с FeS, может давать  разные  по температуре плавления  соединения и растворы (рис 3).

Часть сернистых соединений Mn  переходит в шлак, а часть остается в виде  отдельных включений, тогда как соединения S с Fe располагаются по границам кристаллов и eуменьшает прочность стали.

Механические свойства углеродистой стали с увеличенным содержанием S  уменьшаются: за исключением небольшого увеличения предела  текучести. Увеличенное количества S в сплаве ведет к уменьшению жидкотекучести, к  увеличению количества газовых раковин и  неметаллических включений. Ликвация стали с большим количеством  S  становится больше, особенно в толстостенных деталях. Увеличивается количество  горячих трещин.

Нейтрализация вредного действия S  может осуществляться и другими элементами, которые с S образуют тугоплавкие сульфиды в виде Al₂S₃; ZrS₂; CaS; MgS. Эти соединения не располагаются по граням кристаллов и дают  возможность получать отливки неплохого  качества.

Содержание S в различных отливках из углеродистой стали колеблется в следующих  пределах: для  ответственных отливок  0,04-0,05%; для неответственных отливок до 0,06-0,1%; для толстостенных отливок не более 0,03%.

В толстостенных деталях  S сильно ликвирует. Так например, прокатный вал  при содержании S, равном 0,03%, в центре 0,1%S.

P в углеродистой стали является вредной примесью, потому что уменьшает пластичность. Это ведет к образованию трещин при малых температурах. Предел прочности и предел  текучести углеродистой стали, содержащей P, возрастает.

Это свойство P используется только для низкоуглеродистой стали с 0,1% С.  Вредное воздействие  Р более видно  в стали с большим количеством  С. Это можно объяснить тем , что чем больше содержание С, тем больше концентрация З  в оставшемся не связанным с С  железе.

Соединение Р с Fe  и C сильно ликвируют, скапливаясь по границам зерен и ослабляют сечение отливки. Это особенно сильно  заметно  при минусовых температурах. Поэтому содержание Р ограничивается как в углеродистой стали (табл 1),

 так и в легированной сталях (таб 2).

Si в углеродистой стали находится как примесь, после раскисления FeSi. Поэтому общее количество его в стали определяется совместно с Al.

Механические свойства стали изменяются незначительно,  при том количестве Si, которое допускается в углеродистой стали (рис 4).

   Si раскисляет сталь и связывает газы. Он также увеличивает прокаливаться.

Расчет  нужного содержания  Si и Al производится  по эмпирической формуле:

Si+4Al=0.35-0.65%. Количество Al составляет 0,02-0,1%, в зависимости от  характера раскисления. Содержание Si определяется по разности.

Кроме указанных элементов, в углеродистой стали могут находиться газы: кислород, азот и водород.

Кислород является  вредной примесью: с увеличением  содержания кислорода механические свойства стали уменьшаются (рис 5).

   Кислород попадает в расплав, когда он  находится большое время при высоких температурах.  В мартеновской стали может быть растворено  до 0,05-0,004%О₂, в электростали – до 0,015-0,020% О₂.

Кислород увеличивает образование  горячих  трещин. Объясняется это тем, что кислород, растворяясь в стали,  понижает растворимость сернистого железа, увеличивая тем самым влияние S. Сернистое железо в этом случае выделяется  с образованием вокруг кристаллита легкоплавкой оболочки, которая приводит к трещин. Для исключения трещин в литых заготовках,  сталь должна подвергаться  раскислению  и рафинированию.

Азот в сталь проникает из воздуха, растворяется в значительных  количествах до 0,03-0,04% и находится в металле в виде газа или в виде химических соединений с различными элементами (Si, Al, Cr, Mn, Ti и др.). Влияние азота на качество стали еще не достаточно  изучено. Установлено, что азот увеличивает прочность,  предел текучести и твердость и уменьшает пластичность (рис  6).

   Свойства азота увеличивать твердость стали используется для азотирования отливок. Кроме того, азот используется для продувки стали при модифицировании. При  этом  образуются тугоплавкие нитриды, которые служат центрами кристаллизации.

Водород считается вредной примесью, он уменьшает  пластичность стали. При уменьшении  температуры стали водород выделяется из раствора и образует газовые раковины. Количество водорода в стали незначительное – 0,0005-0,0025%.

Микроструктура стали в  зависимости от содержания С и  температуры показана на диаграмме (рис  7).

Структура стали состоит из  феррита 2 и перлита 3, при этом чем больше содержится углерода, тем больше будет перлита и тем выше твердость.

В углеродистой стали с содержанием  С выше 0,85%  микроструктура стали состоит из перлита и вторичного цементита. Твердость такой стали сильно увеличивается и ухудшается мех. обработка.

Источник: Литейные сплавы П.П. Жевтунов.