Конструкционные металлы в автомобильной промышленности: чугун, сталь, цветные металлы и сплавы

Как конструкционный материал наиболее широко применяются серые чугуны, в которых весь углерод находится  в свободном состоянии в виде включений графита пластинчатой формы. Они обладают средней прочностью, хорошими литейными и другими технологическими свойствами, мало чувствительны к концентрации переменных напряжений, антифрикционны.

 

 

3.1.2. Белый чугун 

Представляет собой сплав, в  котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe₃C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном чугуне). Кристаллизация белого чугуна происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого чугуна карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость. Белый чугун отличается высокой твердостью и хрупкостью. В автостроении применяют для переработки в ковкий чугун.

В белых чугунах  избыточный углерод, не растворившийся в твердом растворе железа, присутствует в виде карбидов железа. Вследствие низких механических свойств – высокой хрупкости и твердости, плохой обрабатываемости резанием – белые чугуны не применяются в качестве конструкционных материалов.

3.1.3. Половинчатый чугун

Содержит часть углерода в свободном  состоянии в виде графита, а часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

3.1.4. Ковкий чугун

Ковким называется чугун в отливках, изготовленных из белого чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий чугун  обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого чугуна определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий чугун, имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность, применяют ферритный ковкий чугун. Ковкий чугун используют в основном в автомобиле-, тракторо- и сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого чугуна высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления. Ковкий чугун широко применяют в автостроении благодаря хорошим механическим свойствам. Его получают путем длительного томления отливок из белого чугуна при высокой температуре. Из ковкого чугуна выполняют детали, воспринимающие переменные нагрузки (картеры задних мостов и коробок передач, ступицы колес и др.).

Ковкий чугун получают из белого путем последующего отжига до распада графита в виде хлопьев. Детали из него могут подвергаться незначительным деформациям. Они обладают меньшей по сравнению с деталями из серого чугуна хрупкостью, но стоят на 30 … 100% дороже.

3.1.5. Высокопрочный чугун

Характеризующийся шаровидной или  близкой к ней формой включений  графита, получают модифицированием жидкого  чугуна присадками Mg, Ce, Y, Ca и некоторых  др. элементов (в чистом виде или  в составе сплавов). Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств чугуна с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам углеродистых сталей. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой чугун применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого чугуна. Этот чугун обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого чугуна). Чугун с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения. Высокопрочный чугун — это чугун, получаемый из серого чугуна путём добавки магния или редкоземельных элементов, при этом повышают прочность и пластичность чугуна. Из данного чугуна изготовляют ответственные детали.

Высокопрочный чугун характеризуется  шаровидной или близкой к ней  формой включений графита, которую  получают модифицированием жидкого  чугуна присадками магния. Шаровидный графит в наименьшей мере ослабляет  металлическую основу, что приводит к высоким механическим свойствам. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и эксплуатационными свойствами.

3.1.6. Легированные чугуны

Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания чугуну особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы. Легированные чугуны классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Для улучшения прочностных характеристик  и получения особых эксплуатационных свойств: износостойкости, немагнитности, коррозионной стойкости и т.д., в  состав чугунов вводят легирующие элементы (никель, хром, медь, алюминий, титан и др.). Легирующими элементами могут служить также марганец (при содержании более 2%) и кремний (более 4%).

В отдельную группу при классификации  выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.

 

3.2. Маркировка чугунов

 

По принятой в России маркировке обозначения марок доменных чугунов содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение чугуна: П - передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л - литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличие от чугуна, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в чугуне ЛК5 содержится меньше кремния, чем в чугуне ЛК4). Каждая марка чугуна в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории.

 Марки чугуна литейного производства, как правило, обозначаются буквами,  показывающими основной характер  или назначение чугуна: СЧ - серый  Ч., ВЧ - высокопрочный, КЧ - ковкий; для  антифрикционного чугуна в начале  марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного чугуна указывают его механические свойства. Для серых чугунов приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм²), например СЧ21-40,СЧ 15, CЧ 20, СЧ 35.

Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности  при растяжении (в кгс/мм²) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных чугунов состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав чугуна, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей. Пример обозначения легированных чугунов: ЧН19ХЗ – чугун, содержащий ~19% Ni и ~3% Cr. Если в легированном чугуне регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (ЧН19ХЗШ).

Чугун СЧ30 применяется: для изготовления различных отливок ответственного назначения - блоков и головок цилиндров, гильз, маховиков в автомобиле- и тракторостроении; особо ответственных деталей работающих при сжатии (башмаков, колонн) в строительстве; тяжелонагруженных деталей со значительными колебаниями сечений а также котлов для плавки каустика, труб, колен и других деталей в химическом машиностроении, работающих в растворах и расплавах щелочей; отливок 2 группы для паровых стационарных турбин, турбинного оборудования АЭС, элементов паровых котлов и трубопроводов, гидравлических турбин, гидрозатворов и другого оборудования энергомашиностроения, работающих при температурах до 250 °С, подвергающихся повышенным статическим и динамическим нагрузкам и трению (поршни, корпуса редукторов, корпуса подшипников, корпуса червячных колес, втулки, крышки подшипников, патрубки компрессоров, диафрагмы, рамы фундаментные, рамы выхлопных частей, патрубки компрессоров, зубчатые колеса, шестерни); отливок деталей трубопроводной арматуры и приводных устройств к ней. Выберем блок цилиндров. 

4. Сталь

 

Сталь — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14 %, но не меньше 0,02 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

По структуре сталь различается  на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

 

По химсоставу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат кроме железа и углерода также марганец (до 1%) и кремний до (0,8%), а также примеси, от которых трудно избавиться в процессе выплавки – серу и фосфор. Сера и фосфор снижают механические свойства сталей: сера увеличивает хрупкость в горячем состоянии (красноломкость), а фосфор – при пониженных температурах (хладноломкость). В зависимости от содержания углерода различают низко- (С ≤ 0,25%), средне- (0,25 < С ≤ 0,6%) и высокоуглеродистые (C > 0,6%) стали.

В состав легированных сталей помимо указанных компонентов для улучшения  технологических и эксплуатационных характеристик и придания особых свойств вводят легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий и др.). Легирующими элементами могут быть также марганец при содержании более 1% и кремний – более 0,8%.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Наиболее широко применяют конструкционные стали. Они бывают как углеродистыми (С ≤ 0,7%), так и легированными. Инструментальные стали служат для изготовления режущего, ударно-штампового и мерительного инструментов. Они бывают углеродистыми  (С ≥ 0,8 … 1,3%) и легированные хромом, марганцем, кремнием и другими элементами. К сталям с особыми свойствами относят нержавеющие, немагнитные, электротехнические стали, стали постоянных магнитов и др.

Из стали  изготовляют большинство деталей  механизмов и агрегатов автомобиля. Конструкционная углеродистая сталь хорошо обрабатывается и сваривается. Из нее делают кожухи, крышки, тяги, рычаги, оси, валы.

Легированными называют, стали, в состав которых для придания им специальных свойств вводят легирующие элементы. Они по-разному влияют на свойства стали: марганец повышает прочность и износостойкость; кремний увеличивает упругие характеристики стали; хром повышает коррозионную стойкость, твердость, прочность, жаропрочность; никель снижает коэффициент линейного расширения, повышает прочность и износостойкость; вольфрам и молибден повышают прочность и твердость, улучшают режущие свойства при повышенной температуре. Из них изготовляют шестерни, валы, полуоси (приводные валы), коленчатые валы, пальцы, пружины, рессоры и подшипники. Легированные стали маркируют цифрами и буквами. Цифры обозначают содержание в стали углерода в сотых долях процента, буквы обозначают состав легирующих элементов, например: X — хром; Н — никель; М — молибден. Обладая хорошими механическими характеристиками, стали являются наиболее распространенным конструкционным материалом. Существенный их недостаток – большая плотность и, как следствие, небольшая удельная прочность и удельная жесткость. Стали обладают также малой коррозийной стойкостью, а применение нержавеющих сталей для подобных целей дорого. Стали поставляются как листовой и сортовой прокат в виде листов, полос, лент, проволоки, прутков круглого, прямоугольного и квадратного сечений, труб, равно- и неравнобоких уголков, двутавров, швеллеров и других видов профилей разных размеров, оговоренных стандартами. 

В автомобилестроении сталь 45 обычно применяют для вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

По качеству стали делят на обыкновенные, качественные, высоко и особо высококачественные. Различие между ними заключается в количестве вредных (сера и фосфор) примесей. Так, в сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%; в качественных – каждого элемента не более 0,035%; а в

 

высококачественных – не более 0,025%. Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По характеру застывания из жидкого состояния, степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Чем полнее удален из расплава кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания и меньше выделение пузырьков окиси углерода

 

(«кипение»). Выбор технологии раскисления  определяется назначением и возможностями  производства, но каждый способ  имеет свои достоинства и недостатки.

 

 

5. Цветные металлы  и сплавы

 

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.

Цветные металлы (медь, алюминий, титан, магний) и их сплавы широко применяются  в виде прутков, листов и лент для изготовления деталей механизмов. Но их применение должно быть обосновано, так как стоимость деталей из цветных металлов и сплавов значительно выше, чем из стали и пластмасс.

В виде собственно металлов алюминий, например, используется для защиты алюминиевых сплавов от коррозии путем нанесения на их поверхность тонкой плёнки (плакирование). Из меди изготовляют электрические провода. Почти половина добываемых цинка и олова расходуется на покрытие поверхности соответственно черных металлов (цинкование) и консервной жести (лужение). Из свинца изготовляют пластины, перемычки и клеммы аккумуляторных батарей.