Выбор материала для изготовления вкладышей подшипников с толщиной 15-20 мм

АСЧ -1 ГОСТ1585-57 чугун, легированный хромом и никелем.

Химический  состав: С 3,2-3,6 %; Si 1,3-2%; Mn 0,6-1,2%; S ≤ 0,12%; Р 0,15-0,3%; Cu 1,5-2%.

Твердость HB 10^-1=180-241 МПа.

Таким образом  вкладыши подшипников лучше всего  в данной задаче изготавливать из серого антифрикционного чугуна (марки  АЧЦ-1 и АЧЦ-2); это самый дешевый  материал для вкладышей; он может  выдерживать значительные удельные давления, но из-за более высокого коэффициента трения чугунные вкладыши не следует применять в быстроходных двигателях.

Для повышения  твердости, прочности и износостойкости  серый чугун следует подвергнуть  закалке.

При объемной непрерывной закалке чугун нагревают под закалку до температуры на 40-60°С выше интервала превращения (обычно до 850-930°С) с получением структуры аустенит и графит. Затем дают выдержку для прогрева и насыщения аустенита углеродом; выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, напр., 10-15 мин для перлитных чугунов и 1,5-2 ч для ферритных. Отливки охлаждаются в воде (простой конфигурации) или в масле (сложной). После закалки чугун подвергают низкому отпуску для снятия частей внутренних напряжений или высокому отпуску с получением сорбитной структуры.

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок.

Пластины графита  с острыми краями уменьшают живое  сечение металлической матрицы  и, главное, являются внутренними концентраторами напряжений, способствующими зарождению и развитию трещин. Коэффициент концентраций растягивающих напряжений около пластин графита достигает 7,5. Пластины графита сильно снижают прочность и пластичность чугуна при растяжении. Относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом, как правило, не превышает 0,5–1,0 % и стандартом не гарантируется. На прочность при сжатии включения графита влияют значительно слабее, поэтому чугун особенно выгодно использовать для изготовления деталей, работающих на сжатие.

Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита  делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резким переходам между сечениями  отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другим неровностям поверхности отливки.

Количественные  параметры структуры чугуна оценивают  в соответствии с ГОСТ 3443–87. Форму, размер, распределение и объемную долю включений графита, соотношение  феррита и перлита и дисперсность пластинчатого перлита определяют сравнением с эталонными структурами. Микроструктуры чугунов с пластинчатым графитом приведены на рис.1.

Рис. 1. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах. ´  200

Серый чугун  с пластинчатым графитом маркируют  буквами СЧ, за которыми следует  число, обозначающее гарантируемое  временное сопротивление при  растяжении в МПа · 10^–1. ГОСТ 1412–85 включает шесть основных марок серого чугуна — от СЧ 10 до СЧ 35 (табл. 7.1). По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24. Сдаточной характеристикой является только s _в. Приведенный в табл. 1 химический состав не является сдаточной характеристикой, но от него зависят структура чугуна и, соответственно, уровень s _в. Химический состав устанавливает завод-изготовитель отливок для обеспечения необходимого уровня s _в.

Чем выше углеродный эквивалент, тем ниже прочность. У чугуна СЧ 10 С_э = 4,25–4,6, а у чугуна СЧ 35 С_э = 3,3–3,5. Чугун СЧ 10 по структуре эвтектический или слегка заэвтектический, а чугун СЧ 35 — доэвтектический.

Снижение прочности  с увеличением С_э обусловлено большой полнотой графитизации, образованием более крупных включений графита и уменьшением доли перлита (увеличением доли феррита). Чугун СЧ 10 имеет ферритную основу, а чугун СЧ 35 — перлитную.

Поскольку строение чугуна зависит не только от его  химического состава, но и от условий плавки и литья, то эти условия также влияют на механические свойства чугуна. С ускорением охлаждения мельче становятся включения графита, уменьшается его количество, увеличивается доля перлита и уменьшается межпластиночное расстояние в перлите. Все эти факторы приводят к повышению прочности и твердости при заданном химическом составе чугуна.

В реальных фасонных отливках скорости охлаждения зависят  от сечения их стенок. С увеличением  сечения стенок скорость охлаждения уменьшается, что приводит к снижению s _в и НВ. В ГОСТ 1412–85 в качестве справочных данных приведены сведения о влиянии сечения стенки отливки на прочность и твердость чугунов (табл. 2).

Физические  свойства чугунов представлены в  табл. 3.

Таблица 1

Прочность и химический состав (масс. %) чугунов с пластинчатым графитом  
(ГОСТ 1412–85)

Марка чугуна	s в, МПа (кгс/мм2)	Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
					не более
		3,5–3,7	2,2–2,6	0,5–0,8	0,3		0,15
СЧ 15	150 (15)	3,5–3,7	2,0–2,4	0,5–0,8	0,2		0,15
СЧ 20	200 (20)	3,3–3,5	1,4–2,4	0,7–1,0	0,2		0,15
СЧ 25	250 (25)	3,2–3,4	1,4–2,2	0,7–1,0	0,2		0,15
СЧ 30	300 (30)	3,0–3,2	1,3–1,9	0,7–1,0	0,2		0,12 0,12
СЧ 35	350 (35)	2,9–3,0	1,2–1,5	0,7–1,1	0,2

 

 

 

Таблица 2

Ориентировочные данные о временном сопротивлении  при растяжении 
и твердости в стенках отливки различного сечения

Марка   чугуна
	Толщина стенки отливки, мм
	4	8	15	30	50	80	150
СЧ 10
СЧ 15
СЧ 20
СЧ 25
СЧ 30	–
СЧ 35	–

Примечания:

1. Значения s _в и НВ в реальных отливках могут отличаться от приведенных в таблице.
2. Значения s _в и НВ в стенке отливки толщиной 15 мм приближенно соответствуют аналогичным значениям в стандартной заготовке диаметром 30 мм.

Таблица  3

Физические  свойства чугуна с пластинчатым графитом

Марка чугуна	Плотность r , (кг/м3) · 10–3	Линейная усадка e , %	Модуль упругости  при растяжении   Е ·10–2, МПа	Удельная теплоемкость (при температуре от 20 до 200 °С) С,   Дж · (кг · град)–1	Коэффициент линейного  расширения  (при температуре от   20 до 200 °С) a , град–1	Теплопроводность (при 20 °С) l , Вт · (м · град) –1
СЧ 10	6,8	1,0	700–1 100	460	8,0 · 10–6	60
СЧ 15	7,0	1,1	700–1 100	460	9,0 · 10–6	59
СЧ 20	7,1	1,2	850–1 100	480	9,5 · 10–6	54
СЧ 25	7,2	1,2	900–1 100	500	10,0 · 10–6	50
СЧ 30	7,3	1,3	1 200–1 450	525	10,5 · 10–6	46
СЧ 35	7,4	1,3	1 300–1 550	545	11,0 · 10–6	42

 

 

Благодаря включениям графита, чугун отличается высокой  демпфирующей способностью. Решающее значение для уровня демпфирующих свойств  чугуна имеют количество, форма и  распределение графита в чугуне, что иллюстрируется приведенными ниже значениями логарифмического декремента колебаний d · 10 для различных чугунов по сравнению со сталью: 

Наивысший демпфирующей способностью обладают чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 10 и СЧ 15, которые  имеют в своей структуре максимальное количество графита (углеродный эквивалент С_э = 4,25–4,6).

Графит делает стружку ломкой, благодаря чему серый  чугун хорошо обрабатывается резанием. Лучшими литейными свойствами (большой  жидкотекучестью, меньшей усадкой  из-за увеличения удельного объема при образовании графита) обладают чугуны низких марок (СЧ 10, СЧ 15). Но все же наиболее широко в машиностроении используют более прочные чугуны марок СЧ 20–СЧ 35.

Основные области  применения серого чугуна — станкостроение и тяжелое машиностроение (станины  станков, разнообразные корпусные  детали), автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение, санитарно-техническое оборудование (отопительные радиаторы, трубы, ванны) и др.

Отливки из чугуна с пластинчатым графитом, как правило, подвергаются термической обработке.

Для повышения твердости, прочности и износостойкости серый чугун следует подвергнуть закалке.

При объемной непрерывной  закалке чугун нагревают под  закалку до температуры на 40-60°С выше интервала превращения (обычно до 850-930°С) с получением структуры  аустенит и графит. Затем дают выдержку для прогрева и насыщения аустенита углеродом; выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, напр., 10-15 мин для перлитных чугунов и 1,5-2 ч для ферритных. Отливки охлаждаются в воде (простой конфигурации) или в масле (сложной). После закалки чугун подвергают низкому отпуску для снятия частей внутренних напряжений или высокому отпуску с получением сорбитной структуры.

 

 

Заключение

Самым дешевым  материалом для вкладышей является серый антифрикционный чугун. Он может выдерживать значительные удельные давления, но из-за более высокого коэффициента трения чугунные вкладыши не следует применять в быстроходных двигателях.

Применение  чугуна для ответственных деталей  потребовало улучшения качества чугуна, главным образом его структуры. Для получения легированных и модифицированных чугунов появилась необходимость введения в чугун специальных добавок.

Задача получения  наиболее доброкачественной отливки  из серого чугуна с улучшенной структурой сводится к получению совершенно однородного перлитного чугуна во всех частях отливки независимо от толщины стенок. Перлитная структура чугуна может быть получена регулированием химического состава, температуры выпускаемого из печи чугуна и скорости охлаждения его в форме.

Вследствие  низкой пластичности этот чугун не используют для деталей машин, работающих при ударных нагрузках. Однако серый чугун хорошо работает при сжимающих нагрузках, не чувствителен к внешним надрезам, гасит вибрации, имеет антифрикционные свойства, легко обрабатывается резанием.