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

Федеральное агентство  по образованию

Кузбасская  государственная педагогическая академия

Кафедра МОПиМПОТД

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

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

 

 

 

 

                                                          

 

                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Новокузнецк, 2010

Содержание

Введение

 

Первые сведения о чугуне относятся к 6 веку до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали чугун, содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4-5 веков до нашей эры. Производство чугуна в Западной Европе началось в 14 веке с появлением первых доменных печей для выплавки чугуна из руд. Полученный чугун использовали или для передела в сталь в кричном горне, или для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производство чугуна началось в 16 веке; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла все страны, но через столетие вновь отстала от западно-европейских стран. Появление во второй половине 18 века вагранок позволило литейным цехам отделиться от доменных, т. е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства . В начале 19 века возникает производство ковкого чугуна. Во второй четверти 20 века начинают применять легирование чугуна, что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный чугун (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.).

Чугун как материал для производства художественных отливок  использовался ещё средневековыми мастерами. Например, в 10 веке нашей эры в Китае из чугуна было отлито уникальное изваяние льва весом более 100 тонн. С конца 15 века в Германии, а затем и в других странах Европы художественное литьё из чугуна получило особенно широкое распространение -парковая скульптура, надгробия, решётки, ограды, садовая мебель и пр. В России художественное литье появилось в конце 17 века, и, в первую очередь, благодаря мастерам Каслинского завода.

Во второй половине 19- начале 20 веков более массивное, чем бронзовое, но и более дешёвое чугунное литьё со свойственной ему выразительностью тяжёлой массы материала и глухого тона применяется почти так же широко, как и бронзовое. С конца 18 века чугунное литье находит самое широкое разнообразное применение в архитектуре. Особенно характерно использование чугунных конструкций для зодчества 19 века, справедливо называемым «веком Чугуна».

Глава I. Чугуны

1.1 Общие сведения о чугуне

Чугун — сплав Fe (основа) с С (обычно 2...4 %), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, Р), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V. Аl и др.); как правило, хрупок.

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или одновременно в виде цементита и графита. Образование  стабильной фазы - графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита (при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению РезС —> Fe + ЗС с образованием феррита и графита). Процесс образования в чугуне (стали) графита называют графитизацией.

Графит повышает износостойкость и антифрикционные  свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения  прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей).

Присутствие эвтектики  в структуре чугунов обусловливает  его использование исключительно в качестве литейного сплава. Высокие литейные свойства при небольшой стоимости обеспечили широкое применение чугунов в промышленности.

Механические  свойства чугуна обусловлены, главным  образом, количеством и структурными особенностями графитной составляющей. Влияние графитных включений на механические свойства чугуна можно оценить количественно (ГОСТ 3443—87). Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень их изолированности, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Наиболее высокую прочность обеспечивает шаровидная форма графитной составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства. Чугун с пластинчатым графитом можно рассматривать как сталь, в который графит играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу.

Применяемые для  отливок чугуны имеют в среднем  состав: С — 2...40o,Si—1.5...40o,Mn—0,6...1.250o,P—0,l...l,20o,S<0,060o.

Углерод определяет количество графита в чугуне: чем  выше его содержание, тем больше образуется графита и тем ниже механические свойства. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) должно быть не меньше 2,4 % С.

Кремний оказывает  большое влияние на структуру  и свойства чугунов, так как величина температурного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от его содержания. Чем больше содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур. Таким образом, кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния, а с другой — скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна.

Сера и марганец являются вредными технологическими примесями, содержание которых в чугунах ограничивают. Сера ухудшает механические и литейные свойства. И сера, и марганец препятствуют графитизации.

Фосфор не влияет на графитизацию, а при повышенном (до 0,4...0,5 °) содержании повышает износостойкость чугунов, так как образуются твердые включения фосфоидной эвтектики.

Самым распространенным видом термообработки чугунов является отжиг отливок при 430...600 °С для  уменьшения литейных напряжений, которые  могут вызвать даже коробление фасонных изделий. Нормализация чугуна проводится для аустенизации ферритной и ферритно-перлитной матриц и последующего перлитного превращения, что обеспечивает упрочнение. Закалку чугуна на мартенсит с нагревом до 850...930 °С и охлаждением в воде и масле применяют для повышения прочности и износостойкости.

После закалки  проводят низкий отпуск (200 °С) для уменьшения закалочных напряжений или высокий  отпуск (600...700 °C для получения микроструктур  сорбита или зернистого перлита, обеспечивающих повышенную вязкость.

Классификацию чугунов проводят по виду и форме углеродосодержащей структурной составляющей, то есть по наличию и форме графита.

По виду структурной  составляющей выделяют чугуны без графита  — белые чугуны, в которых практически  весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Промежуточное положение занимает половинчатый чугун, большая (« 0,8 %) часть углерода которого находится в РезС. Структура половинчатого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

Чугуны с  графитом в зависимости от формы последнего разделяют на серые, ковкие и высокопрочные. Серыми называют чугуны, в структуре которых графит имеет пластинчатую форму. В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму, в высокопрочных чугунах -шаровидную. К числу высокопрочных относят также чугуны с графитом вермикулярной (греч. — червячок) формы, которые по свойствам (ГОСТ 28394—89) занимают промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом.

1.2 Состав и свойства чугуна

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14%, В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости  от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах  весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe3C - цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения.

В зависимости  от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5- 10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.

Чугун получил  широкое распространение как  конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом  преимуществ перед Другими материалами, среди которых в первую очередь надлежит Упомянуть следующие: невысокая стоимость, хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь чувствительностью к концентраторам напряжений. Наряду с перечисленными преимуществами изделия из серого литейного чугуна хорошо обрабатываются режущим инструментом. Последнее вместе с хорошими литейными свойствами позволяет оценить чугун как весьма технологичный материал.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение  углерода в структурно-свободном  виде), так как от него зависит  не только количество, форма и распределение  графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной (П -f- Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П Ч- Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун(в порядке силы действия: С, Si, Ni, Co, Cu ), способствуют графитизации, другие - препятствуют(S, V, Cr, Sn, Mo, Mn). Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, наименьшее - кобальт и медь.

Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых  литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

1.3 Ковкий чугун

Ковким или  адусированным чугуном называется железный продукт, получаемый прямо из чугуна, посредством продолжительного нагревания его при высокой температуре каления в присутствии какого-нибудь окисляющего вещества, называемого цементом. Разные мелкие предметы сперва отливаются из чистого белого чугуна, а потом прокаливаются в горшках вместе с окисляющим веществом и металл, бывший до этой обработки твердым, хрупким и легкоплавким, приобретает все свойства железа — делается мягким, трудноплавким, способным к обработке и получает известную степень ковкости. Про этот способ первый раз упоминается в литературе Реомюром в 1722 г., откуда видно, что ковкий чугун был уже в употреблении в XV, XVI и XVII столетиях; потом как-то прекращается и, наконец, в конце XVIII и в начале XIX столетия опять появляется под названием литой стали. В Германии он был введен в 1829 г., во Франции — в 1836 г., в Бельгии — в 1838 г. С тех пор этот способ начинает все больше и больше развиваться и, благодаря различным улучшениям и усовершенствованиям, ковкий чугун нашел теперь большое применение в технике. В особенности большую услугу приносит ковкий чугун в производстве мелких, сложных фигурных изделий, для приготовления которых из стали или железа пришлось бы подвергать их очень трудной и продолжительной обработке. В настоящее время из ковкий чугуна изготовляют не только мелкие вещи, как, например разные оковки, ключи, замки, крючки, шпоры, подвески, но также и разные части ружейных стволов, швейных машин, колеса, шкивы и проч. Материалом для приготовления ковкий чугуна служит белый чугун, не заключающий в себе графита. Кроме того, он не должен содержать много марганца, кремния, фосфора и серы. Марганец сильно задерживает обезуглероживание; фосфор уменьшает прочность и способность выделения графита; кремний придает хрупкость и тоже замедляет обезуглероживание. Чугун для отливки предметов не употребляется прямо из домны, но чаще всего переплавляется в тиглях или, в редких случаях, в вагранках. Тигли делаются из огнеупорной глины или из графита, вместимостью от 15 до 30 кг, редко 50 кг. Для расплавления чугуна употребляется самодувный горн, в котором на решетке помещается один или два тигля. Часто таких печей ставится несколько, кругом дымовой трубы, наподобие горнов, употребляемых для переплавки стали. Формы приготовляются из сырого песка. Обыкновенная формовочная земля пригодна для этой цели. Модели могут быть деревянные, но чаще всего употребляются металлические. После заливки, дают время для охлаждения, а потом разгружают формы и очищают предметы от приставшего песка.

Цементным веществом  служит чистая железная руда, чаще всего  красный железняк или шпатовая руда в порошкообразном состоянии, а  иногда с примесью окалины или  молотобойны. Процесс адусирования ведется в чугунных сосудах вроде  ящиков или тиглей. Эти ящики наполняются попеременными слоями чугуна и порошкообразного цемента, закрываются герметически крышкой и помещаются в печь для медленного нагревания. Сначала печь медленно подогревается до светло-красного каления (около 1000°), на что потребуется от 20 до 30 часов; при этой температуре поддерживают печь от 60 до 80 часов и затем медленно охлаждают в продолжение 30 часов. Печи, в которых совершается адусирование, бывают различной формы, в зависимости от горючего материала и от количества помещаемых зараз горшков. Фигура представляет одну из обыкновенных печей, нагреваемую пламенем.

1.4 Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун — чугун, имеющий графитные  включения сфероидальной формы.

Графит сфероидальной  формы имеет меньшее отношение  его поверхности к объему, что  определяет наибольшую сплошность металлической основы, а, следовательно, и прочность чугуна. Структура металлической основы чугунов с шаровидным (сфероидальным) графитом такая же, как и в обычном сером чугуне, то есть, в зависимости от химического состава чугуна, скорости охлаждения (толщины стенки отливки) могут быть получены чугуны со следующей структурой: феррит + шаровидный графит (ферритный высокопрочный чугун), феррит + перлит + шаровидный графит (феррито-перлитный высокопрочный чугун), перлит + шаровидный графит (перлитный высокопрочный чугун).

Наиболее часто  применяется для изготовления изделий  ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных  труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы  из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами.

Высокопрочный чугун, обладая высокими технологическими и служебными свойствами, а также  экономичностью, вытеснил за последние  четыре десятилетия значительный тоннаж отливок из стали, ковкого и серого чугунов, стальных паковок и сварных конструкций.

В обывательском  понимании чугун это нечто  хрупкое и не прочное. И это  справедливо можно отнести только к изделиям из серого чугуна. Высокопрочный  чугун по эксплуатационным параметрам не уступает стали, а практически по всем технологическим значительно превосходит литую сталь. Основное отличие серого чугуна от высокопрочного чугуна в форме графита. Если в первом в процессе кристаллизации он формируется в виде пластин и фактически надрезов в металлической основе, то в ВЧ графит по средствам специальных модифицирующих воздействий формируется в виде изолированных шаровидных включений. Т.е. в процессе эксплуатации изделия из ВЧ работает непосредственно металлическая матрица и отрицательного воздействия графитовых включений (или фактически "пустот") нет.