Методическая разработка урока по дисциплине "Материаловедение" по теме "Виды чугуна"
методическая разработка на тему

Министерство образования Нижегородской области

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

"Заволжский автомоторный техникум»"

Методическая разработка

открытого урока

по дисциплине: «Материаловедение»

тема:         «Виды чугуна»        

           курс: II

Cоставитель:

преподаватель Пронина Н.В.

г. Заволжье

2016 год

Рассмотрено:
на заседании ПЦК
специальных дисциплин

Протокол № ____ от _______

Председатель ПЦК ________

Методическая разработка открытого урока

преподавателя Прониной Н.В.

Дисциплина: «Материаловедение»

Специальность: 15.02.08«Технология машиностроения»

Курс: II

Тема занятия (урока): «Виды чугуна»

Вид занятия: комбинированный урок 

Форма проведения занятия: Изучение нового материала в микрогруппах с использованием элементов технологии «Развитие критического мышления через чтение и письмо».

Мотивация темы и формы проведения занятия: Тема занятия предусмотрена рабочей программой, составленной в соответствии с учебным планом специальности.

Форма проведения занятия способствует повышению мотивации учебной деятельности обучающихся через общение и сотрудничество, через участие в соревновании между группами.

Выбор формы проведения занятия продиктован соображениями экономии времени и необходимостью проверить и оценить умения обучающихся осмысленно работать с разными видами информации, анализировать, систематизировать и представлять ее.

Обучающиеся отличаются друг от друга способностями воспринимать, запоминать и анализировать предложенную информацию, поэтому сочетание нескольких видов учебной деятельности, таких, как самостоятельная командная работа обучающихся, объяснение преподавателем нового материала с использованием ПК, тестирование, позволяет проверить и оценить знания и готовность каждого обучающегося.

Использование слайдов презентации помогает акцентировать внимание обучающихся на конкретном этапе урока и активизирует работу всех участников в команде.

Продолжительность занятия: 90 минут.

Цели занятия:

1. Обучающая: сформировать знания о чугунах, способах его производства, свойствах, применении и маркировке.
2. Воспитательная: сформировать у обучающихся навыки общения при работе в группах, воспитать внимательность, умение слушать и выступать перед аудиторией.
3. Развивающая: развивать познавательные способности обучающихся, умение анализировать, сравнивать, выделять главное, обобщать полученный материал.

Междисциплинарные связи: «Химия», «Физика».

Учебное оснащение занятия: Доска, экран, проектор.

Наглядные пособия: презентация Power Point, видеоролик.

Методическое обеспечение занятия:

- План урока

- Методическая разработка урока

- Приложения:

• Приложение 1  Кроссворд «Ассоциация»;
• Приложение 2  Вопросы для разминки;
• Приложение 3  Рассказ «Чугун и сталь»;
• Приложение 4  Видеоролик о производстве чугуна;
• Приложение 5  Этапы производства чугуна;
• Приложение 6  Сводная таблица «Виды чугуна»
• Приложение 7  Текст для чтения
• Приложение 8  ГОСТ на чугуны
• Приложение 9  Марки чугунов

Критерии диагностики эффективности занятия: оценка за выполнение индивидуального задания и за командную работу по итогам соревнования.

В конце урока обучающийся должен:

иметь представление:

- о способах производства чугуна;

знать:        

- классификацию чугунов;

- свойства чугунов, их применение;        

- маркировку чугунов.

        уметь:

        - расшифровывать марки чугунов.

Используемая литература:

1. Рогов В.А. Современные машиностроительные материалы и заготовки– М.:Академия, 2008

2. Никифоров В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов. – Спб: Политехника, 2000

Хронокарта занятия

Технологическая карта занятия

Приложение 1

Кроссворд "Ассоциация"

1. Чугун

                         Транспортирование леса по реке

2. Металл

               Основной компонент чугуна

3. Неметалл

                                  Нежелательный компонент чугуна

4. Легирующие добавки

 Сплавы железа с кремнием, марганцем

5. Легирующий элемент

                                       Кожа

6. Неметалл в составе чугуна

                   Составная часть горной породы

7. Неметалл

                  Основной компонент чугуна

 
8. Легирующий элемент

                               Выдающаяся личность

9. Легирующий элемент

                                                   Лес

Приложение 2

Вопросы для разминки

1. Жидкотекучесть – это способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять полости литейной формы
2. Кристаллизация – это переход металла из твердого состояния в жидкое состояние
3. Пластичность – способность материала изменять свои формы и размеры
4. Ковкость – способность металлов и сплавов подвергаться различным методам механической обработки и режущим инструментом
5. Усадка - способность металлов и сплавов после застывания сокращаться в размерах
6. Кремний и марганец улучшают жидкотекучесть сплава
7. Чугуны пластичнее, чем сталь
8. В чугуне содержится больше углерода, чем в стали

Приложение 3

Рассказ «Чугун и Сталь.»  Е. Пермяк

Пролилась огневой струей из жаркой печи горячая Сталь. Засверкала золотыми звездами, остыла дорогими слитками и зазналась. Перед серым Чугуном так стала себя выхвалять, что тот чуть не изоржавел со стыда.

— Я, — говорит Сталь, — нержавеющая, нетемнеющая, хитро сваренная! Как алмаз крепка, как змея гибка. Закалюсь — не отколюсь! Пилить, сверлить, резать — все могу, на все пригодна. Хочешь — булатом стану, хочешь — иглой! Мостом лягу. Рельсами побегу. Машиной заработаю. Пружиной совьюсь. А ты что, Чугун? На сковородки, на утюги только и годен. Ну да разве еще на станины второсортные да на шестерни молотильные! Не ковок, не ловок, хрупок, как лед. Не модный металл.

Говорит так Сталь, на весь цех себя славит. И самолетом-то она полетит, и кораблем-то поплывет, и чем только, чем она не станет… Даже перо писчее не забыла. Часовую стрелку и ту не пропустила. Все перебрала. Столько наговорила про себя, что в семи коробах не свезти. Но ничего лишнего не прибавила. Была в ее стальном звоне правда.

Конечно, Чугуну далеко до Стали. Только об одном ей забывать не надо бы: о том, что Чугуну она родной дочерью доводится, что она ему своей жизнью обязана…

Ну, а в остальном все правильно, если, конечно, совесть во внимание не принимать.

Приложение 4

Видеоролик о производстве чугуна

Приложение 5

Этапы производства чугуна

1. Засыпка шихты в доменную печь
2. Агломерация
3. Сгорание угля, образование оксида железа
4. Розлив топлива по изложницам
5. Добыча и транспортировка железной руды

Приложение 6

Сводная таблица « Виды чугуна»

Приложение 7

Текст для чтения

     Серый чугун

Серый чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок. Чугунные отливки по массе составляют около 80 % от общего числа отливок. Широкое распространение серый  чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне по сравнению с другими литейными сплавами.

Серый чугун обладает сравнительно высокими механическими свойствами, относительно низкой температурой плавления и очень хорошими литейными свойствами.

Жидкотекучесть серого чугуна значительно превышает жидкотекучесть стали. Размер усадки колеблется в пределах 0,9…1,3 %, что является существенным фактором, обусловливающим получение качественных отливок – без усадочных раковин, трещин, коробления и других дефектов.

Область применения серого чугуна все больше расширяется вследствие непрерывного повышения его прочностных и технологических характеристик, а также разработки чугунов новых марок со специальными физическими и механическими свойствами.

Серый чугун получают путем первичной кристаллизации при медленном охлаждении. В структуре серого чугуна углерод частично находится в свободном состоянии в виде включений графита. Свойства чугуна зависят от структуры основной металлической массы, а также от количества, формы и расположения графита. Форма включений графита в сером чугуне – пластинчатая, что действует на основную массу металла, как внутренние надрезы.

По этой причине серые чугуны обладают  сравнительно низкой прочностью  и особенно низкой пластичностью, т.к. эта форма включений графита уменьшает касательные напряжения и препятствует  образованию больших пластических деформаций.

Относительное удлинение серого чугуна с пластинчатой формой включений графита невелико (до 1 %). Вместе с тем эти включения придают серому чугуну, как конструкционному материалу, ряд ценных качеств: низкую чувствительность к внешним надрезам и высокую циклическую вязкость. Поэтому отверстия, углы, резкие переходы, раковины, неметаллические включения в очень малой степени понижают реальную конструктивную прочность отливок из серого чугуна.

Недостатком серого чугуна как литейного сплава является отбел поверхности, особенно при литье в металлические формы.

Серые чугуны подразделяют на две группы:

- конструкционные чугуны;

- чугуны со специальными свойствами.

Отливки из конструкционных чугунов  используют для деталей машин (до 80 % всех производимых чугунных отливок).

Определяющим при оценке качества чугуна для отливок этой группы являются его механические свойства. Из простых чугунов изготавливают отливки малой или средней прочности (предел прочности 200…250 МПа), отливки повышенной прочности – из низколегированных и модифицированных чугунов.

Химический состав чугуна для литых деталей устанавливает завод-изготовитель на основании заданной по чертежу марки чугуна. Поэтому во всех случаях, где это не вызвано особой необходимостью по условиям эксплуатации деталей, в чертежах следует указывать только марку чугуна по ГОСТ.

Литые детали, получаемые из серого чугуна, очень разнообразны. По сравнению с другими литейными сплавами серый чугун является наиболее дешевым. К его положительным свойствам относится хорошая обрабатываемость режущим инструментом. Серый чугун отличается хорошими литейными технологическими свойствами.

Маркировка серых чугунов:

 Буквы СЧ –  (обозначают серый чугун)

Цифры – предел прочности на растяжение, кгс/мм2;

Пример СЧ – 18 – Серый чугун, 18 - – предел прочности при растяжении, 18 кгс/мм2;

Серые чугуны применяются в станкостроении (станины,  детали станков, суппорты, бабки, крышки, люки), в двигателестроении, в авто- и тракторостроении (блоки цилиндров, гильзы, головки, распределительные валы, седла клапанов, направляющие втулки, поршневые кольца, толкатели, тормозные барабаны, диски сцепления, картера коробок скоростей и сцепления), в химическом машиностроении, в электромашиностроении, для изготовления санитарно-технических изделий.

      На основе серых чугунов выпускают антифрикционные чугуны (АЧС -1, АЧС -2, АЧС -3, АЧС -4, АЧС -5, АЧС - 6).

Маркировка антифрикционного чугуна  :

 Буквы АЧ–  (обозначают антифрикционный чугун)

Цифры – номер марки по ГОСТу

Пример  АЧС – 2,  антифрикционный  серый чугун, 2 – номер марки по ГОСТу

Высокопрочный чугун

К высокопрочным чугунам относят группу железоуглеродистых сплавов, содержащих более 2 % углерода и имеющих в литой структуре включения свободного углерода в виде зерен или сфероидов.

Получение отливок из высокопрочного чугуна обеспечивают обработкой жидкого чугуна небольшими присадками магния или других элементов.

Высокопрочный чугун с шаровидной формой графита широко используют как конструкционный материал в современном машиностроении. Округлая форма включений графита может привести к образованию в высокопрочных чугунах пластических деформаций, поэтому относительное удлинение у них достигает 10 % и более. По сравнению с серыми чугунами чувствительность к внешним надрезам у высокопрочного чугуна больше, а циклическая вязкость ниже.

Высокопрочный чугун по сравнению с обычным серым чугуном имеет более высокие механические и эксплуатационные свойства. Он обладает большой износостойкостью, в том числе в абразивной среде, гидравлической плотностью, более жаростоек, т.к. почти не изменяет своей прочности при нагреве до 500 0С.

Пластические свойства некоторых марок высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей, работающих при ударных нагрузках, больших скоростях и давлениях.

По литейным свойствам высокопрочные чугуны приближаются к сталям, т.е. имеют пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку и повышенную склонность к образованию дефектов литейного происхождения.

Себестоимость отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом в среднем на 25 % ниже себестоимости отливок из углеродистой стали и в 3-4 раза ниже себестоимости стальных поковок.

Тонна отливок из высокопрочного чугуна на 20 % дороже тонны отливок из серого чугуна, поэтому замена серого чугуна на высокопрочный целесообразна лишь в том случае, если при этом уменьшается масса детали или увеличивается срок ее службы.

Высокопрочные чугуны очень широко используются в автомобильной промышленности (коленчатые и распределительные валы, ступицы, суппорты тормозных систем, шестерни главной передачи, шатуны, тормозные барабаны, поршневые кольца, подвески рессор, блоки цилиндров и другие детали).

Маркировка высокопрочных  чугунов:

Буквы ВЧ –  (обозначают высокопрочный чугун)

Цифры –(1 -  число предел прочности при растяжении, кгс/мм2  , 2 –относительное удлинение, %)

Пример ВЧ – 42 – 12 -  Высокопрочный чугун, 42 -  предел прочности при растяжении, 35кгс/мм2  , 12 - относительное удлинение,10 %)

На основе высокопрочных чугунов выпускают антифрикционные чугуны (АЧВ – 1, АЧВ – 2)

Маркировка антифрикционного чугуна  :

 Буквы АЧ–  (обозначают антифрикционный чугун)

Цифры – номер марки по ГОСТу

Пример  АЧВ – 2,  антифрикционный  высокопрочный чугун, 2 – номер марки по ГОСТу.

Ковкий чугун

Ковкий чугун относят к группе железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода более 2 %.

       Ковкий чугун получают из белого путем термической обработки – отжига, который заключается в длительной выдержке при температуре 9500С и медленном охлаждении. В результате графитные включения примут хлопьевидную форму. Эти включения более компактны, они меньше надрезают металлическую основу, и такой чугун оказывается более прочным. Он уже может работать на растяжение.

Структура ковкого чугуна после термической обработки (отжига) состоит из феррита и перлита в различных соотношениях и углерода отжига. Включения углерода отжига в основной металлической массе имеют компактную округлую форму. При уменьшении количества включений углерода прочность и пластичность ковкого чугуна повышаются.

Чувствительность к внешним надрезам у ковкого чугуна больше, чем у обычного серого чугуна, а циклическая вязкость – ниже. Отношение предела текучести к пределу прочности составляет 60…80 %, что является ценным свойством ковкого чугуна как конструкционного материала.

Ковкий чугун используется для изготовления мелких тонкостенных отливок для сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов, арматуры, фитингов и других деталей массового производства.

Особенно целесообразно применение ковкого чугуна в случае, если деталь трудно отлить из стали, а получить ее обработкой давлением слишком дорого. Благодаря хлопьевидной форме графита ковкий чугун отличается высокой прочностью и пластичностью, занимая промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

По структуре ковкий чугун подразделяют на два вида: ферритный и перлитный.

Марки ферритного ковкого чугуна обладают высокими пластическими свойствами и поэтому их используют для деталей, работающих в условиях динамических или знакопеременных нагрузок, при высоких давлениях газа, пара или воды.

Марки перлитного ковкого чугуна имеют высокую прочность и хорошие антифрикционные свойства, что способствует применению их для деталей, работающих в условиях трения.

В ряде случаев ковкий чугун может являться полноценным заменителем стали.

Из ковкого чугуна производят детали массой до 100 кг. Толщина стенок у отливок из ковкого чугуна с перлитной структурой находится в пределах 3…15 мм, а с ферритной структурой – доходит до 50 мм. Ограничение стенок по толщине объясняется сложностью получения структуры белого чугуна в массивных сечениях отливок, а также увеличением времени на термическую обработку.

В зависимости от масштаба производства стоимость детали  из ковкого чугуна на 30…100 % выше стоимости детали из серого чугуна.

Ковкий чугун обладает более низкими литейными свойствами, чем серый чугун, в частности, пониженной жидкотекучестью, большей усадкой и повышенной склонностью к образованию горячих и холодных трещин.

Название «ковкий чугун» условно и указывает лишь на то, что этот материал по сравнению с серым чугуном является пластичным. В действительности же ковкий чугун никогда ковке не подвергают, из него, так же как из серого чугуна, изготовляют лишь фасонные отливки для машиностроения.

Ковкие чугуны широко используются в сельскохозяйственном машиностроении, в авто- и тракторостроении (задние мосты, ступицы, тормозные колодки, детали рулевого управления, рычаги, втулки), в вагоно- и в судостроении (детали тормозной системы, детали сцепки, подшипники), в станкостроении, текстильном и машиностроении, для изготовления санитарно-технического и строительного оборудования.

Однако ковкий чугун - малоперспективный материал из-за сложной технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

Маркировка ковких  чугунов:

 Буквы КЧ –  (обозначают ковкий чугун)

Цифры –(1 -  число -предел прочности при растяжении, кгс/мм2  , 2 –относительное удлинение, %)

Пример КЧ – 35 – 10 -  Ковкий чугун, 35 -  предел прочности при растяжении, 35кгс/мм2  , 10 - относительное удлинение,10 %)

На основе ковких чугунов выпускают марки антифрикционных чугунов

 (АЧК – 1, АЧК – 2)

Маркировка антифрикционного чугуна  :

Буквы АЧ–  (обозначают антифрикционный чугун)

Цифры – номер марки по ГОСТу

Пример  АЧК – 2,  антифрикционный  ковкий  чугун, 2 – номер марки по ГОСТу.

Белый чугун

Белый чугун получают путем первичной кристаллизации из жидкого сплава при быстром охлаждении. Представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe3C (цементит), который придает чугуну бело-матовый цвет. Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и плохо обрабатывается, поэтому для изготовления деталей он почти не используется.

В белом чугуне преобладающими связанными углеродными структурами являются ледебуриты, перлиты и собственно цементиты. Такое сочетание придает материалу высокую твердость и хрупкость, что затрудняет прямое его применение. Из такого применения можно назвать его использование для изготовления великолепных шаров и цильпебсов (цилиндров) для измельчения рудных материалов, пород, шлаков, других материалов.

Описанный выше состав белого чугуна определяет его высокую твердость, сочетающуюся с хрупкостью, затрудняющими в целом обработку заготовок механическими способами (резание, фрезерование и т.д.) и требующими применения специальных приемов такой обработки (инструменты из марок быстрорежущих сталей).

Промышленностью выпускается специальный, называемый передельным, белый чугун, применение которого специализировано для переплавки в различные стали. Нормирование ГОСТами определяет пониженность содержания в его составе кремниевых добавок и более высокую концентрацию марганцев. Такие заготовки получают литьевыми способами.

В зависимости от степени графитизации при выплавке могут получаться половинчатые, переходные стадии чугунов, эти сплавы принято называть отбеленный чугун. Такой сплав содержит наряду с карбидами железа (химически связанный углерод – Fe3C) графитовый углерод (свободный углерод – C).

Этот чугун используется в качестве фрикционных деталей механизмов сухого трения, таких как всем известные тормозные колодки. Наряду с тем, таким сплавам также свойственна высокая износоустойчивость, поэтому из них выполняют валы и валки на прокатном оборудовании широкого назначения.

Дополнительное легирование белого чугуна хромом и никелем позволяет получать жаростойкие материалы, обладающие фантастически высокой устойчивостью к износу. Их так и называют: износостойкими. Такой легированный белохромистый чугун применяется для отливки деталей (например, лопаток и лопастей различных перекачивающих машин и турбин).

После литья полученные заготовки путем термообработки нормализуют. Получаемые изделия отличаются очень высокой твердостью поверхности, удивительной устойчивостью к действию кислот (даже при температурах в одну тысячу градусов Цельсия).

Кроме легирования хромом и никелем, в износостойких чугунах специальными добавками (в меньшем количестве) могут быть медь, титан, молибден, ванадий. Такие добавки придают ожидаемую износостойкость. Внесение таких элементов в структуру позволяет несколько менять эти свойства в зависимости от назначения, для применения в механизмах с повышенной абразивностью (мельницы, пескометы или дробометы, детали и арматура для обычных и цементных печей).

При этом маркировка белого чугуна может вестись от передельного (П1,П2), передельный чугун для отливок (ПЛ1,ПЛ2), передельный фосфористый (ПФ1, ПФ2, ПФ3) или передельный высококачественный чугун (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Как видно, белый доэвтектический чугун служит исходным материалом для многих видов продукции металлургии. Так, путем отжига из него получают ковкие чугуны. Опять же получение многочисленных легированных износоустойчивых и жаростойких материалов также ведется благодаря его свойствам и близости микроструктуры легирующим добавкам.

Приложение 8

ГОСТ на чугуны

Приложение 9

Марки чугунов

1. КЧ30-6, СЧ15, ВЧ50-2

2. КЧ33-8, СЧ10, ВЧ80-3

3. КЧ45-7, СЧ20, ВЧ60-2

4. КЧ37-12, СЧ30, ВЧ100-4