Высокопрочный чугун

Изучение микроструктур Чугунов

По химическому составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода и постоянных примесей.

Чугунами называется железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %.

Свойства чугуна определяются его структурой. По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в частности, более низкими температурами плавления, и имеют меньшую осадку, характеризуются малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаются ковке) Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики. Структура и основные свойства чугунов зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки ирежима термической обработки. В зависимости от скорости охлаждения, добавочного легирования и последующей термообработки различают следующие типы чугунов: белые, серые, высокопрочные, ковкие и половинчатые.

Белый чугун

Своё название белый чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет, что обусловлено присутствием в структуре большого количества цементита.

Белым чугуном называют чугун, у которого весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита – Fe₃C.

Получают его при быстром охлаждении. Структура белых чугунов определяется метастабильной диаграммой Fe – Fe₃C (рис. 1). В их структуре при комнатной температуре присутствует эвтектика – ледебурит, которая позволяет микроскопически отличать белые чугуны от углеродистых сталей.

Ледебурит – эвтектическая смесь, образующаяся при температуре 1147 °С из жидкости, содержащей 4.3 %С. В интервале от 1147 до 727 °С ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температуре ниже 727 °С из перлита и цементита.

В соответствии с диаграммой Fe – Fe₃C белые чугуны делятся на доэвтектические, содержащие углерода от 2,14 до 4,3 % С;эвтектические, с содержанием углерода 4,3 %;заэвтектические, содержание углерода в которых от 4,3 до 6,67 %.

Микроструктура белого доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (рис. 2, а).

Эвтектический белый чугун состоит из одного ледебурита (рис. 2, б).

Заэвтектический белый чугун имеет структуру, состоящую из ледебурита и цементита первичного (рис. 2, в).

Белые чугуны характеризуются высокой хрупкостью, твердостью (практически не поддаются обработке режущим инструментом) и имеют ограниченное применение как конструкционные материалы. Они обычно идут на передел в сталь либо используются для получения ковкого чугуна. В машиностроении белый чугун главным образом применяется для отливки валков прокатных станов, мукомольных валков, которые должны быть твердыми и износостойкими.

В зависимости от назначения передельный чугун выплавляют различных марок: П1 и П2 – для сталеплавильного производства; ПЛ1 и ПЛ2 – для литья отливок. Исходя из содержания примесей, различают передельный фосфористый чугун ПФ1, ПФ2 и ПФЗ и высококачественный – ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ. Цифра в марке передельного чугуна дана для условной нумерации; химический состав приведен в ГОСТ 805 – 80; передельный чугун поставляют в чушках.

Серый чугун

Серые чугуны получили такое название по виду излома, который имеет серый цвет.

Отличительным признаком этих чугунов является присутствие в структуре свободного углерода в виде графита (рис. 3, а). Выделению углерода способствуют такие элементы, как кремний, никель, алюминий. Необходимо знать, что получают серые чугуны путем медленного охлаждения при кристаллизации по стабильной диаграмме (пунктирные линии, рис. 1). Графит, образующийся из жидкой фазы, растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков (рис. 3, б). В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой различные сечения графитных лепестков.

Чугун, в структуре которого отсутствует эвтектический цементит, а включения гранита имеют форму пластинок, называется серым.

Некоторое увеличение скорости охлаждения или наличие элементов (марганца, хрома), тормозящих графитизацию, способствует образовании перлитного цементита. В зависимости от количества образовавшегося перлита может быть подучен феррито-перлитный чугун (рис. 5, б) или перлитный (рис. 5, в).

Графитные включения в сером чугуне можно рассматривать как трещины, поры, нарушающие целостность металлической матрицы. Чем больше графита в структуре чугуна, тем ниже его качество. Серый чугун отличается низкой пластичностью. Относительное удлинение образцов из серого чугуна на ферритной основе при растяжении составит 0,3 ¸ 0,8 %,перлитного – 0,2 ¸ 0,4 %.

При сжатии чугун претерпевает значительные деформации, и разрушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая нагрузка при сжатии, в зависимости от качества чугуна и его структуры, в 3 – 5 раз больше, чем при растяжении. Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным к всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т. д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхностью, и сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой.

Маркируются серые чугуны буквами СЧ и цифрами (ГОСТ 1412 – 85), характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение: СЧ 30 (где 30 обозначает s_в = 300 МПа).

Примерный химический состав серых чугунов: 2,9 ¸ 3,6 % С; 1,1 ¸ 3,5 % Si; 0,6 ¸ 1,2 % Mn; £ 0,3 ¸ 0,6 % P; £ 0,15 % S.

Свойства и области применения серых чугунов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Свойства и применение серых чугунов

Высокопрочный чугун

Чугун, в котором графит имеет шаровидную форму, называется высокопрочным. Этот чугун превосходит по механическим свойствам серый, т.к.шаровидные включения графита в значительно меньшей степени ослабляют металлическую основу сплава, чем пластинчатые включения.

Высокопрочный чугун получают путем добавления в расплав небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов (магния, церия), способствующих образованию графита шаровидной формы. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д.

Высокопрочные чугуны, так же, как и серые, получают наферритной (рис. 6, а), феррито-перлитной (рис. 6, б), перлитной (рис. 6, в) основах.

Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях народного хозяйства: в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании, например, для шабот-молотов, траверс прессов, прокатных валков; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей и т. д.

Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой (ГОСТ 7293 – 85), характеризующей величину временного сопротивления, например: ВЧ 35 (s_в » 350 МПа).

Примерный химический состав высокопрочных чугунов: 2,7 ¸ 3,6 % С; 1,6 ¸ 2,7 % Si; 0,5 ¸ 0,6 % Mn; £ 0,10 % P; £ 0,10 % S; 0,03 ¸ 0,07 % Mg.

Чугуны ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100, ВЧ 120 имеют перлитную металлическую основу, чугуны ВЧ 45 – перлитно-ферритную и ВЧ 38, ВЧ 42 – ферритную.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. Такая термическая обработка называется графитизирующим отжигом, или томлением (рис. 7). Она состоит из медленного нагрева до температуры 900 ¸ 1050 °С, длительной выдержки в окислительной атмосфере печи и медленного охлаждения. Продолжительность термической обработки составляет около 70 – 80 часов.

При воздействии температуры и времени цементит в отливке белого чугуна распадается на графит (хлопьевидной формы) и аустенит. Чугун, в котором графит имеет хлопьевидную форму, называется ковким. Образование хлопьевидного графита в ковком чугуне приводит к улучшению механических свойств (повышается прочность на растяжение, увеличивается пластичность и ударная вязкость). Обратите внимание, что в зависимости от скорости охлаждения после графитизирующего отжига ковкий чугун может быть ферритный (рис. 8, а), феррито-перлитный (рис.8, б) и перлитный (рис. 8, в).

Ковкий чугун маркируют КЧ и цифрами (ГОСТ 1215 – 59). Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении и вторые – относительное удлинение, например, КЧ 35-10 (s_в » 350 МПа, d » 10 %).

Примерный химический состав белого чугуна отжигаемого на ковкий чугун: 2,5 ¸ 3,0 % С; 0,7 ¸ 1,5 % Si; 0,3 ¸ 1,0 % Mn; £ 0,18 % P; £ 0,12 % S.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Например, ферритные ковкие чугуны КЧ 37-12 и КЧ 35-10 используют для изготовления деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и т.д.), а КЧ 30-6 и КЧ 33-8 – для изготовления менее ответственных деталей (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфты и т. д.). Перлитные ковкие чугуны КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3 и КЧ 63-2 обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Из перлитного ковкого чугуна изготовляют вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т. д. Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения.

Половинчатый чугун

Изучая структуры чугунов, необходимо обратить внимание на то, что в больших отливках можно получить различную структуру по сечению. На поверхности отливки, где скорость охлаждения велика, можно получить структуру, соответствующую белым чугунам, а в середине – серым или высокопрочным. Переходный слой между белыми и серыми чугунами может иметь в структуре ледебурит, характерный для белого чугуна, и графит, характерный для серых чугунов. Такой чугун со структурой ледебурита и графита называется половинчатым (рис. 9).

Отбел на некоторую глубину (12 ¸ 30 мм) является следствием быстрого охлаждения: поверхности, возникающего в результате отливки чугуна в металлические формы (кокиль) или в песчаную форму.

Высокая твердость поверхности (НВ 400 ¸ 500) обусловливает хорошую сопротивляемость против износа, особенно абразивного, поэтому из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и т. д. В этом случае применяют чугун с пониженным содержанием кремния, который склонен к отбеливанию. Его примерный состав: 2,8 ¸ 3,6 % С; 0,5 ¸ 0,8 % Si; 0,4 ¸ 0,6 % Мn.

Вследствие различной скорости охлаждения по сечению и получения разных структур отливка имеет большие внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Для снятия напряжений отливки подвергают термической обработке, т. е. их нагревают при 500 ¸ 550°С.