И толщины стенки на микроструктуру чугуна

отливки увеличивается содержание в чугуне графита (Fe3C à3Fe + C). Поэтому отливки со стенками разной толщины и с различной скоростью охлаждения при одном и том же химическом составе имеют разную микроструктуру, а следовательно, и механическую прочность. В зонах отливки, где металл охлаждается с большей скоростью, например, около поверхности, образуется более мелкое зерно и выделяется более мелкий графит, а следовательно, они имеют более высокие механические свойства, а в средней зоне, охлаждаемой с меньшей скоростью, образуется

более крупное зерно.

Совместное влияние углерода, кремния и скорости охлаждения на структуру чугуна видно из диаграммы показанной на рис.1. На диаграмме по оси ординат дано содержание в чугуне суммы углерода и кремния, а на оси абсцисс толщина стенок отливки, характеризующая скорость охлаждения.

Диаграмма сплошными линиями делится на пять зон:

I - белый чугун; II - половинчатый чугун; III - серый чугун со структурой перлит + графит; IV – серый со структурой перлит + феррит + графит; V – серый со структурой феррит + графит.

Эта диаграмма имеет большое практическое применение. Она показывает, что в отливках со стенками разной толщины, например в клинообразной отливке, образуются различные микроструктуры чугуна (в тонкой части может образоваться белый чугун, а в толстостенной части – ферритный чугун), а следовательно, отливка характеризуется различными механическими свойствами.

На механические свойства чугуна также оказывает влияние строение графита. Минимальную прочность имеет чугун с пластинчатым строением графита, максимальную – с шаровидным. Для повышения качества отливку иногда подвергают термической обработке: отжигу для удаления отбеленного слоя (структуры белого чугуна), отпуску для снятия внутренних напряжений. Повышение прочности серого чугуна возможно легированием и модифицированием.

Легированный чугун получают присадкой никеля, хрома, а в отдельных случаях титана или меди и других металлов, что обеспечивает более мелкое строение основной массы отливки и улучшает строение графита. Из этого чугуна изготовляют детали, работающие в условиях значительного износа и больших механических нагрузок.

Модифицирование обеспечивает более мелкую и завихренную форму графита и более однородное микростроение в сечении отливки, а следовательно, повышает прочность чугуна. Модифицирование заключается в присадке в жидкий чугун различных добавок: ферросилиция, силикокальция и др. в количестве 0,1 – 0,3 % от массы чугуна непосредственно во время заполнения им ковша. Модификаторы раскисляют чугун и создают дополнительные центры кристаллизации и графитизации.

Для получения модифицированного чугуна подбирают такой химический состав шихты, который при обычных условиях затвердевает с половинчатой структурой. После модифицирования этот чугун имеет структуру перлита.

Высокопрочный чугун имеет ферритную или перлитную структуру и шаровидное строение графита. Из него изготовляют отливки со стенками большой толщины и высокой прочности (коленчатые валы, зубчатые колеса, детали турбин и др.). Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкого чугуна магнием. Одновременно с ним или несколько позже в чугун вводят ферросилиций. В результате модифицирования в чугуне образуется графит шаровидной формы, что повышает его прочность.

В отличие от обычного серого чугуна этот чугун обладает повышенной пластичностью.

Чугун со специальными свойствами применяют в машиностроении в тех случаях, когда отливка (кроме прочности) должна обладать или износостойкостью, или термостойкостью, или химической стойкостью.

Магнитный чугун применяют для различных корпусов электрических машин, щитов, рам, и др. Наилучшими характеристиками обладает ферритный чугун с шаровидным графитом и др.

Из немагнитного чугуна изготовляют кожухи и бандажи электромашин. К таким чугунам относится никелемарганцовистый чугун, содержащий 7 – 10 % Mn и 7 – 9 % Ni; марганцово-медистый чугун, содержащий 9,8 % Mn, 1,2 – 2,0 % Cu и др.

К чугунам с большим электросопротивлением относится сплав, содержащий 4 % Si, до 3 % Ni и др.

В химическом машиностроении широко применяют высококремнистый чугун с 14 – 16 % Si, имеющий высокую стойкость в среде серной кислоты. Еще большей стойкостью обладает кремнемолибденовый чугун, содержащий 14,5 – 16 % Si, 3,4 – 4 % Mo и др.

Аустенитный чугун обладает высокой кислотостойкостью и жаропрочностью. К этим чугунам относится нирезит, содержащий 14 % Ni, 2 % Cr, 7 % Cu, и никроситал с 5 % Si, 18 % Ni, 2 % Cr и др.

К жаростойким чугунам относится чугун, содержащий 20 – 25 % Al и др.

Ковкий чугун. Ковким называется чугун, который получают путем длительного отжига отливок из белого чугуна. При отжиге чугуна цемент разлагается, образуя железо и углерод отжига (графит), имеющий компактную хлопьевидную форму. При такой форме графита чугун обладает повышенной прочностью, некоторой пластичностью и сопротивлением ударным нагрузкам.

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, также как и из серого чугуна, изготовляют лишь фасонные отливки для машиностроения. Для этого выплавляют чугун такого химического состава, чтобы при затвердевании в форме он получался белым (с перлитно – цементной структурой). Из белого чугуна обычным способом изготовляют отливки, которые затем отжигают с целью разложения цементита и получения графита отжига в конечной структуре.

Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. По сравнению с углеродистой сталью характеризуется повышенной жидкотекучестью, демпфирующей способностью и большей износостойкостью. Он имеет достаточно высокие антикоррозионные свойства и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.

Толщина стенок отливки не должна превышать 40 –50 мм, при большей толщине в процессе отжига образуется пластинчатый графит.

В зависимости от способа производства ковкого чугуна его подразделяют на две группы: ферритный и перлитный.

Из ферритного чугуна изготовляют детали для автомобилей и сельскохозяйственных машин, работающих при высокой динамической и статической нагрузках (задние мосты автомашины, крючки и др.).

Прочность перлитного ковкого чугуна выше прочности ферритного чугуна , но первый менее пластичен.

Отливки из белого чугуна после очистки и браковки загружают в специальные чугунные ящики для отжига (150 – 300 кг. отливок). Ящики, закрытые крышками после заделки щелей глиной, устанавливают в печь для отжига.

Отжиг для получения ферритного и перлитного ковкого чугуна выполняют по различному режиму. Для получения ферритного чугуна отжигают по режиму приведенному на рис.2,а . Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая стадия заключается в медленном нагреве до 950 – 980 ⁰С (зона I) и в продолжительной выдержке при этой температуре (зона II). Во время нагрева и выдержки цементит белого чугуна распадается, выделяя углерод отжига.

После разложения цементита температуру печи понижают до 730 ⁰С (зона III); при этой температуре аустенит превращается в перлит. Вторая стадия графитизации заключается в выдержке отливок при температуре порядка 730 – 710 ⁰С (зона IV). Во время выдержки при этой температуре цементит, входящий в состав перлита, разлагается, образуя феррит и углерод отжига. Зона V – зона охлаждения отливок.

Для получения перлитного чугуна отжигают по режиму, приведенному на рис. 2,б. Как видно из графика, отсутствует вторая стадия графитизации. Время отжига составляет 17 – 80 ч. Ковкий перлитный чугун имеет высокую прочность и износостойкость. Из него изготовляют вилки карданных валов, звенья цепей конвейера, муфты и др.

Для отжига применяют непрерывные отжигательные печи, в которых задают необходимые температурные зоны.

Рис.2. Режимы отжига белого чугуна на ковкий:

а) – на ферритный ковкий; б) – на перлитный ковкий

Литейные стали

Сталью считают сплав железа с углеродом (до 2%). Детали сложной конфигурации, к которым предъявляют повышенные требования по прочности, ударной вязкости или другим свойствам, обычно изготовляют из стали. В машиностроении применяют три группы литейных сталей: конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами.

Из конструкционных сталей изготовляют детали, несущие главным образом механические нагрузки (статические, динамические, вибрационные и др.) По химическому составу их подразделяют на углеродистые (низко - и среднеуглеродистые) и легированные, а по структуре на ферритно – перлитного и перлитного классов.

Из инструментальных сталей изготовляют литой инструмент (режущий, мерительный, штамповочный и т. п.). По химическому составу их подразделяют на средне - , высокоуглеродистые и легированные стали перлитного, мартенситного и карбидного классов.

Из сталей со специальными свойствами (коррозионно-стойкие, жаропрочные, кислотоупорные, износостойкие) выполняют литые изделия, подвергающиеся воздействию различных сред, высоких температур и нагрузок; их относят в основном к ферритному и аустенитному классам.

Марки углеродистых сталей обозначают числом и буквой Л (15Л, 25Л, 30Л, 35Л, 45Л, 50Л, 55Л). Буква Л означает, что сталь литейная, а число указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента.

С увеличением количества углерода в стали, повышается ее прочность, предел текучести и твердость, но уменьшается относительное удлинение.

Микроструктура углеродистых сталей зависит от содержания углерода.

Для изготовления отливок применяют низколегированные (до 6 % легирующих добавок), среднелегированные (5 – 10 % легирующих добавок) и высоколегированные (свыше 10 % легирующих добавок) стали.

Стали, особенно легированные, обладают плохими литейными свойствами.

3.6.Сплавы цветных металлов, применяемые для отливок. Литейные свойства сплавов

1. Литейные медные сплавы

Эти сплавы применяют для отливок, которые должны обладать износостойкостью, стойкостью в атмосфере, кислотах и щелочах, в пресной и морской водах при высоких механических свойствах.

Из сплавов меди наиболее широко применяют бронзу(сплавы меди с другими металлами и металлоидами, но с небольшим количеством цинка или без него) и латунь (сплав меди с большим количеством цинка и другими металлами). Маркировка: Бр.С30 (Pb = 30%); Бр.02Ф10 (Sn = 2%; P= 10%).

Бронзы, применяемые в литейном производстве, подразделяют на две группы: оловянные и безоловянные машиностроительные.

Латуни применяют для изготовления арматуры, деталей приборов в судостроение, червячных винтов, работающих в тяжелых коррозионных условиях, и т.д. Маркировка: ЛЦ40Мц3А1 (Л- латунь, Zn=40%; Mn=3%; Al= 1%).