по микроструктуре чугуна можно классифицировать на

Классификация чугунов по микроструктуре металлической основы

Перлитный чугун – металлическая основа перлит (П);

ферритный чугун – металлическая основа феррит (Ф);

феррито-перлитный чугун – металлическая основа феррит (Ф)+перлит (П).

Классификация серых машиностроительных чугунов по форме графита

Обычный серый чугун

В структуре обычных серых чугунов присутствует графит пластинчатой формы. Отливки из этого чугуна получают в земляных или металлических формах – кокилях. С увеличением толщины отливки и, следовательно, с замедлением охлаждения и при повышенном содержании кремния образуется больше графита и его пластинки крупнее, а в металлической основе возрастает количество феррита. У отливок меньших размеров и при несколько пониженном содержании кремния количество графита уменьшается, а металлическая основа становится ферритно-перлитной и перлитной, что повышает прочность.

Из-за сравнительной простоты получения отливок серые чугуны были самым распространенным видом чугуна. Однако их механические свойства (особенно пластичность) ниже, чем у других чугунов с графитом. Серые чугуны используют для изделий менее ответственного назначения и при отсутствии ударных нагрузок. Применение этих чугунов приведено в таблице 1.

Ковкий чугун

Он имеет в структуре графит хлопьевидной формы и в связи с этим более высокие механические свойства, прежде всего пластичность. Однако процесс получения ковких чугунов сложнее. Чугуны с более высокими свойствами выплавляют в электрических печах, что позволяет уменьшить в них содержание углерода и полнее удалить серу и фосфор. Все ковкие чугуны содержат меньше кремния.

В отливке они должны получить структуру белого доэвтектического чугуна. Отливки должны быть сравнительно небольшими, чтобы задержать графитизацию при сравнительно ускоренном охлаждении.

Последующая графитизация отливок для получения окончательной структуры с хлопьевидным графитом и повышенных механических свойств происходит при термической обработке – графитизирующем отжиге с нагревом отливки со структурой белого чугуна до 950…980 0 С и медленном охлаждении в течение 100…120 ч. Ковкие чугуны более целесообразно использовать для тонкостенных деталей. Применение этих чугунов приведено в таблице 1.

Высокопрочный чугун

Он имеет графит шаровидной формы, что в меньшей степени нарушает сплошность металлической основы (особенно по сравнению с графитом пластинчатой формы). Прочностные свойства этих чугунов наиболее высокие; они не уступают в прочности углеродистым конструкционным сталям, подвергаемым термической обработке, но пластичность высокопрочных чугунов ниже, чем у стали и у ковкого чугуна.

Высокопрочные чугуны получают модифицированием магнием (или церием) в ковше жидкого чугуна, выплавляемого в вагранке с охлаждением, как и серых чугунов, в земляных и металлических формах. Применение высокопрочных чугунов приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Области применения чугунов

ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ

3.1. Микроскопы марок МИМ-7 (х 100 и 250).

3.2. Микрошлифы белого, серого, ковкого и высокопрочного чугунов.

3.3.Наглядные пособия: «Морфология графитовых включений «Микроструктуры различных видов чугунов», «Атласы микроструктур сплавов» №7.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Изучить настоящее методическое указание.

4.2. Изучить структуры микрошлифов белого, серого, ковкого и высокопрочного чугунов (в 5-6 полях зрения микроскопа по ширине и длине площади шлифа) и сравнить со структурами, приведенными в атласе №7. Марки исследуемых чугунов приведены в таблице 2.

Таблица 2. – Марки исследуемых чугунов

4.3.В левой стороне листа отчета зарисовать в квадрате 40х40 мм схему микроструктур исследуемых микрошлифов как показано на рисунке 1 с указанием структурных составляющих.

4.4. Справа от рисунка сделать описание микрошлифа чугуна по следующему плану:

4.4.1. Написать и расшифровать марку чугуна;

4.4.2. Дать характеристику структурных составляющих;

4.4.3. Описать основные свойства чугуна;

4.4.4. Описать способ получения;

4.4.5. Описать область применения (таблица 1).

Например:

Рисунок 1- Схема микроструктуры белого чугуна

1. Белый заэвтектический чугун

2. Структурные составляющие:

ледебурит (Л) – эвтектическая смесь перлита и цементита вторичного цементит (Ц) – химическое соединение Fe₃C.

3. Основные свойства: высокая твердость и износостойкость, коррозионная стойкость, хорошие литейные свойства, плохая обрабатываемость резанием (низкая стойкость инструмента), высокая хрупкость.

4. Способ получения – ускоренное охлаждение.

5. Области применения: при производстве стали, ковкого чугуна.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

5.3. Схемы равновесных микроструктур предложенных марок чугунов с обозначением структурных составляющих.

5.4. Описание микроструктур вышеуказанных марок по плану в п. 4.4.

5.5. Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Структурные составляющие белого чугуна.

6.2. Отличительная особенность серого чугуна от белого.

6.3. Условия получения белого чугуна.

6.4. В каком виде находится углерод обычном сером чугуне?

6.5. Зависимость механических свойств чугунов от металлической основы.

6.6. Каким способом можно получить ковкий чугун?

6.7. В каком виде находится углерод в ковком чугуне?

6.8. Метод получения высокопрочного чугуна.

6.9. В каком виде находится углерод в высокопрочном чугуне?

6.10. Что обозначают цифры в маркировке чугунов?

Лабораторная работа № 8

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Источник

Классификация чугунов

Знакомство с технологией производства чугунов, их классификацией, структурой, свойствами и сферой применения. Описание химического состава, особенностей термообработки, механических свойств серого, высокопрочного, белого, ковкого и легированного чугуна.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

по дисциплине «Материаловедение»

Структура и свойства чугуна

Белый и ковкий чугун

Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими более 2,14 % С.

В металлургическом производстве чугуны выплавляют в доменных печах. Получаемые чугуны подразделяют на: передельные, специальные (ферросплавы) и литейные. Передельные и специальные чугуны используют для последующей переработки в сталь. Литейные чугуны (около 20 % всего выплавляемого чугуна) отправляют на машиностроительные заводы для использования при изготовлении литых заготовок деталей (литья).

Широкое распространение чугуна в промышленности обусловлено оптимальным сочетанием различных свойств: технологических (литейных, обрабатываемости резанием), эксплуатационных (механических и специальных) и технико-экономических показателей.

Классификация чугуна с различной формой графита производится по ГОСТ 3443-77. По специально разработанным шкалам оценивают форму включений графита, их размеры, характер распределения и количество, а также тип металлической основы.

Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам:

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C;

— половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;

серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;

высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;

ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

2. Структура и свойства чугуна

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы (матрицы) и графитных включений. Свойства чугуна определяются свойствами металлической основы и характера включений графита.

Чугуны содержат следующие структурные составляющие

По микроструктуре различают:

серый перлитный чугун II (П+Г);

серый ферритный чугун III (Ф+Г);

половинчатый чугун II а (П+Ц+Г);

высокопрочный чугун IV (П+шаровидный графит)

Формирование микроструктуры чугуна зависит от его химического состава и скорости охлаждения (толщины) отливки. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Например, серый чугун (пластинчатая форма графита) имеет низкие характеристики механических свойств, так как пластинки включений графита играют роль концентратов напряжений в отливке. Однако серый чугун имеет ряд преимуществ: обладает высокой жидкотекучестью и малой литейной усадкой; включения графита делают стружку ломкой, позволяя легко обрабатывать чугун резанием; благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами; хорошо гасит вибрации и резонансные колебания. Из высокопрочных чугунов (шаровидная форма графита) изготавливают ответственные детали: зубчатые колеса, коленчатые валы.

Кремний способствует графитизации чугуна. Изменяя его содержание и скорость охлаждения отливки, можно получить чугун различной структуры.

Марганец препятствует графитизации и нейтрализует вредное влияние серы, образуя с ней тугоплавкие соединения MnS.

Фосфор не оказывает существенного влияния на процесс графитизации. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики, которая повышает его литейные свойства.

Сера является вредной примесью. Она обусловливает ухудшение литейных свойств чугуна, увеличение усадки, повышение склонности к трещинообразованию, снижение температуры красноломкости чугуна.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графитовых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна. Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость резанием.

По свойствам серые чугуны можно условно распределить на следующие группы:

ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15) применяют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;

перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) используют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: поршней, цилиндров, блоков двигателей;

модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавлением перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция, такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита.

Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях теплосмен (блоки двигателей, поршневые кольца).

Вермикулярный графит получают путем обработки расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы (РЗМ) и силикобарий.

Модифицирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получатьмагниевый чугун (СМЧ), обладающий прочностью литой стали и высокими литейными свойствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например коленчатые валы легковых автомобилей.

4. Высокопрочный чугун

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия, благодаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентраторы напряжений. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается модифицированием расплава присадками, содержащими Mg, Са, Се и другие редкоземельные металлы (РЗМ).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом является наиболее перспективным литейным сплавом, с помощью которого можно успешно решать проблему снижения массы конструкций при сохранении их высокой надежности и долговечности.

Высокопрочный чугун используют для изготовления ответственных деталей в автомобилестроении (коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры и др.).

5. Белый и ковкий чугун

Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе и при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении из них поршневых колец. Однако белый чугун применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.

Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4—2,9 % С и 1,0—1,6 %Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига (см.рис)

Различают черносердечный ковкий чугун, получаемый в результате графитизирующего отжига, и белосердечный, получаемый путем обезуглероживающего отжига в окислительной среде. В России применяют только черносердечный ковкий чугун. Матрица чугуна может быть перлитной, ферритной, или перлитно-ферритной в зависимости от режима отжига.

Для ускорения процесса отжига КЧ используют различные приемы: повышают температуру выдержки в период П₂, модифицируют и микролегируют чугун присадками алюминия, бора, титана или висмута. Все эти приемы способствуют увеличению числа центров кристаллизации, снижению устойчивости цементита.

Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач,

6. Легированные чугуны

чугун термообработка высокопрочный легированный

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные чугуны.

Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500—600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.).

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

реферат [507,9 K], добавлен 03.08.2009

Характеристика чугуна как железоуглеродистого сплава, содержащего 2 % углерода. Классификация чугуна по металлической основе и форме графитовых включений. Физические особенности структура разновидностей чугуна: белого, серого, высокопрочного, ковкого.

реферат [1,0 M], добавлен 13.06.2012

презентация [1,5 M], добавлен 21.12.2010

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14%. Описание составов и свойств чугуна, а также структуры серых и ковких чугунов, область их применения. Процесс графитизации. Процесс получения ковкого чугуна, маркировка.

реферат [1,3 M], добавлен 18.01.2011

Определение эксплуатационных свойств белых чугунов количеством, размерами, морфологией и микротвердостью карбидов. Влияние температуры отжига на механические свойства промышленного чугуна. Технологические схемы изготовления изделий повышенной стойкости.

доклад [50,8 K], добавлен 30.09.2011

Источник

Чугун. Виды, классификация, характеристики чугунов.

1. Классификация чугунов

Чугун, выплавляемый в доменных печах, по своей физико-химической природе может быть различным в зависимости от перерабатываемой железной руды.

Практика показала, что если железная руда в своем составе имеет высокое содержание марганца, то получается чугун со структурой цементита. Этот чугун получил название белого. Белый чугун является основным сырьем в производстве стали. В связи с этим он получил название передельного чугуна.

Если чугун имеет структуру перлит + ледебурит или ледебурит + цементит, то такой чугун называется половинчатым.

Если переплавляется железная руда с низким содержанием марганца, но с высоким содержанием кремния, то выплавляемый в доменных печах чугун будет иметь структуру феррит + перлит. Такие чугуны получили название литейных серых чугунов.

Белый передельный чугун идет на переработку в сталь в конвертерах, дуговых и индукционных печах, а также мартеновских печах. Из половинчатого чугуна путем длительного отжига получают ковкий чугун. Высокопрочные и специальные чугуны получают путем введения в литейный серый чугун модификаторов, находящихся в расплавленном состоянии. Литейный серый чугун используют в основном при производстве отливок для машиностроения и станкостроения.

Кроме указанных групп чугунов в последнее десятилетие XX в. в России (ОАО «Тулачермет») освоен выпуск чугуна с повышенной чистотой по содержанию вредных примесей и других химических элементов. Этот чугун получил название нодулярного чугуна (например, ПВК-Н — чугун повышенного качества нодулярный).

2. Белый чугун

Белый чугун получается при переработке железных руд с повышенным содержанием марганца. В изломе этот чугун имеет мелкозернистое или игольчатое строение матово-белого цвета. Весь углерод, как правило, с массовой долей 6,67 % находится в химически связанном состоянии в форме цементита в поверхностных слоях отливки.

Белый чугун очень хрупкий, практически не поддается обработке резанием, его твердость достигает 700 … 800 НВ. Из-за высокой твердости и хрупкости белый чугун как конструкционный материал прямого применения не имеет. В некоторых случаях свойства высокой твердости и износостойкости структуры белых чугунов (цементита) создают искусственно в поверхностных слоях деталей. Эта операция называется отбеливанием поверхности деталей и отливок. Операция отбеливания достигается высокой скоростью охлаждения. Например, с целью получения высокой твердости на глубину до 5 мм отбеливают поверхность валков прокатных станов, лемехи плугов, шары мельниц, коленчатые валы дизелей и другие детали.

Структура белого чугуна неустойчивая. При высоких температурах цементит распадается на аустенит и свободный углерод (графит). Температура плавления белого чугуна составляет 1 600 °С.

Белый чугун выпускается в виде чушек весом 40 кг, которые идут на производство стали в мартеновских и других печах, или в жидком состоянии (в этом случае чугун хранится в специальных емкостях (миксерах), из которых затем поступает в конвертеры для производства стали).

Половинчатый чугун — это низкосортный белый чугун, в котором часть углерода находится в химически связанном состоянии в виде цементита, а часть — в виде свободного углерода (графита) или механических смесей в зависимости от массовой доли углерода (рис. 1). Так, чугун с массовой долей углерода, равной 4,3 %, — эвтектический, имеет структуру ледебурита (механическая смесь цементита и феррита). Заэвтектический чугун (более 4,3 % углерода) имеет структуру перлит + цементит + графит. Доэвтектический чугун (менее 4,3 % углерода) имеет структуру перлит + ледебурит + графит.

Половинчатый чугун имеет очень высокие механические свойства, но хрупкий, поэтому этот чугун прямого применения в литейном производстве не находит.

Рис. 1. Микроструктура половинчатого чугуна: 1 — перлит; 2 — цементит; 3 — ледебурит

Благодаря наличию в структуре свободного углерода, а также неустойчивых структур ледебурита и цементита половинчатый чугун является сырьем для производства ковких и специальных чугунов.

3. Литейный серый чугун

Литейный серый чугун свое название получил благодаря высоким литейным свойствам (жидкотекучесть и низкая усадка), а также из-за темно-серого цвета. В изломе имеет крупнозернистое строение. Мягкий, хорошо подвергается обработке резанием. Твердость литейных серых чугунов составляет 140 … 260 НВ. Предел прочности при растяжении σ_в  100 … 450 МПа (10 … 45 кгс/мм2). Относительное удлинение δ  0,2 … 0,5 %. В отечественном машиностроении до 74 % всех ответственных отливок получают из литейного серого чугуна. По микроструктуре литейные серые чугуны подразделяются на ферритно-графитные, ферритно-перлитные и перлитные (рис. 2). Углерод в этих чугунах находится в свободном состоянии в виде графита. Чем больше массовая доля углерода, тем больше в сером чугуне структуры графита и ниже его механические свойства, поэтому максимальное содержание углерода ограничено его доэвтектическими пределами, т. е. не более 4 %, а практически до 3,7 %.

Снижение содержания углерода понижает его литейные свойства. В связи с этим устанавливается нижний предел по массовой доле углерода. Он равен примерно 2,2 %. Нижний предел принимается для толстостенных отливок, верхний — для тонкостенных.

Доменные цеха выпускают серый чугун в виде чушек, которые поставляются в литейные цеха машиностроительных заводов.

Литейный серый чугун состоит из железа, углерода, а также других химических элементов, поэтому не является двухкомпонентным сплавом. Кроме углерода в своем составе он содержит кремний, марганец, серу и фосфор. Кремний и марганец влияют на процесс графитизации, образование микроструктуры и механические и технологические свойства отливок из серого чугуна.

Углерод влияет на свойства чугуна в зависимости от формы соединения с железом, т. е. от структуры, которая образуется в сплаве. На образование структур в совокупности влияют условия плавки и охлаждения, а также наличие сопутствующих химических элементов: марганца, кремния и незначительно серы и фосфора. Кремний с массовой долей 3 … 5 % в серых чугунах способствует выделению углерода в виде графита. Изменяя массовую долю кремния, можно получить отливки с различной структурой, а с изменением структуры изменяются и механические свойства чугуна. Например, чугун со структурой в виде пластинчатого графита имеет относительное удлинение δ = 0,2 … 1,1 %, а чугун со структурой графита хлопьевидной формы имеет относительное удлинение δ = 5… 10 %. Кремний способствует образованию микроструктуры графита, придает чугуну ряд ценных механических, технологических и эксплуатационных свойств, улучшает обрабатываемость резанием. Кроме того, графитовые включения (пористые, мягкие) быстро гасят вибрации, колебания и рассеивают по массе несущих деталей ударные нагрузки. Детали из чугуна нечувствительны к механическим повреждениям. Благодаря структуре графита серый чугун обладает высокими антифрикционными свойствами. В этом случае графит действует как смазывающее вещество. Благодаря перечисленным свойствам кремний является постоянным и обязательным элементом в литейных серых чугунах.

Рис. 2. Микроструктуры литейных серых чугунов: а — ферритно-графитная; б — ферритно-перлитная; в — перлитная

Марганец препятствует графитизации чугуна, отбеливает его, способствует образованию структуры измельченного перлита (феррит + цементит), улучшая механические свойства. Массовая доля марганца в серых чугунах колеблется в пределах 0,2 … 1,1 %, при этом прочность, износостойкость и твердость повышаются. При большем содержании марганца происходит уменьшение структуры перлита и феррита, увеличение структуры цементита, и чугун становится твердым, но хрупким.

Сера — вредная примесь. Она оказывает отрицательное действие на механические и литейные свойства серых чугунов, понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку, способствует образованию трещин. Массовая доля серы для мелкого литья — 0,08 %, для крупного литья, в котором не требуется повышенная жидкотекучесть, — 0,10 … 0,12 %.

Фосфор в литейных чугунах является полезной примесью, так как он увеличивает жидкотекучесть. Кроме того, фосфор способствует образованию такой структуры, которая повышает общую твердость и износостойкость отливок. Высокое содержание фосфора (до 0,7 %) повышает хладостойкость чугуна, поэтому в отливках, работающих при нагрузках, массовая доля фосфора может достигать 0,3 %, а в отливках, работающих без нагрузок (художественное и бытовое литье), — 0,7 %.

На образование микроструктуры и графитизацию фосфор влияния не оказывает. На практике по структурным диаграммам в зависимости от массовой доли углерода и кремния в чугуне определяют его приблизительную микроструктуру в отливках с толщиной стенок 50 мм.

Согласно ГОСТ 1412—87 существуют следующие марки серого чугуна: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40 и СЧ45, где буквы СЧ означают литейный серый чугун, а цифры — предел прочности при растяжении. Например, чугун марки СЧ15 имеет прочность при растяжении 150 МПа (15 кгс/мм2).

Таким образом, литейные серые чугуны имеют высокие механические свойства (σ_в — до 450 МПа (45 кгс/мм2) и также высокие технологические свойства (литейные свойства, обрабатываемость резанием и др.). Кроме того, как уже отмечалось, литейный серый чугун обладает способностью гасить и рассеивать вибрации и нагрузки. Это свойство называется демпферным свойством. Оно широко используется в станкостроении. Из литейного серого чугуна, обладающего демпферным свойством, отливают станины станков, машин и другие несущие конструкции, которые позволяют создавать точность и жесткость системы станок—приспособление — инструмент— деталь (СПИД).

Главными технологическими свойствами являются высокая жидкотекучесть и обрабатываемость резанием. Отливки из литейного серого чугуна хорошо поддаются обработке на различных металлорежущих станках: точению, фрезерованию, строганию, сверлению, шлифованию и шабрению. В связи с широким диапазоном механических свойств (прочности и твердости) этот чугун находит применение в различных отраслях экономики. Например, низкосортный серый чугун применяется для изготовления отливок, работающих без нагрузок (бытовое и художественное литье, грузы, подставки, крышки, пробки, плиты, фланцы и др.). Литейный серый чугун с пределом прочности 200 МПа и более применяется для отливок деталей, работающих при средних нагрузках (трубы, станины, кронштейны, корпуса редукторов и др.). Чугун с пределом прочности 300 МПа и более применяется для деталей, работающих при высоких нагрузках (корпуса подшипников, шкивы, зубчатые и червячные пары, блоки цилиндров, головки блоков, поршни, диски сцепления, корпуса насосов, цилиндры паровых турбин, коленчатые валы, звездочки, тормозные барабаны и др.).

4. Ковкий чугун

Ковким чугуном называют чугун, полученный из белого (половинчатого) чугуна путем длительного отжига (томления). Схема получения ковкого чугуна представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема получения ковкого чугуна путем отжига (томления) половинчатого чугуна: 1 — кривая получения ковкого ферритного чугуна; 2 — кривая получения ковкого перлитного чугуна; t — температура; τ — время; Ас₁ — критическая температура (эвтектоид)

Процесс получения ковкого чугуна заключается в следующем. В вагранках или электропечах расплавляют низкосортный (половинчатый) белый чугун, затем разливают его в земляные или металлические формы. После охлаждения отливки удаляют из форм и помещают в ящики с измельченной железной рудой или окалиной. Ящики нагревают в печах до температуры 900 … 1 000 °С, выдерживают 6 —10 сут. В процессе этой термической операции (томления) углерод из цементита диффундирует к поверхности детали, превращаясь в свободный углерод в виде графита (углерод отжига), а часть его выгорает.

В настоящее время внедрена технология ускоренного отжига отливок белого чугуна на ковкий чугун. Суть этой технологии заключается в проведении предварительной термической обработки отливок: нормализации или закалки и отпуска. Этими операциями достигается возможность получения большего числа центров кристаллизации, что приводит к более быстрому распаду цементита в углерод отжига и значительно уменьшает продолжительность процесса получения ковкого чугуна.

Закалку проводят при температуре 820 … 950 °С и охлаждают в минеральном, веретенном или трансформаторном масле. Отпуск проводят при температуре 400 °С. При второй стадии окончательного отжига при температуре 950 °С продолжительность сокращается до 5 ч.

В практике применяют также ступенчатый отжиг: отливки охлаждают с 950 до 760 °С в течение 2 … 3 ч, с 760 до 680 °С в течение 8 … 10 ч, затем осуществляют охлаждение на воздухе.

Современное ускоренное получение ковкого чугуна осуществляется в две стадии. Первая стадия — нагрев отливок в соляных ваннах или расплавленных металлах при 1 050 … 1 100 °С и выдержка 1 … 2 ч; вторая — нагрев до 700 °С и выдержка в течение 4 ч. Весь процесс также длится 5 … 7 ч. В результате отжига в отливках структура ледебурита и цементита переходит в структуру графита хлопьевидной формы (углерод отжига). По сравнению с исходным чугуном твердость отливок ковкого чугуна понижается, хрупкость устраняется, прочность повышается, и отливки приобретают высокую пластичность (до 12 %) и ударную вязкость. Благодаря высокой пластичности этот чугун получил название ковкого чугуна, однако ковке этот чугун не подвергается, особенно его нельзя ковать (деформировать) в горячем состоянии, так как по границам зерен в горячем состоянии чугун приобретает хрупкость, появляются микротрещины. После ковки отливки становятся хрупкими. Отливки из ковкого чугуна подвергаются незначительному деформированию в холодном состоянии, гнутся, вытягиваются, рихтуются.

Структура ковкого чугуна в виде хлопьевидного графита обладает более высокой твердостью, прочностью и пластичностью по сравнению с серыми литейными чугунами. Как показала практика, отливки из половинчатого чугуна, подвергаемые отжигу на ковкий чугун, должны быть диаметром не более 40 … 50 мм. При сечении более 50 мм в сердцевине образуется очень твердая и хрупкая структура пластинчатого графита.

Отливки из ковкого чугуна имеют следующее содержание примесей: углерода — 2,4 … 2,9 %, кремния — 1,0 … 1,6 %, марганца — 0,2 … 1,0 %, серы — до 0,2 % и фосфора — до 0,18 %.

Структура в отливках ковкого чугуна в зависимости от режимов отжига может быть ферритной или ферритно-перлитной (рис. 4). Структуру феррита и углерода отжига получают ступенчатым отжигом. Отливки, полученные при ступенчатом отжиге, имеют пластичность до 12 %.

Рис. 4. Микроструктуры ковкого чугуна: а — ферритная (черно-сердечная); б — ферритно-перлитная (светло-сердечная)

Отливки на ковкий перлитный чугун производят путем длительного отжига при температуре примерно 1 000 °С. После первой стадии графитизации проводят медленное непрерывное охлаждение до нормальной температуры. После охлаждения в отливках образуется структура перлита и углерода отжига. Структура перлита обусловливает более высокие механические свойства деталей, прочность и твердость. Во время отжига в отливках снимаются литейные напряжения.

Согласно ГОСТ 1215—79** выпускают следующие марки ковкого чугуна: КЧ 30-6, КЧ 30-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 50-3, КЧ 50-4, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1,5, где КЧ — ковкий чугун; первые цифры обозначают предел прочности при растяжении, цифры после дефиса — относительное удлинение.

Ковкие чугуны идут на изготовление деталей небольших сечений, работающих при тяжелых условиях: абразивном изнашивании, ударных и знакопеременных нагрузках, в автомобильном, тракторном и текстильном машиностроении, котло-, вагоно- и дизелестроении.

Высокая прочность и плотность отливок ковкого чугуна дает возможность их широкого применения в качестве водопроводных, газопроводных установок и аппаратуры.

Недостаток ковких чугунов — это высокая стоимость отливок из-за длительного отжига и металлургических агрегатов со специальным оборудованием.

Для изменения микроструктуры отливок из ковкого чугуна после механической обработки их подвергают различным видам термической обработки: нормализации, закалке и последующему отпуску. В процессе термической обработки меняется металлическая основа отливок, после чего повышаются твердость, износостойкость, прочность и ударная вязкость.

5. Высокопрочный чугун

Отечественная наука и практика разработали технологию получения отливок из серого литейного чугуна со структурой в виде шаровидного графита. Этот чугун, по сравнению с обычным серым литейным чугуном, обладает высокими механическими свойствами, сочетая в себе свойства стали и чугуна. Конструкционный материал, применяемый для литья деталей и изделий со структурой шаровидного графита, получил название высокопрочного чугуна. Технология получения высокопрочного чугуна заключается в следующем. Перед разливкой в форму в жидкий чугун, находящийся в разливочном ковше, вводят присадки магния в пределах 0,03 … 0,07 % от общей массы расплава. Этот процесс называется модифицированием. Модифицирование чистым магнием вызывает вспышку, поэтому магний вводят в испаритель (металлические или графитовые коробки с отверстиями) в виде лигатуры — сплавов магния с кремнием или никелем. В процессе модифицирования литейного серого чугуна в расплавленном состоянии при охлаждении отливок изменяется микроструктура (рис. 5).

Рис. 5. Микроструктура чугуна до модифицирования — перлит (а) и после модифицирования — шаровидный графит (б)

Получаемая микроструктура шаровидного графита не ослабляет металлические основы отливки. После модифицирования в чугунных отливках в несколько раз увеличивается твердость, прочность и ударная вязкость по сравнению с исходным материалом.

По ГОСТ 26358—84 выпускаются следующие марки высокопрочного чугуна: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-2, ВЧ 50-7, ВЧ 60-2, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, цифры после букв — предел прочности при растяжении, через дефис — относительное удлинение. Например, чугун ВЧ 50-2 имеет предел прочности при растяжении σ_в = 500 МПа (50 кгс/мм2), а относительное удлинение δ = 2 %.

Отдельные марки высокопрочного чугуна имеют твердость до 370 НВ, предел прочности при растяжении σ_в = 1 200 МПа (120 кгс/мм2).

Государственный стандарт предъявляет требования к механическим свойствам отливок из высокопрочного чугуна в зависимости от марок по следующим характеристикам: предел прочности при растяжении, предел текучести и относительное удлинение.

Для улучшения механических свойств отливки из высокопрочного чугуна подвергают различным видам термической обработки: закалке с последующим отпуском, отжигу и нормализации. Отливки из высокопрочного чугуна имеют высокую обрабатываемость резанием.

Массовая доля химических элементов в высокопрочных чугунах следующая: углерода — 2,7 … 3,6 %, кремния — 1,5 … 3,8 %, марганца — 0,3 … 0,7 %, серы — 0,01 … 0,02 %, фосфора — 0,1 %. Массовая доля этих элементов колеблется в зависимости от сечения отливок.

По структуре высокопрочные чугуны бывают ферритные (феррит + шаровидный графит), ферритно-перлитные (феррит + перлит + шаровидный графит) и перлитные (перлит + шаровидный графит). На рис. 5, а представлена микроструктура серого литейного чугуна марки СЧ30 (σ_в = 300 МПа (30 кгс/мм2), твердость — 181 … 255 HB) до модифицирования, на рис. 5, б — микроструктура отливки, полученная после модифицирования серого литейного чугуна марки СЧ30 — высокопрочный чугун марки ВЧ 70 (σ_в = 700 МПа (70 кгс/мм2), твердость — 229 … 300 HB). Как видим, модифицирование серого литейного чугуна в процессе отливки изделий резко улучшает механические характеристики отливок.

Высокопрочные чугуны имеют высокие литейные свойства: жидкотекучесть практически всех марок высокопрочных чугунов — до 600 мм, усадка в отливках — до 1 мм. Ликвация у этих чугунов практически отсутствует. Кроме того, отливки из высокопрочных чугунов имеют высокую обрабатываемость резанием (точением, фрезерованием, шлифованием и др.), высокие упрочняемость и прокаливаемость. С целью изменения (исправления) структуры отливки из высокопрочных чугунов подвергаются различным видам термической обработки.

Важным эксплуатационным свойством деталей, изготовленных из высокопрочных чугунов, является их прирабатываемость в узлах трения и давления (траверса пресса, шобот ковочного молота и т. д.). В турбостроении из высокопрочного чугуна изготавливают корпуса паровых турбин, лопатки направляющих аппаратов, в тракторо- и дизелестроении — коленчатые валы, поршни и др. Например, коленчатый вал легкового автомобиля «Волга» отливают из высокопрочного чугуна марки ВЧ 70-2. При модифицировании магнием в этот чугун добавляют ферросилиций, который придает детали свойства стали и чугуна.

Высокопрочные чугуны находят широкое применение в автотранспортном машиностроении, в производстве прокатного, кузнечно-прессового, подъемно-транспортного и камнедробильного оборудования взамен крупногабаритного стального литья, поковок и штамповок весом до 48 т (табл. 1).

6. Специальные чугуны

К специальным чугунам относятся чугуны, которые кроме механических и технологических свойств имеют высокие износостойкость, теплостойкость, химическую стойкость, магнитные и другие свойства. Специальные чугуны получают путем добавок в расплавленный жидкий чугун различных легирующих элементов в зависимости от требуемых специальных свойств: марганца, кремния, никеля, хрома, алюминия и др. В настоящее время выпускаются антифрикционные и легированные (жаропрочные, жаростойкие, электротехнические, магнитные и кислотостойкие) чугуны.

Антифрикционные чугуны. По ГОСТ 1585—85 выпускаются следующие марки антифрикционных чугунов: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2.

В обозначении марок приняты следующие сокращения: АЧ — антифрикционный чугун; С — серый чугун с пластинчатым графитом; В — высокопрочный чугун с шаровидным графитом; К — ковкий чугун с компактным графитом. Цифры в маркировке чугунов соответствуют степени легирования.

Отливки из антифрикционного чугуна предназначены для работы в паре в узлах трения со смазкой (подшипники скольжения). Антифрикционные чугуны представляют собой железоуглеродистый сплав с твердой металлической основой (матрицей) и мягкими графитовыми включениями, которые создают пористость.

Благодаря пористости вкладыша в подшипниках длительное время удерживается смазка.

По структуре антифрикционные чугуны бывают с пластинчатым, шаровидным и хлопьевидным (компактным) графитом.

В поры, образуемые разнообразной структурой, постоянно поступает смазывающее вещество и благодаря своей консистенции под действием вращения вала растекается по всей плоскости. Таким образом, между валом и поверхностью подшипника образуется граничная смазка, которая обеспечивает постоянный режим жидкостного трения.

Для устранения износа вкладыша подшипника и вала антифрикционный чугун выбирают так, чтобы твердость вкладыша была ниже твердости вала.

Основными достоинствами антифрикционных чугунов являются их низкая стоимость и высокая механическая прочность, что позволяет их использовать в узлах трения с большими нагрузками.

Как недостаток следует отметить низкую стойкость к ударам, низкую прирабатываемость, что при незначительных недостатках смазывающих веществ приводит к быстрому износу и выходу из строя узла трения.

Применение антифрикционного чугуна предусматривает следующие условия:

При соблюдении этих требований подшипниковый узел из антифрикционного чугуна обеспечит надежность и долговечность работы механизма.

Легированные чугуны. По ГОСТ 7769—82 выпускаются легированные чугуны для отливок со специальными свойствами (жаростойкие, коррозионно-стойкие, износостойкие, жаропрочные, магнитные, немагнитные) следующих групп: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцовистые, никелевые и др.

Приведем некоторые марки легированных чугунов: ЧХ1, ЧХ2, ЧХ16, ЧХ28, ЧС5, ЧС15, ЧЮ7С5, ЧЮ30, ЧГ6С3Ш, ЧН11Г7Ш, ЧН20Д2Ш и др., всего приблизительно 40 марок.

В маркировке чугунов приняты следующие обозначения: Ч — чугун; легирующие элементы обозначаются буквами: Х — хром, С — кремний, Г — марганец, Н — никель, М — молибден, Д — медь, Т — титан, П — фосфор, Ю — алюминий; буква Ш указывает на то, что структура чугуна имеет шаровидную форму. Цифры, стоящие после букв, обозначают примерное процентное содержание легирующих элементов.

Легированные чугуны обладают высокими механическими свойствами. Твердость отдельных марок достигает 400 … 500 НВ, предел прочности при растяжении σ_в  400 … 600 МПа. Теплостойкость легированных чугунов достигает 1 000 °С.

Легированные чугуны нашли широкое применение в различных отраслях машиностроения, электрических машинах, постоянных магнитах, деталях, работающих при высоких температурах, в среде активных газов, кислотах и щелочах. Кроме того, специальные легированные чугуны применяются в доменных и термических печах, агломерационных машинах, пресс-формах для стекольных изделий, кокилей, в насосах для перекачки абразивных смесей и активных жидкостей и другого различного оборудования, работающего в газовых средах, при высоких температурах и больших нагрузках.

Рабочая температура, как правило, составляет 500 … 700 °С, а отдельные марки выдерживают до 900 … 1 000 °С. Например, легированный чугун марки ЧХ30 обладает кислотостойкостью, жаростойкостью и жаропрочностью при температуре до 1 100 °С. Кроме того, этот чугун устойчив в сернистых средах против абразивного износа и идет на изготовление деталей печей обжига сернистых руд, сопел песко- и дробеметных установок, деталей алюминиевых электролизеров, химической аппаратуры.

Чугун марки ЧХ1 обладает повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах в условиях трения и абразивного изнашивания. Из него делают холодильные плиты доменных печей, колошники агломерационных машин, детали газотурбинных двигателей и др.

Чугун марки ЧХ3Т имеет повышенную стойкость против абразивного изнашивания в пылепроводах, насосах, идет на изготовление износостойких деталей гидромашин, футеровки пылепроводов и др.

Чугуны могут быть низколегированными и высоколегированными и имеют широкий диапазон по массовой доле химических элементов. Например, низколегированный чугун марки ЧХ1 имеет массовую долю углерода 3,8 %, кремния — 1,5 … 2,5 %, марганца — 1 %, хрома — 1 %. Высоколегированный чугун марки ЧХН20ДГШ содержит 1,8 … 2,5 % углерода, 3,5 % кремния, 1,5 … 2,0 % марганца, 0,5 … 1,0 % хрома, 19 … 21 % никеля, 1,5 … 2,0 % меди и до 0,3 % алюминия. Чугун обладает высокими эксплуатационными свойствами: жаропрочностью, коррозионной стойкостью в кислотах, щелочах, морской воде, паре. Применяется для изготовления деталей (коллекторы, клапаны, головки поршней, вентили и др.), в газовых турбинах, в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.

Легированные чугуны имеют высокие литейные свойства (жидкотекучесть, малую усадку и отсутствие ликвации), хорошую обрабатываемость различными способами механической обработки (точением, фрезерованием, сверлением, шлифованием и др.). Кроме того, эти чугуны имеют высокую улучшаемость и прокаливаемость.

Отливки из легированного чугуна подвергают термической обработке: различным видам отжига, отпуску, закалке и нормализации. Вид термической обработки выбирается в зависимости от требуемых механических и эксплуатационных свойств.

Источник