Структура графитизированных чугунов (со свободным углеродом)

Структуру графитизированных чугунов различают по строению металлической основы и форме графита (рис. 9.5). Изменяя содержание углерода и кремния, а также скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна: ферритную, перлитную и ферритоперлитную. В зависимости от формы выделений графита различают чугуны: серые (пластинчатая форма графита), ковкие (графит в форме хлопьев), высокопрочные (шаровидный графит) и чугуны с вермикулярным (червевидным) графитом. Все они широко используются в машиностроении. В ферритных чугунах металлической основой является феррит и весь углерод, имеющийся в сплаве присутствует в виде графита. Струк-тура ферритных чугунов может быть представлена как структуру чистого железа с включениями одной из форм графита: пластин-чатой, шаровидной, хлопьевидной или вермикулярной (см. рис. 9.5). В ферритоперлитных чугунах количество связанного углерода нахо-дится от 0,1 до 0,7 % углерода, а в перлитных чугунах – 0,7…0,8 % углерода.

Механические свойства чугуна обусловлены его структурой и прежде всего зависят от количества, величины и характера распре-деления включений графита.

Металлическая основа	Форма графитовых включений
пластин-чатая	вермику-лярная	хлопье-видная	шаро- видная
Ф
Ф+П
П
Тип чугуна	СЧ	ЧВГ	КЧ	ВЧ

Рис. 9.5. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графита (схемы)

2.2.1. Серый чугун.Образование серого чугуна происходит по стабильной диаграмме состояния(рис. 9.6, штриховая линия).

Рис. 9.6. Диаграмма состояния железо-графит (стабильное состояние)

Образование графита – медленно протекающий процесс, так как для образования зародыша графита и для его роста требуется зна-чительная диффузия атомов углерода. Причём образование графита возможно непосредственно из жидкости в виде аустенитнографи-товых смесей в узком интервале температур междулиниями E´C´F´и ECF или из твёрдого состояния за счёт распада аустенита на фер-ритнографитовую смесь между линиями P´S´K´ и PSK (см. рис. 9.6).

В сером чугуне углерод образуетграфитные включения, имеющие форму крупных заострённых пластин. Их концы являются концентраторами напряжений и очагами зарождения трещин в метал-лической матрице при нагружении. Поэтому графитовые частицы в чугунах можно рассматривать как дефект, подобный внутренним трещинам, которые существенно снижают при растяжении прочность и пластичность серых чугунов (от­носительное удлинение менее 1 %). Влияние этих дефектов при изгибе и сжатии значительно меньше, чем при растяжении. Установлено, что прочность серых чугунов при изгибе в 1,5…2 раза выше, а прочность при сжатии в 3…4 раза выше, чем при растяжении. Поэтому серые чугуны рекомендуется исполь-зовать в основном для изделий, испытывающих сжатие. Они не используются для деталей машин, работающих при ударных нагрузках из-за низкой пластичности.

С другой стороны, графит оказывает и полезное действие: он улучшает обрабатываемость резанием, литейные свойства, гасит вибрации и резонансные колебания, играет роль смаз­ки (благодаря чему серые чугуны являются хорошим анти­фрикционным материалом). Серые чугуны имеют высокую жидкотекучесть, что позволяет получать тонкостенные отливки (с толщиной стенки 3…4 мм) и малую усадку (0,9… 1,3 %).

Химический состав.Структура чугуна в отливках зависит от химического состава и скорости кристаллизации. Наиболее широкое применение нашли доэвтектические серые чугуны. Химический сос-тавсерого чугуна колеблется в пределах: 2,9…3,7 % С, 1,2…2,6 % Si, 0,5…0,9 %Мn, 0,2…0,3 %Р, до 0,12…0,15 % S. Из этих элементов способствуют графитизации С и Si, а Мn и S наоборот препятствуют графитизации и увеличивают склонность чугуна к отбеливанию. Изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации. Фосфор не влияет на графитизацию. Сера увеличивает толщину графитных пла-стинок и ухудшает механические и литейные свойства.

При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производ-ственных условиях охлаждения в одной отливке с разной толщиной стенок, которые охлаждаются с различными скоростями, чугун может иметь разную структуру. В тонких частях отливки, где быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация и образуется больше цементита, чем в более массивных частях и в сердцевине. Отсюда также следует, что содержание кремния надо увеличивать в отливках небольшого сечения, охлаждающейся ускоренно. В толстых сечениях отливок, охлаждающихся медленнее, графитизация протекает полнее и содержание кремния может быть уменьшено.

Маркировка и применение. Серый чугун является наиболее распространенным и дешевым литейным сплавом. Он характери-зуется высокими литейными и удовлетворительными механичес-кими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, высокой износостойкостью, нечувствительностью к поверхностным дефектам. Согласно ГОСТ 1412—85 для изготовления отливок предусма-триваются ферритные (СЧ10, СЧ15, СЧ18), ферритноперлитные (СЧ20, СЧ25), перлитные (СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35) серые чугуны. Цифры в обозначении марок соответствуют среднему значению временного сопротивления на растяжение, кгс/мм².

Структура ферритного серого чугуна представлена на рис.9.6. Серые чугуны используют для слабо – и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов и др.

Рис. 9.6. Микроструктура серого чугуна: а – СЧ20 на ферритно-перлитной основе, х 300; б – без травления, х 100

Перлитные чугуны (СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35) применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.

Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35 обладают наиболее высокими механическими свойствами. Их полу-чают подачей в струю жидкого чугуна при разливке порошковых модификаторов (ферросилиция и силикокальция в количестве 0,3…0,8 % от массы отливки). Структура модифицированных чугунов – перлитная основа с небольшим количеством изолиро-ванных пластинок графита (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Микроструктура моди-фицироанного перлитного серо-го чугуна СЧ30, х500

Влияние скорости охлаждения на структуру в модифициро-ванном сером чугуне значительно меньше, чем в не модифициро-ванном, что обеспечивает однородность свойств в различных сече-ниях отливки. Серые чугуны имеют высокую жидкотекучесть. Их применяют при высоких нагрузках: зубчатые колеса, гильзы дви-гателей, шпиндели, распределительные валы и пр.

2.2.2. Высокопрочный чугун. Они имеют шаровидную форму графита и как концентратор напряжений в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет металлическую основу и не оказывает на нее надрезывающего действия. Благодаря этому высокопрочный чугун имеет хорошие механические свойства.

Для поучения шаровидного графита в жидкий серый чугун вводят модификаторы в виде добавок магния, церия, иттрия и не-которых дру­гих элементов в оптимальном количестве 0,03…0,08 % от массы отливки. Меньшее содержание модификаторов не дает эффекта сфероидизации, а большее — приводит к отбелу и образо-ванию пластинчатого графита. На рис. 9.8 показана микроструктура высокопрочного чугуна с шаровид­ным графитом.

а б
в	Рис. 9.8. Микроструктура высо-копрочного чугуна: а – на ферритоперлитной осно-ве (х 500); б– на перлитной осно-ве (х 500); видна также вееро-образная фосфидная эвтектика; в – без травления

Особенностями структуры матрицы высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются: а) расположение феррита преиму-щественно в виде оторочек вокруг включений шаровидного графита, что объясняется разложением некоторой части цементита перлита;

б) более тонкое, чем у серого чугуна, строение пластинчатого перлита, часто напоминающее сорбит.

Химический состав.Состав высокопрочного чугуна, как и серого, выбирается к зависимости от требуемых свойств и толщины отливок. По содержанию углерода он почти не отличается от серых чугунов (от 2,7 до 3,8 %), кремния – 1,6…2,9 %, но содержание вред-ных примесей является более низким: серы до 0,01…0,1 % и фосфора до 0,04…0,10 %.

Жидкотекучесть высокопрочного чугуна такая же, как у серого, что позволяет получать фасонные отливки с минимальной толщиной стенок 3…4 мм.

Маркировка и применение. ГОСТ 7293-85 устанавливает восемь марок высокопрочного чугуна. Их маркируют буквами ВЧ (высокопрочный чугун) и числа, соответствующего временному сопротивлению чугуна при растяжении σ_в, кгс/мм². К ферритным чугунам относятся марки ВЧ35, ВЧ40 и ВЧ45, а к перлитным – ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ 100.

Благодаря более вы­соким механическим свойствам высоко-прочный чугун может использо­ваться вместо поковок и отливок из углеродистой стали для деталей машин, работающих в тяжелых условиях. Из него изготавливают коленчатые валы и поршни автомобильных и тракторных двигателей, шестерни, тормозные диски, детали прокатных станов, корпуса насосов, вентили и т. д. Однако высокая усадка (1,25…1,7 %) вызывает необходимость создания условий направленной кристаллизации для предупреждения образования усадочных раковин и пористости.

2.2.3. Ковкий чугун. Получение отливок из ковкого чугуна принципиально отличается от технологии получения отливок из серого и высокопрочного чугунов. Сначала изготавливают отливку из белого чугуна, при этом используются его высокие литейные свойства, позволяющие получить плотные отливки сложной формы. Затем отливки подвергают длительному нагреву при высоких температурах в нейтральной среде. Для этого отливки укладывают в специальные ящики, засыпают песком для защиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме, приведённой на рис. 9.9. Металлической основой ковкого чугуна является феррит (ферритный ковкий чугун) и реже перлит (перлитный ковкий чугун).

Более высокой пластичностью обладает ферритный ковкий чугун, который применяют в машиностроении. Ферритоперлитный ковкий чугун для получения отливок не используется. Это связано с тем, что присутствие феррита в структуре перлитного ковкого чугуна ухудшает его свойства, так как влечет за собой резкое снижение прочности при незначительном увеличении пластичности.

По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, является доэвтектическим со структурой ледебурит + цементит (вторичный) + перлит. Ковкий чугун по составу отличается от серого и высокопрочного чугунов. Он имеет более низкое содержание углерода и кремния, в отличие от серого, обладает некоторой пластичностью благодаря хлопьевидной форме графита. Низкое содержание углерода способствует меньшему выделению графита и повышению пластичности, а низкое содержание кремния исключает образование пластичного графита в структуре отливок при их охлаждении.

Отжиг проводят в две стадии (см. рис. 9.9). Вначале нагревают отливки до температуры 950…970 ºС.

Рис. 9.9. Схема отжига белого чугуна на ковкий: 1 – на ферритный; 2– на перлитный

При этом в структуре чугуна образуются аустенит и цементит. При значительной выдержке при данной температуре цементит распадается с образованием хлопьевидного графита (углерода отжига) и структура преобразуется в А+Гр. Затем отливки охлаж-дают до температур, соответствующих интервалу эвтектоидных превращений. При охлаждении происходит выделение из аустенита вторичного цементита и одновременный его распад, что приводит к росту графитных частиц. Затем при достижении температур ниже эвтектоидного интервала (740…720 ^оС) дают длительную выдержку или медленно охлаждают в интервале температур от 770 до 720 ^оС (штриховая линия на рис. 9.9), что обусловливает вторую стадию графитизации. При этом происходит разложение цементита, входящего в эвтектоидный перлит.

Таким образом, для получения структуры феррит + графит (углерод отжига) в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит, входящий в перлит. При относительно быстром охлаждении (режим 2, рис. 9.9) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.

Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей опе-рацией. Для ускорения отжига принимают различные меры: чугун модифицируют алюминием, повышают температуру нагрева чугуна перед разливкой или грфитизации I-й стадии до 1080 ºС.

Микроструктура ковкого чугуна приведена на рис. 9.10. В действительности ковкий чугун не подвергается ковке. Из него, как и

Рис. 9.10. Микроструктура ковких чугунов:

а – ферритный; б – перлитный

из серого, изготавливаются лишь фасонные отливки для машино-строения массой от нескольких граммов до 250 кг с толщиной стенок 3…50 мм. При этом толщина стенок отливок не должна превышать 40…50 мм, так как при большей толщине после отжига, вместо хлопьевидного, образуется пластинчатый графит. Отсутствие литей-ных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная форма и изолированность графитных включений обуславливают высокие механические свойства ковкого чугуна.

Химический состав.Обычный состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий чугун, выбирают в зависимости от требуемой структуры металлической основы в пределах: 2,4…2,8 % С; 0,8…1,4 % Si; ≤1 % Мn; ≤0,1 % S; ≤ 0,2 %Р.

Маркировка и применение. Согласно ГОСТ 1215-79 ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают временное сопротивление, кгс/мм², вторая – относительное удлинение (в %). Например, КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12 ферритного класса, КЧ 45-7; КЧ 50-5; КЧ 55-4; КЧ 60-3; КЧ 65-3; КЧ 70-2; КЧ 80-1,5 перлитного класса,

Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки, в том числе клапаны, муфты, картеры редукторов, коленчатые валы и др.

2.2.4. Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ).Чугун с вермикулярным[5] графитом – это относительно новый литейный чугун. Структура ЧВГ может содержать до 40 % сфероидального графита и до 60 % вермикулярного (червевидного). Получают совместным введением с магнием (0,01…0,03 %) в жидкий чугун титана в количестве 0,08…0,12 % и в небольших количествах церия или иттрия. Такое модифицирование обеспечивает более равномер-ное расположение вермикулярного графита как в тонких так и в массивных сечениях отливки.

Вермикулярный графит подобно пластинчатому графиту виден на металлографическом шлифе в форме прожилок, но они меньшего размера, утолщенные, с округлыми краями (рис. 9.11). Структура металлической основы ЧВГ может быть ферритной, перлитной и ферритноперлитной.

Химический состав.Типичные номинальные составы чугуна с вермикулярным графитом содержат 3,5…3,8 % углерода, 1,9…2,5 % кремния и 0,1… 0,6 % марганца.

Рис. 9.11. Формы вермикулярного графита: а – извилистая; б – утолщённая

Маркировка и применение. Маркируют чугуны с верми-кулярным графитом буквами ЧВГ и далее следует цифра, обозначаю-щая минимальное значение временного сопротивления разрыву при растяжении, в кг/мм². Для изготовления отливок ГОСТ 28394-89 устанавливает четыре марки чугуна с вермикулярным графитом: ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40, ЧВГ45.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом превосходят серые чугуны и близки к высокопрочным чугунам, а демпфирующая способность и теплофизические свойства ЧВГ выше, чем у высокопрочных чугунов. Чугуны с вермикулярным графитом более технологичны, чем высокопрочные и по жидкотекучести соперничают с серыми чугунами. Для них характерны также высокая обрабатываемость резанием, малая усадка. Чугуны с вермикулярным графитом широко используются в мировом и отечественном автомо-билестроении, тракторостроении, судостроении, дизелестроении, эне-ргетическом и металлургическом машиностроении для деталей, рабо-тающих при значительных механических нагрузках в условиях износа, переменном повышении температуры. Например, ЧВГ ис-пользуется взамен СЧ для производства головок цилиндров крупных морских и тепловозных дизельных двигателей внутреннего сгорания.

Механические свойства графитизированных чу­гунов по сравнению со стальным литьем могут изменяться в следующих соотношениях (табл. 9.1).

Таблица 9.1

Сравнение механических свойств графитизированных чугунов и стали

Отливки, предназначенные для работы в узлах трения, которые должны обладать низким коэффициентом трения, изготавливаются из антифрикционного чугуна (ГОСТ 1585— 85). В обозначениях стан-дартных марок таких чугунов ставится буква А (антифрикционный); например, АЧС-2, АЧВ-1, АЧК-2 и др.

Практическая часть

Поиск по сайту: