СЕРЫЙ И ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН

Структура чугуна

В отливках конструкционного назначения из серого и высокопрочного чугуна структура матрицы в большинстве случаев - перлит и различное количество феррита, а также включения фосфидной эвтектики. Классификация структур в этих отливках приведена в ГОСТ 3443-57. Графитовая составляющая структура характеризуется количеством, формой, величиной и распределением включений.

Наиболее высокими механическими свойствами (при износостойкости) обладает чугун, металлическая основа которого (при благоприятном распределении включений графита) имеет так называемую игольчатую структуру.

Особенностями структуры матрицы высокопрочного чугуна с шаровидным графитом являются: а) расположение феррита преимущественно в виде оторочек вокруг включений шаровидного графита; б) более тонкое, чем у серого чугуна, строение пластинчатого перлита, часто напоминающее сорбитообразный перлит. Излом высокопрочного чугуна с шаровидным графитом более светлый и мелкозернистый, чем серого чугуна. Химический состав является одним из основных параметров при выборе чугуна для конкретной детали.

По химическому составу чугуны разделяют две большие группы: а) нелегированные и б) легированные. Основными элементами, входящими в состав чугунов группы а, являются C, Si, Mn, P и S. К группе б относятся чугуны, в состав которых, кроме перечисленных элементов, входят специальные, так называемые легирующие элементы: обычно Ni, Cr, Cu, реже Мо; в последнее время для легирования чугуна используются также небольшие добавки B, Sn и Тi. Легированные чугуны условно подразделяют на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. Первые являются в основном конструкционными, последние - специальными.

Влияние каждого из элементов химического состава чугуна на его структуру и свойства зависит от многих факторов (концентрация данного элемента, соотношение между его содержанием в чугуне и содержанием других элементов, температурного режима плавки и заливки, модифицирования и др.).

Технология плавки. Свойства серого и высокопрочного с шаровидным графитом чугуна зависит от температуры перегрева жидкого чугуна, температуры заливки, характера шихтовых материалов, технологии формы.

В сером чугуне (с пластинчатым графитом) перегрев в пределах 1400-1500 оС повышает предел прочности. По мере повышения содержания кремния эффективность влияния перегрева снижается, и при содержании кремния 2,7-2,9% перегрев приводит уже к снижению прочности. Перегрев, совмещенный с выдержкой расплава при 1500 оС, во всех случаях способствует повышению прочности; выдержка расплава особенно благоприятна для высококремнистых чугунов.

В чугунах с умеренным содержанием углерода (3,2-3,5%) модуль упругости несколько повышается при перегреве расплава и выдержке при 1500 оС; твердость по Бринелю повышается с увеличением выдержки при 1500 оС.

В высокопрочном чугуне с шаровидным графитом перегрев в пределах 1400-1500 оС повышает предел прочности. В перлитно-ферритном чугуне повышение перегрева расплава способствует увеличению пластичности. Выдержка расплава при 1500 оС оказывает благоприятное влияние на удлинение и ударную вязкость только при условии, что ее длительность не превышает 10 мин.

Для высокопрочного чугуна с шаровидным графитом соблюдение температурного режима при вводе сфероидизирующих добавок (магния или его сплавов) определяет степень условия магния и необходимую температуру жидкого чугуна при заливке форм. Особенностью состава шихты при выплавке высокопрочного чугуна является отсутствие или низкое количество (менее 20%) стального лома. Получение высокопрочного чугуна с повышенными показателями пластических свойств требует применения низкофосфористых шихтовых материалов.

Скорость охлаждения зависит от конструкции или приведенной толщиной отливки, температуры заливки, химического состава чугуна, теплофизических свойств материала формы и ее температуры.

Зависимость скорости охлаждения от толщины отливки весьма сложна. В первом приближении скорость охлаждения может быть принята обратно пропорционально толщине отливки (с - для плоской и диаметру d - для круглой отливки); приведенная толщина R равна соответственно с/2 и q/4

Модифицирование чугуна заключается в обработке его в жидком состоянии небольшими количествами присадок (силикокальция, ферросилиция, силикоалюминия, магния или его сплавов и др.). Рассмотрим модифицирование, в результате которого получается графитизация с образованием включений графита пластинчатой формы (модифицированный серый чугун), и модифицирование, приводящее к получению в литом состоянии шаровидных включений графита ( высокопрочный чугун).

Модифицированный серый чугун. Влияние скорости охлаждения на структуру в модифицированном сером чугуне значительно меньше, чем в не модифицированном, что обеспечивает однородность свойств в различных сечениях отливки.

Модифицированием конструкционного серого чугуна достигаются: повышение прочности (σв = 30/40кГ/мм2) при сохранении хорошей обрабатываемости; однородность свойств в различных частях отливок, отличающихся резкими переходами в сечениях; повышение износостойкости; уменьшение "роста" чугуна при нагревах; повышение плотности отливок; снижение внутренних напряжений; повышение коррозионной стойкости; предотвращение образования сетчатой структуры графита с дендритной ориентацией включений (в частности, при высоких температурах выпуска и заливки жидкого металла, при высоком содержании стали в шихте и при наличии тонких сечений в отливках). Модифицирование специального (легированного) чугуна повышает его обрабатываемость и прочность.

Высокопрочный чугун. Модифицирование жидкого чугуна магнием или его сплавами приводит к получению шаровидной формы графита; одновременно значительно уменьшается содержание серы в чугуне (ниже 0,03%). Такой чугун обладает более высокими (в2-2,5 раза) механическими свойствами по сравнению с серым чугуном аналогичного состава, кроме того, может обладать различной степенью пластичности. Высокопрочный чугун является важным конструкционным материалом, в котором сочетаются многие ценные стали и чугуна.

Важнейшими особенностями высокопрочного чугуна являются: высокая прочность (σв = 45/80 кГ/мм2, иногда до 120кГ/мм2); высокое отношение пределов текучести и пропорциональности к пределу прочности; наличие пластичности, достигающей для отдельных марок этого чугуна значительных величин; меньшая, чем у стали (но большая, чем у серого чугуна), чувствительность к концентратам напряжений; хорошая восприимчивость к термической обработке, в результате которой можно существенно изменять структуру и свойства отливок; более медленное, чем у углеродистой стали, снижение прочности при нагреве до умеренно высоких температур (450-500 оС).

Коррозионные свойства высокопрочного чугуна (нелегированного) при комнатной температуре примерно аналогичны коррозионным свойствам литой углеродистой стали, а теплопроводность на 10-15% ниже, чем у серого чугуна.

Высокопрочный чугун обладает повышенной склонностью к объемной усадке при сохранении обычной(для чугуна) величины линейной усадки; удовлетворительной обрабатываемостью резанием; может подвергаться автогенной резке; легко сваривается газовой сваркой с применением стержней из чугуна, содержащего магний, и с получением шва, равнопрочного основному металлу.

Термическая обработка. Снятие напряжений происходит в результате низкотемпературного отжига. Для обычного чугуна эта обработка осуществляется при температуре 500-600о С. Дальнейшее повышение температуры нагрева приводит к понижению механических свойств, как это видно из следующих данных:

Температура отжига в оС 480 540 595 650 700
σв в кГ/мм 17,6 17,6 16,8 14,0 13,4
σви в кГ/мм 41,6 41,4 40,5 35,8 32,5

Для легированного чугуна с игольчатой структурой металлической основы при нагреве до 350 оС происходит повышение механических свойств на 20-35%.

Термическая обработка для снижения твердости применяется с целью улучшения обрабатываемости и достигается отжигом, режим которого зависит от состава и структуры чугуна. При этой обработке прочность чугуна понижается. Изменение механических свойств серого чугуна в результате отжига при температуре 700оС с различной выдержкой приведено в таблице 11.

Повышение твердости с целью повышения износостойкости достигается закалкой с последующим отпуском или нормализацией. Когда необходимо местное повышение твердости, проводят или поверхностную закалку, или химико-термическую обработку (азотизацию). При термической обработке для повышения твердости имеет значение прокаливаемость чугуна, которая зависит от его состава.

Значения механических свойств после двойной термической обработке зависят от температуры отпуска, состава чугуна и толщины отливки. Применительно к высокопрочному чугуну с шаровидным графитом разработаны режимы термической обработки, дающие возможность в значительных пределах регулировать структуру и свойства этого чугуна.

Механическое поверхностное упрочнение. Методы поверхностного упрочнения, разработанные применительно к стальным изделиям, эффективны и для отливок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Влияние поверхностного упрочнения на усталостную прочность характеризуется следующими данными [8] : если, например, принять предел выносливости шлифованных, как гладкого, так и надрезанного, образцов за 100%, то после обкатывания роликами этот предел выносливости для гладкого образца будет равен 126%, а для надрезанного образца - 185%.

Классификация отливок из серого и высокопрочного чугуна.

Отливки из серого и высокопрочного чугуна можно условно разделить на 3 группы: а) конструкционные; б) со специальными физическими свойствами; в) антифрикционные.

К конструкционным относятся отливки, основными свойствами которых должна быть повышенная прочность (и износостойкость); в эту группу входит основная масса применяемых в машиностроении.

В таблице 14, 15, 17 приведены данные о механических свойствах основных типов серого и высокопрочного чугуна. Примерный перечень конструкционных отливок из серого чугуна по основным отраслям машиностроения с указанием типичного химического состава приведен в таблице 16. Химический состав высокопрочного для отливок различной толщины приведены в таблице 19.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом значительно расширяет области применения чугуна в многочисленных отраслях машиностроения. Основным назначением высокопрочного чугуна является замена ряда отливок и поковок из стали и отливок из ковкого чугуна, а также снижение веса и повышение срока службы и надежности деталей, ранее отливавшихся из серого чугуна.

В таблице 20 приведена характеристика антифрикционного чугуна в соответствии с ГОСТ 1585-57, предусматривающим три основных типа антифрикционного чугуна; серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий. Каждый тип чугуна имеет, кроме того, градацию в зависимости от состояния вала и условий нагружения.

Регламентируемыми характеристиками являются микроструктура, твердость и содержание легирующих элементов. К отливкам чугуна со специальными физическими свойствами относятся жаростойкие, коррозионностойкие, немагнитные (таблицы 21 22 23). Чугун со специальными физическими свойствами обычно относится к категории высоколегированного и по строению матрицы может быть разделен на три большие группы: аустенитный, с игольчатой структурой, мартенситный.

Группу аустенитного чугуна составляют: а) коррозионностойкие; б) с низким коэффициентом теплового расширения; в) немагнитный; г) жаростойкий. Типичным представителем коррозионностойкого чугуна является чугун ЖЧНДХ 15-7-2. НА этой основе имеются различные варианты составов в зависимости от предъявляемых требований (таблицы 21 22 23). Чугун этого типа может применяться и при низких температурах; при этом необходимо предусмотреть содержание марганца >= 0,9%, никеля >= 15,5%, а меди >= 7% (можно применять сплав и без меди, но тогда содержание никеля должно быть >= 22%).

Физические свойства чугуна со специальными свойствами

Удельная теплоемкость в кал/Г (при 20 оС) - 0,119
Удельный вес в кал/см3 - 7,5-7,6
Теплопроводность в кал/см2 o сек * оС - 0,095
Коэффициент теплового расширения 18 * 10 1/оС
(в пределах до 1000 оС)
Электросопротивление в мк * ом/см3 - 130
Температурный коэффициент электросопротивления 1/оС - 0,000318
( в пределах 20-430 оС)
Твердость ~ НВ 120-170

Чугун с малым коэффициентом теплового расширения имеет аустенитную структуру. Коэффициент теплового расширения зависит от содержания никеля. Основные свойства типичного аустенитного чугуна с малым коэффициентом теплового расширения ( чугун содержит 34-36% Ni):

Пределы прочности в кГ/мм2:
При растяжении - 14-17,5
При сжатии - 56-70
При кручении - 21-24,5
Стрела прогиба в мм - 15,2-22,9
Модуль сдвига в кГ/мм2 - 3150
Модуль упругости (при напряжении, равном 25% предела прочности) в кг/мм2 - 7350
Предел усталости в кГ/ мм2 - 6,9
Твердость НВ - 100-125
Разрушающая ударная нагрузка в кГм (обычный серый чугун - 3,2 4,5 кГм) - 19,5
Удельный вес в Г/см3 - 7,6
Температура плавления в оС - 1230
Теплопроводность в кал/см2 * oС - 0,094
Удельное сопротивление мк*Ом/см3 - 100-170

Особенностью аустенитного немагнитного чугуна является замена части никеля марганцем с целью дальнейшего снижения магнитной проницаемости. Типичные характеристики немагнитного чугуна приведены в таблице 24.

Жаростойкий чугун (таблице 21) можно разделить на низколегированный и высоколегированный. Следует обратить внимание на возможность значительного повышения жаростойкости чугуна при получении в нем шаровидной формы графита. Это положение отражено в ГОСТ 7769-55 и нашло свое дальнейшее развитие в разработке новой марки высокожаростойкого чугуна с шаровидным графитом. Это положение отражено в ГОСТ 7769-55 и нашло свое дальнейшее развитите в разработке новой марки высокожаростойкого чугуна с шаровидным графитом, легированного алюминием. Химический состав этого чугуна [122]: 2,0-2,5% С; 1,0-1,5% Si; 0,6-0,8% Mn;

19,0-25,0% Al; <= 0,15% Р. Механические свойства: σ в (при 20 оС) = 30/36 кГ/мм2 . Расплавленный чугун обрабатывается церием или мишметаллом отдельно или совместно с силикокальцием. Чугун является высокожаростойким: он может быть использован для деталей, работающих при температуре до 100 оС. Области его применения: футерованные плиты для камер сгорания газовых турбин, фурмы доменных печей, деталей обжиговых печей и т.п.

Особую группу легированного чугуна составляет чугун, предназначенный, для работы в условиях абразивного износа (таблице 25). Основным легирующим элементом чугуна является хром: кроме того в его составе имеется никель или молибден, в отдельных случаях проводят дополнительное легирование титаном и бором.

Высокая стойкость этого чугуна в условиях абразивного износа обусловливается большим количеством сложнолегированных карбидов, микротвердость которых составляет НV 800-1800. Для повышения твердости матрици часто применяют закалку на мартенсит.

Таблица 10.Относительное влияние важнейших элементов на разные стадии графитизации.
Таблица 15. Механические свойства высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (по ГОСТ 7293-54)
Таблица 16. Марки и примерные составы серого чугуна для отливок, применяемого в основных отраслях машиностроения
Таблица 17. Механические свойства модифицированного
Таблица 18. Химический состав и твердость сортопрокатных валков из чугуна с шаровидным графитом
Таблица 19. Химический состав высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Таблица 20. Отливки из антифрикционного чугуна (по ГОСТ 1585-57)
Таблица 21. Отливки из жаростойкого чугуна (по ГОСТ 7769-55)
Таблица 22. Отливки из серого чугуна со специальными физическими свойствами
Таблица 23. Химический состав чугуна со специальными свойствами (нирезист) в %
Таблица 24. Немагнитный чугун
Таблица 25. Чугун для отливок в условиях абразивного износа

ЗАО "УЗЦМ" ©2005-2006
Связаться с вебмастером
ЗАО "УЗЦМ" г. Уфа тел/факс +7 (347) 252-29-05, 292-56-85 uzcmufa@mail.ru