книги / Чугуны. Структура и термическая обработка

3. ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Формирование структуры в чугунах идет в несколько этапов:

при кристаллизации жидкой фазы (первичное структурообразование);

при охлаждении затвердевшего сплава вследствие изме-

нения растворимости углерода в - и -железе (вторичное структурообразование);

вследствие процесса графитизации, который приводит к выделению свободного углерода – графита. Появление графита при первичной кристаллизации обеспечивают подбором химического состава и условий охлаждения расплава; выделение графита при охлаждении затвердевшего сплава – проведением графитизирующего отжига.

Как было показано ранее, в стабильной системе Fe–C–Si и двойной системе Fe–C после полного затвердевания присутствуют одинаковые фазы, поэтому для анализа формирования структуры любого промышленного нелегированного чугуна можно пользоваться традиционной диаграммой Fe–C, с учетом влияния примесей и легирующих элементов на точки S, E, C диаграммы, и кинетическими диаграммами кристаллизации и изотермическими диаграммами распада аустенита 4, 6, 10 . Таким образом, основная задача – определить положение данного промышленного чугуна на двойной диаграмме Fe–C, т.е. его положение относительно эвтектической точки. Для этого используют три параметра: СЭ – углеродный эквивалент, SЭ – степень эвтектичности и SС – степень насыщенности. Их можно рассчитать по упрощенным формулам 7 .

Углеродный эквивалент рассчитывают по упрощенной формуле

CЭ = C + 0,3Si.

21

Если чугун содержит много P, то в формулу можно подставлять сумму Si + P.

Степень эвтектичности SЭ определяют по формуле

%C 0,2 %Si 2,04 SЭ 2,32 0,1 %Si .

Степень насыщенности чугуна SС позволяет оценить эвтектичность чугуна:

Этот параметр показывает насыщение сплава системы Fe–C–Si углеродом по отношению к эвтектической точке.

Следовательно, формирование как первичной, так и вторичной структуры матрицы в обыкновенных чугунах аналогично структурным изменениям в сталях и, регулируя скорость охлаждения отливки на разных стадиях охлаждения, можно изменить структуру и свойства чугуна. Свойства чугунов зависят от количества, формы и распределения графита, что необходимо учитывать.

3.1. Графитизация чугунов

Графитизация – процесс диффузионный и, следовательно, подчиняется всем законам кристаллизации, т.е. результат зависит от числа центров кристаллизации, степени переохлаждения в момент превращения и т.д. Степень переохлаждения регулируют, как правило, изменяя скорость охлаждения сплава; отсюда применение разных материалов для литейных форм. Так, для получения структуры белого чугуна необходимо быстрое охлаждение, т.е. металлические формы (кокильное литье), для серого чугуна – медленное охлаждение, т.е. земляные, песчаные формы. В разностенных отливках разные по толщине стенки охлаж-

22

даются с разной скоростью, что существенно влияет на графитизацию и провоцирует получение половинчатых чугунов (брак отливки), требующих графитизирующего отжига.

Во всех случаях при рассмотрении структурообразования в чугунах необходимо учитывать влияние Si или совместное влияние C + Si. Это наглядно демонстрируют структурные диаграммы (см. рис. 5 в подразд. 1) и табл. 4 7 .

Таблица 4

Скорость охлаждения и механические свойства в разных сечениях чугунной отливки

Примечание. Литье в сухую песчаную форму. Масса отливки 750 кг.

В зависимости от состава и условий охлаждения чугуна различают: первичный графит, кристаллизующийся из жидкости и имеющий, как правило, форму разветвленной розетки, выросшей из одного центра; эвтектический графит, который является ведущей фазой при эвтектической кристаллизации.

При эвтектической кристаллизации может формироваться графит различной формы – пластинчатый, шаровидный.

Вторичный и эвтектоидный графит образуется в соответствии с линией E S стабильной диаграммы, эвтектоидного распада А Ф + Г и распада цементита Fe3C Fe + C.

Вторичный и эвтектоидный графит в серых чугунах наслаивается на уже имеющийся графит, увеличивая размеры включений. В белых чугунах, где нет готовых включений графита, он образует самостоятельную фазу компактной хлопьевидной формы (графитизирующий отжиг белого чугуна на ковкий). Рассмотрим процесс графитизации, происходящий в твердом состоянии согласно схеме, представленной на рис. 11 1 .

23

Модифицирование и легирование влияют на склонность чугуна к графитизации, изменяя как кинетические, так и термодинамические факторы процесса графитизации. Основные эле- менты-графитизаторы в чугунах, как говорилось ранее, это C, Si, Al, Cu, Ni, Ti; элементы, способствующие отбелу, – это Mn, S, Cr, W, V, Mo.

В целом схему структурообразования в чугунах при различных скоростях охлаждения можно представить рис. 12 7 .

Рис. 12. Схема структурообразования в чугунах при различных скоростях охлаждения

25

4. МАРКИ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ

Чугун – наиболее распространенный и дешевый литейный материал в машиностроении, чугунные отливки составляют более 80 % всех отливок. Чугуны обычные и легированные применяют в различных отраслях машиностроения. Например, широко используют антифрикционные чугуны с пластинчатым графитом (АЧС), с компактным и шаровидным графитом (АЧК, АЧВ). При выборе антифрикционного материала необходимо обеспечить минимальный коэффициент трения, что снижает потери на трение и предотвращает большой нагрев трущихся поверхностей, и одновременно достаточную износостойкость и низкую стоимость. В табл. 5 приведено сравнение значений коэффициента трения скольжения различных антифрикционных сплавов. Эти сплавы должны хорошо сохранять и удерживать смазку на поверхности трения при различных температурах, нагрузках и скоростях скольжения 9 .

Таблица 5 Коэффициент трения некоторых антифрикционных сплавов

Изменяя химический и фазовый состав чугунов, можно в широких пределах менять их свойства. Например, повышенное содержание фосфора (до 0,4 %) вызывает образование высокотвердой фосфидной эвтектики, что обеспечивает высокую износостойкость. По износостойкости, работоспособности при высоких значениях давления и низкой стоимости антифрикционные чугуны превосходят цветные сплавы.

Разработка технологии выплавки (электровыплавка) и последующей термической обработки позволяет получать любые марки

26

как белого, так и графитизированного синтетического чугуна, который по своим свойствам превосходит обычные чугуны, хорошо работает при повышенных и при пониженных температурах, устойчив при воздействии знакопеременных и динамических нагрузок. Такие чугуныможноиспользоватьдлялюбыхответственныхдеталей.

Совершенствование состава, условий модифицирования и последующей термической обработки отливок позволяет получать высокопрочные чугуны с ферритной и ферритно-мартенситной матрицей, которые по критической температуре хрупкости 11 и трещиностойкости при статическом и динамическом нагружении конкурируют как конструкционный материал с некоторыми сталями (рис. 13). Предел текучести 0,2 обеспечивает несущую способ-

ность конструкции, Тк (TK12ap ) позволяет оценить склонность материала к хрупкому разрушению.

Рис. 13. Диаграмма конструкционной вязкости высокопрочных чугунов с ферритной структурой металлической основы (область 6):

Критическую температуру TK12ap определяли на основании работы рас-

пространения трещины ар = 12 Дж/см2; область 1 – низкоуглеродистые стали типа Ст3сп, 18Гпс; область 2 – низкоуглеродистые низколегированные стали типа 09Г2С; область 3 – малоперлитные стали (С 0,05 %) с карбонитридным упрочнением в нормализованном состоянии; область 4 – малоперлитные стали после улучшения; область 5 – малоперлитные стали после контролируемой прокатки; область 6 – ферритные

высокопрочные чугуны

27

Влияние содержания углерода и других элементов на TK12ap

показывает рис. 14, механические свойства представлены в табл. 6.

Рис. 14. Влияние содержания углерода (C), кремния (Si), никеля (Ni), меди (Cu) и фосфора (P) на критическую температуру хрупкости высокопрочных чугунов

Таблица 6 Структура и механические свойства чугунов

Приведенные примеры говорят о возможности расширения областей использования чугуна. Сведения по свойствам и применению специальных легированных чугунов широко приведены в справочной литературе 9, 12 .

28

4.1. Серые чугуны

Серый чугун – технологичный литейный материал. Его расплав имеет хорошую жидкотекучесть, хорошо заполняет форму, обладает малой склонностью к образованию усадочных дефектов при затвердевании и охлаждении отливки. Серый чугун можно использовать для отливок самой сложной конфигурации с различной толщиной стенок и разной массой. Например, в станкостроении номенклатура литых деталей включает детали с массой от 0,1 кг до 100 т, с толщиной стенок от 4 до 200 мм. Соответственно, отливки делят на легкие, средние, тяжелые, особо тяжелые и уникальные 1 .

Обрабатываемость резанием серого чугуна лучше, чем у стали, так как наличие графита в структуре обеспечивает легкое отделение стружки и, уменьшая давление на резец, повышает стойкость режущего инструмента.

Технологичность при термической обработке зависит от конкретного химического состава (марки чугуна), литой структуры, геометрии и размеров отливки. Сварка чугуна затруднена и требует специальныхусловий,напримерподогревотливкипередсваркой.

Механические, физико-химические и эксплуатационные свойства зависят, при одинаковом химическом составе, от особенностей микроструктуры, т.е. количества, распределения и соотношения структурных составляющих. На механические свойства в первую очередь влияет графит. В соответствии с ГОСТ 3443–87, пластинчатый графит серого чугуна имеет множество разновидностей по распределению включений (от ПГр1 до ПГр9), количеству графита (по средней относительной площади, занятой графитом, в %), размерам включений (по длине в мкм от ПГд15 до ПГд1000 рассмотрено 8 баллов). Распределение графита мало влияет на прочность и твердость, но существенно изменяет такие служебные свойства, как стойкость против задиров при работе деталей на трение и износостойкость. Наличие в структуре матрицы фосфидной эвтектики и увеличение

29

дисперсности перлита повышают твердость и износостойкость. Увеличение количества графита при одинаковой структуре металлической основы снижает прочность. Чем больше количество графита и крупнее его включения, тем больше в структуре матрицы феррита и тем ниже твердость и прочность чугуна. Сравним прочность ( В, МПа) чугуна, содержащего 3,22 % С

и1,91 % Si, при разной металлической основе:

ферритная матрица – В = 112 МПа;

перлитная матрица – В = 210 МПа;

мартенситная матрица – В = 360 МПа.

Таким образом, основные факторы, определяющие структуру и свойства чугуна – это химический состав и условия охлаждения при кристаллизации и в твердом состоянии. Скорость охлаждения чугуна в отливке зависит от многих факторов. Влияют материал формы (его теплопроводность), конструкция формы, температура (степень перегрева) и количество заливаемого жидкого чугуна, очень существенно – толщина стенки отливки (см. рис. 5, подразд. 1).

4.1.1.Марки и свойства серого чугуна

Всоответствии с ГОСТ 1412–85 серые чугуны маркируют буквами (С – серый, Ч – чугун) и цифрами, показывающими

минимальную прочность на растяжение В, кг/мм2, или В·10–1, МПа. Прочность определяют при испытании образцов из стандартной литой заготовки диаметром 30 мм, поэтому всегда важно обращать внимание на толщину стенки отливки. Наиболее ходовые марки серых чугунов, их химический состав и механические свойства приведены в табл. 7, 8, зарубежные аналоги – в табл. 9 2, 7 .

Серые чугуны плохо работают на растяжение, лучше – на изгиб и хорошо – на сжатие, что следует учитывать в геометрии деталей при выборе материала. Минимальные значения прочности при изгибе ( изг) и сжатии ( сж) приведены в табл. 10.

30