книги / Чугуны. Структура и термическая обработка

Таблица 8

Механические свойства серого чугуна в стенках отливки различного сечения (прил. 1 ГОСТ1412–85)

с увеличением прочности заметно снижаются, что связано, очевидно, с влиянием количества и распределения графита и, следовательно, нарушением сплошности металлической матрицы графитом.

31

Таблица 10

Механические свойства серого чугуна при статическом нагружении

Все серые чугуны разрушаются хрупко, их относительное удлинение не превышает 1 % (обычно 0,5 %); ударная вязкость (KС) лежит в пределах 10–80 кДж/м2, и она тем больше, чем выше В у чугуна, что обеспечивает для высокопрочных серых чугунов большую устойчивость против ударов при циклических ударных нагрузках. Так, при В = 300 МПа число ударов до излома – 2248, а при В = 350 МПа – уже 24 900.

При циклических ударных испытаниях оценивают либо число ударов до разрушения (табл. 11), либо суммарную энергию многократных ударов до разрушения (табл. 12) 9 .

Серые чугуны, благодаря неоднородности структуры, хорошо гасят вибрацию (рис. 15).

32

Таблица 11

Ударная вязкость и сопротивление удару серого чугуна различной прочности

Таблица 12

Ударная вязкость и сопротивление удару серого чугуна с различной структурой матрицы

Рис. 15. Виброграммы (а) и кривые циклической вязкости (б) серого высокопрочного чугуна, а также стали 45

33

Циклическую вязкость ( ), или демпфирующую способность определяют отношением величины потери энергии ко всей упругой энергии цикла:

φ An2 2An2 1 100%,

An

где An и An+1 – амплитуды предыдущего и последующего колебаний.

Циклическая вязкость ( ) с повышением прочности чугуна (от СЧ 10 до СЧ 35) снижается:

Физические свойства серого чугуна

Все теплофизические свойства серых чугунов, как и механические, структурно чувствительны и зависят от соотношения структурных составляющих. Например, теплоемкость (C (Дж/кг·К)) разных фазовых составляющих в зависимости от температуры следующая:

Теплопроводность ( , Вт/(м·К)):

Феррит

Перлит

Цементит Графит:базису

базису 84

34

Основные физические свойства чугунов разных марок приведены в прил. 2 ГОСТ 1412–85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».

4.1.2. Служебные (эксплуатационные) свойства

Основные свойства и соответствующие требования по прочности, твердости и структуре обычных чугунов от СЧ 10 до СЧ 35 рассмотрены ранее. Повышение прочности СЧ можно обеспечить модифицированием и микролегированием чугуна и термической обработкой отливок.

Модифицирование для повышения прочности позволяет устойчиво получать чугуны марок СЧ 30, СЧ 35 и даже СЧ 40 и СЧ 45. Правильный выбор модификатора (ферросилиций ФС75л с активными добавками типа Ba, Ca и др.), перегрев (до 1440–1460 С) жидкого чугуна перед модифицированием и строгое соблюдение технологии модифицирования позволяют предотвратить отбел в тонких сечениях, обеспечить выделение в структуре тонкостенных отливок равномерно распределенного пластинчатого графита и уменьшить разницу в прочности и твердости между разными по толщине стенками отливок.

Серые чугуны широко используют для деталей, работающих на износ. Это шестерни, тормозные колодки, направляющие станков, поршневые кольца и другие детали. При трении со смазкой включения графита впитывают смазку, кроме того, смазка удерживается в полостях от выкрошившегося графита. Сам графит при его выкрашивании становится твердой смазкой. Вследствие этого чугун, как антифрикционный и износостойкий материал, применяется в широком диапазоне скоростей и нагру-

зок 7, 9, 12, 13 .

При работе чугунных отливок в воздушной среде при повышенной температуре поверхностная стойкость против окисления сохраняется только до 450–500 С. Для повышения жаростойкости чугуны легируют Si, Cr, Ni, Al 9, 12 . Модифициро-

35

вание серого чугуна, измельчая графит, повышает стойкость к окислению и ростоустойчивости. Жаростойкость серого чугуна ниже, чем ковкого и высокопрочного, так как окисление активно идет по границам включений графита. Влияние компактности графита на окисление чугуна на воздухе и в среде CO2 + CO характеризуют данные табл. 13.

Таблица 13

Влияние компактности графита на окисление чугуна

Коррозионная стойкость (стойкость против электрохимической коррозии) у обычных серых чугунов низкая, как в атмосферных условиях, так и в пресной и морской воде; однако по сравнению с углеродистыми сталями потери при коррозии серого чугуна меньше. Для работы в слабоагрессивных средах применяют чугуны с малыми добавками Cr, Ni, Cu, а в высокоагрессивных – высоколегированные чугуны, например высоколегированные (Cr, Ni) аустенитные чугуны. Сравним скорость коррозии чугунов и стали по данным табл. 14.

36

На коррозионную стойкость серого чугуна существенно влияет плотность отливки, значительно больше, чем химический состав и структура.

Для деталей двигателей внутреннего сгорания, работающих в агрессивных газовых средах, применяют перлитные низколегированные (Cr, Ni, Mo, Cu) чугуны с пластинчатым и шаровидным графитом типа ЧНХТ, ЧНХМД. Примеры применения таких чугунов приведены в табл. 15 9 .

Таблица 15

Основные эксплуатационные свойства и область применения низколегированных коррозионностойких чугунов

37

4.2. Высокопрочные чугуны

Высокопрочные чугуны включают две группы по форме графита: классические высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным графитом (ЧШГ) и чугуны с вермикулярным (червеобразным) графитом (ЧВГ), который представляет собой короткие неразветвленные включения и подобно пластинчатому графиту (ПГ) имеет форму взаимосвязанных лепестков с меньшими размерами и округлой формой кромок. Согласно ГОСТ 3443–87, в ЧВГ различают три формы включений: узелковая (ВГ ф1), извилистая (ВГ ф2) и утолщенная (ВГ ф3).

В структуре отливок из ЧВГ всегда содержится до 20–30 % шаровидного графита звездообразной (ШГ ф2), компактной (ШГ ф3) или глобулярной (ШГ ф4) формы.

Получают высокопрочные чугуны путем двойного модифицирования жидкого чугуна перед разливкой. На первом этапе в жидкий чугун вводят: магний, кальций, РМЗ или комплексные присадки, содержащие эти вещества в различных сочетаниях; затем – дополнительное графитизирующее модифицирование для предотвращения отбела, снижения склонности к образованию усадочных, т.е. получения более плотной отливки с однородной структурой матрицы. В качестве таких добавок (инокуляторов) применяют ФС75 или ФС80, содержащий примеси Ca, Ba, Al и других элементов. Получение ЧВГ требует очень строгого контроля остаточного содержания модифицирующих элементов (Mg, Ce) и S. Незначительные отклонения от оптимальных концентраций магния (0,015–0,025 %) и серы (менее 0,015 %) приводят к образованию не вермикулярного, а пластинчатого или шаровидного графита. До 1968 г. получение ВГ рассматривали как результат неправильного модифицирования и только с 1968 г. ЧВГ стали использовать как самостоятельный вид чугуна, когда было показано, что при содержании в структуре чугуна ВГ не менее 80–90 %, остальное ШГ (ПГ не допускается) 9 . ЧВГ обеспечивает специфическое сочетание физико-механи-

38

ческих, технологических и эксплуатационных свойств. Структура металлической основы при этом ферритная (рис. 16) либо ферритно-бейнитная (рис. 17).

Таким образом, вермикулярный графит (ВГ) является промежуточной формой между пластинчатым и шаровидным графитами.

Рис. 16. Типичная микроструктура ЧВГ, 200

Рис. 17. Микроструктура типа твердый глаз ферритно-бейнитного ЧВГ с оторочками верхнего бейнита вокруг ВГ, 200

39

4.2.1. Чугуны с шаровидным графитом

Чугуны с шаровидным графитом получают из жидкого низкосернистого (до 0,01–0,02 % S) или низкофосфористого (до 0,1 % и до 0,05 % P в толстостенных отливках) чугуна путем модифицирования магнием или церием с последующим введением ферросилиция. Содержание углерода в жидком чугуне должно быть не менее 3,6 %, а содержание кремния 1,5–2,5 % в зависимости от массивности отливки. Изменяя содержание Si, который и определяет возможность затвердевания чугуна по стабильной системе, получают разную структуру металлической основы и, следовательно, определенный уровень механических свойств, т.е. различные марки чугуна. Рекомендуемый химический состав ЧШГ регламентирует ГОСТ 7293–85 (табл. 16). Этот же ГОСТ указывает механические свойства в литом состоянии (табл. 17).

Таблица 16

Рекомендуемый химический состав ЧШГ (по ГОСТ 7293–85)

40