В белом чугуне весь углерод находится
в связанном состоянии в виде карбида
железа. Такой чугун в изломе имеет
белый цвет и характерный металлический
блеск. Структура состоит из перлита,
ледебурита и избыточного цементита,
поэтому чугун отличается высокой
твердостью, хрупкостью, низкой
прочностью и трудоемкостью механической
обработки. Из белого чугуна делают
отливки деталей с последующим отжигом
на ковкий чугун. Белые чугуны применяют
для производства стали, поэтому их
называют передельными чугунами.
Ограниченное применение имеют отбеленные
чугуны — отливки из серого чугуна
со слоем белого чугуна в виде твердой
корки на поверхности. Из них изготовляют
прокатные валки, тормозные колодки и
другие детали, работающие в условиях
износа.
Белый
чугун.
Белые чугуны подразделяются на
доэвтектические, эвтектические и
заэвтектические. Доэвтектические белые
чугуны содержат 2,14-4,3% углерода,
эвтектический – 4,3%, заэвтектические –
более 4,3%.
Диаграмма
Fe – Fe3C отражает фазовые превращения,
протекающие в белых чугунах при нагреве
и охлаждении (рис. 1).
Кристаллизация
белых доэвтектических чугунов начинается
с выделения из жидкого раствора кристаллов
аустенина; заэвтектических – с выделения
первичного цементита.
При
температуре 11470C(линия
EF) белые чугуны претерпевают эвтектическое
превращение. Оно заключается в образовании
из жидкого раствора, содержащего 4,3%C,
эвтектической смеси, состоящей из
кристаллов аустенита с концентрацией
углерода 2,14% и кристаллов цементита.
Смесь эта называется ледебуритом.
При
дальнейшем понижении температуры
уменьшается растворимость в аустените
углерода, в результате чего последний
выделяется из аустенита в виде вторичного
цементита.
При
температуре 727oC аустенит претерпевает,
как и в углеродистых сталях, эвтектоидное
превращение.
Рис.
1. Диаграммы метастабильного (сплошная
линия) и стабильного (пунктир) равновесия
железоуглеродистых сплавов.
Таким
образом, структура белого доэвтектического
чугуна при комнатной температуре состоит
из ледебурита, перлита и вторичного
цемента (рис.2, а). Ледебуритная составляющая
представляет собой светлые цементитные
поля с равномерно расположенными на
них темными перлитными участками. Перлит
образует темные зерна; вторичный же
цементит частично виден в виде светлых
выделений по границам перлитных зерен,
а частично сливается с цементитом
ледебурита.
Эвтектический
белый чугун (рис.2, б) имеет в своей
структуре один ледебурит.
Структура
белого заэвтектического чугуна (рис.2,
в) состоит из ледебурита, в матрице
которого расположены крупные призматические
кристаллы первичного цементита,
выделившиеся из жидкого раствора.
Образованию
белого чугуна способствует большая
скорость охлаждения сплава, повышенное
содержание Mg от 0,5 до 1,2% (и более), а также
легирующих элементов (карбидообразователей):
Cr, W, V.
Из-за
большего содержания цементита белые
чугуны обладают высокой твердостью (до
500-700 НВ) и хрупкостью, трудно обрабатываются
резанием на станках, их можно лишь
шлифовать абразивным инструментом.
Поэтому в качестве конструкционных
материалов их применяют редко, используя
только для изготовления деталей,
работающих в условиях повышенного
абразивного изнашивания, т.е. соприкасающихся
в процессе работы с частицами песка,
руды и т.п. (детали гидромашин, пескометов
и др.). Для увеличения износостойкости
белые чугуны легируют Cr, V, Mo и другими
карбидообразующими элементами.
Большее
применение находит так называемый
отбеленный чугун при изготовлении
массивных изделий, обладающих большой
поверхностной твердостью. При этом
химический состав чугуна и скорости
затвердевания отливки подбирают так,
что белый чугун получается лишь на
поверхности, а в середине – серый чугун.
Такие изделия хорошо сопротивляются
износу. Это прокатные валки, вальцы и
шары мельниц, волочильные доски, бандажи
вагонных колес, лемехи плугов и др.
Однако основная часть получаемого
заэвтектического чугуна идет в переплавку,
а доэвтектического на переработку
(специальной термической обработкой)
в ковкий чугун. В судостроении белые
чугуны практически не используются. На
речном флоте из белого (отбеленного)
чугуна отливают роульсы черпаковых
скатов многочерпаковых земонарядов,
шнеки для подборщиков, применяемых при
перегрузке песка, эпатитов и т.п. грузов.
Рис.2.
Структура белого чугуна а) доэвтектического;
б) эвтектического;
Главная » Статьи » Профессионально о сварке » Металлы и сплавы
Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.
Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор. Доставка по всей России!
– разновидность чугуна, имеющая в изломе белый цвет и характерный металлический блеск. Углерод в нем содержится в виде цементита. Присутствие графита в белом чугуне визуально не обнаруживается и определяется лишь химическим путем.
Нелегированный и легированный белый чугун обладают различным химическим составом. Легирование белого чугуна выполняется с целью повышения его износостойкости. Для этих целей применяются карбидообразующие элементы – хром, вольфрам, молибден и др.
Виды выпускаемого белого чугуна
В зависимости кристаллической структуры, а так же наличия и соотношения составляющих элементов белые чугуны подразделяют на:
Отдельным видом выделяют чугунные сплавы с высоким удельным электрическим сопротивлением.
Внутренняя структура обыкновенного белого чугуна содержит углерод в виде цементитных зерен. Количество углерода влияет на температуру плавления и в зависимости от этого чугуны подразделяют на:
- доэвтектические с более низкой температурой плавления, углерода не боле 4,3%;
- эвтектический с содержанием углерода 4,3%;
Эффекта отбеливания чугуна достигают путем быстрого охлаждения отливки, которая в результате получается неоднородной по своему составу. Верхний слой, толщиной до 30 мм, становится белым, а остальная сердцевина представляет собой обычный серый чугун.
Отбеленные чугуны
Данный сплав считается разновидностью белых чугунов. Добиться отбела на 12-30 мм возможно с помощью быстрого охлаждения поверхности железоуглеродистого сплава. Строение материала: поверхностная часть выполнена из белого, серый чугун в сердцевине. Из такого материала изготавливают колеса, шары для мельниц, прокатные валки, которые крепятся в станках для обработки листового проката.
Достоинства и недостатки
Как и все чугунные сплавы, белые отличаются большой прочностью в сочетании с хрупкостью при сильных механических ударах. В числе основных положительных качеств белого чугуна следует назвать:
Важным качеством белых чугунов считается очень хорошая устойчивость к воздействию высоких температур, которая используется для снижения количества трещин в первоначальных отливках.
К основным недостаткам относят такие качества, как:
Образование дефектов при сваривании из-за быстрого выгорания углерода и образования пор.
Свойства
В сравнении с другими металлами, железоуглеродистый сплав имеет такие характеристики и свойства:
Металлическая масса обладает большой коррозийной стойкостью в соляной или азотной кислоте. Если в структуре имеются свободные карбиды, то при помещении чугуна в серную кислоту будет наблюдаться коррозия.
Белые чугуны, в составе которых имеется меньший процент углерода, считаются более устойчивыми сплавами к высоким температурам. За счет повышенной механической прочности и вязкости, что появляются при воздействии высоких температур, минимизируется образование трещин в отливках.
Область применения
Обыкновенный белый чугун используют весьма ограниченно, поскольку он плохо применим к механической и термической обработке. Для производства изделий он часто применяется в виде необработанных или частично обработанных отливок.
Самое широкое применение сплав получил при изготовлении крупных деталей простой конфигурации. Это корпуса и детали станков и прокатных станов, шары для мельниц, приводные и опорные колеса. Кроме этого белый чугун используют для изготовления узлов агрегатов, которые испытывают на себе постоянное воздействие абразивных материалов.
Важным моментом является использование обычного чугуна в качестве сырья для изготовления ковких сортов железоуглеродистых чугунных и стальных сплавов.
Применение
Исходя из вышеперечисленных свойств, можно сделать вывод, что практиковать термическую и механическую обработку белого чугуна не имеет смысла. Свое основное применение сплав нашел только в виде отливки. Следовательно, наилучшие свойства белый чугун получает только при соблюдении всех условий отливки. Данный способ обработки активно применяется, если необходимо изготовить массивные изделия, которые должны обладать высокой поверхностной твердостью.
Помимо этого, производится отжиг белого чугуна, в результате чего получают ковкие чугуны, что служат для изготовления тонкостенного литья, например:
Сплав также используют для изготовления плит с ребристой или гладкой поверхностью, а также активно применяют для производства стали и серого чугуна.
Применение белых чугунов в сельском хозяйстве в виде конструктивного металла довольно ограничено. Чаще всего железоуглеродистый сплав используется для изготовления деталей гидромашин, пескометов и других механизмов, которые могут функционировать в условиях повышенного абразивного изнашивания.
Легирование белого чугуна
Наличие в составе сплава легирующих добавок сильно изменяет его физические свойства, которые значительно расширяют его область применения. В качестве легирующих элементов в металлургии используют очень распространенные вещества.
Для повышения твердости в железоуглеродистый чугунный сплав могут быть добавлены: никель, фосфор, марганец, хром, ванадий, кремний, медь, титан и сера.
В том случае, если количество легирующих добавок примерно равно углеродному содержанию, чугун приобретает предельно возможную твердость.
Износостойкость, как физическая характеристика белого чугуна, рассматривается независимо от его твердости. Ее повышения достигают изменением структуры металла путем добавления карбидов и фосфидов в виде равномерно распределенных включений. Качество отливки деталей напрямую зависит от химического состава сплавов и количества легирующих элементов.
В зависимости от процентного содержания легирующих примесей белый чугун подразделяют на:
- низколегированный до 2,5%;
- среднелегированный до 10%;
Уже готовые отливки из чугуна подвергаются дополнительной температурной обработке (отжигу), в результате которой снимаются внутренние напряжения металла и происходит стабилизация внешних размеров. Температура отжига белого легированного чугуна около 850°C.
Процесс нагрева и охлаждения происходит медленно для исключения образования внутренних трещин и других дефектов.
Легированные чугунные сплавы получили широкое применение в производстве:
Это обусловлено улучшенными качествами металлов по сравнению с обычным белым чугуном.
Виды отжига
Для образования белого чугуна в промышленности применяется скорое охлаждение сплава. На сегодня активно применяются такие основные виды отжига углеродистого сплава:
Нержавеющие сплавы
Для повышения устойчивости белого чугуна к коррозии в него добавляют большое количество хрома. Это приводит к образованию оксидной пленки на поверхности и дальнейшему прекращению доступа кислорода. Кроме этого высокохромистый белый чугун приобретает устойчивость к щелочным растворам, серной и азотной кислоте.
Дополнительно процесс легирования хромом предупреждает возможность коагуляции карбидов при сильном нагреве сплава. Это позволяет получать качественные сварные соединения деталей из белого чугуна. Если в процессе легирования вместе с хромом добавлены никель и молибден, то полученный нержавеющий сплав по прочности можно сравнивать с лучшими жаропрочными сталями, которые намного дороже.
Хромосодержащий белый чугун применяют в случаях тяжелых эксплуатационных условий, присутствия щелочей и окислителей, потребности высокого электросопротивления.
Дополнительна информация
На сегодня доказано, что прямой зависимости не существует между износоустойчивостью и твердостью углеродистого сплава. Только за счет строения, а именно расположения карбидов и фосфидов в виде правильной сетки или в виде равномерных включений, достигается повышенная износоустойчивость.
На прочность белого чугуна наиболее интенсивно оказывает влияние количество углерода, а твердость зависит от карбидов. Наиболее большой прочностью и твердостью отличаются те чугуны, которые обладают мартенситной структурой.
Производство чугуна
Зачатки черной металлургии человек освоили уже во II-ом тысячелетии до н. э. Для получения стали. Но доменные печи появились в Европе только в XIV — XV веках. Чугун был получен как побочный ненужный продукт.
Оценили, когда обратили внимание на выдающиеся литейные качества. Удобен для изготовления пушек-ядер, да и сталь из него получать удобнее.
До России технология осмысленно дошла в XVII веке. Случилось это при Петре I, когда искали материал для оружия.
В качестве сырья обычно используются железняки. Наибольший выход получается из магнитного и красного, обильно содержащие Fe.
Для поддержания температуры используется кокс. Воздух для горения подается принудительно. Флюс (известняк) предназначен для снабжения углекислым газом. Основная реакция:
Восстановленное Fe опускается в горн, где насыщается углеродом. Цикл работы печи – непрерывный.
Чугун содержит углерода
?Чугу?н — сплав железа с углеродом ( и прочими элементами ). Содержание углерода в чугуне не менее 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ) : меньше — сталь. Углерод придаёт сплавам железа крепость и твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ). Обыкновенно, чугун хрупок.
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна : феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил свое название из — за повышенной пластичности и вязкости ( при всем при том, что обработке давлением не подвергается ). Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры : картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
При нормальных температурах структура чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Ледебурит после эвтектоидного превращения представляет собой механическую смесь перлита и цементита. Чугуны с содержанием углерода до 4, 3 % называются доэвтектическими чугунами. такие чугуны называются белыми чугунами , если углерод находится в чугунах в химически связанном состоянии с железом, т.е. в цементите . Микроструктура сплава IV, воображающего собой доэвтектический белый чугун, изображена на рис.
В стандарте Германии DIN 1693 — 506 — 50 в прозвании марки буквы обозначают : G — «gegosen» ( отлито ), G — «gubeisen» ( чугун ), G — «globular» ( шаровой ), 50 — наименьшее значение предела крепости в МПа 10 — 1 ( например, GGG — 50 ). В В большинстве национальных образцов на высокопрочные нелегированные чугуны, регламентирующих механические свойства, химический состав чугунов не оговаривается. Неизбежными для контроля являются предел крепости при растяжении, предел текучести, и относительное удлинение. В образцах всех сторон, за исключением стандартов Германии и США, приводятся контролируемые пределы величин твердости.
Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие ; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.
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).
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.
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.
Литейный серый чугун
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.
Рис. 2. Микроструктуры литейных серых чугунов: а — ферритно-графитная; б — ферритно-перлитная; в — перлитная
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 (σв — 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.).
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)
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.
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.
Высокопрочный чугун
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 σв = 500 МПа (50 кгс/мм2), а относительное удлинение δ = 2 %.
Отдельные марки высокопрочного чугуна имеют твердость до 370 НВ, предел прочности при растяжении σв = 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.
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).
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 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.
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.
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.
Серые чугуны, их маркировка и область применения.
В серых чугунах углерод в значительной
степени или полностью находится в
свободном состоянии в форме
пластинчатого графита. Из-за этого излом
имеет серый цвет.
В зависимости от распада цементита
различают ферритный, феррито-перлитный
и перлитный серые чугуны. Серый чугун
обладает высокими литейными свойствами,
хорошо обрабатывается, менее хрупок,
чем белый чугун, ему присущи хорошие
антифрикционные свойства, что объясняется
пористым строением и наличием графита.
Иногда в структуре чугуна наряду с
графитом содержится ледебурит. Такой
серо-белый чугун называют половинчатым.
Основные его свойства: высокая твердость,
хрупкость и низкая прочность.
Серый чугун широко применяют в
автотракторном и сельскохозяйственном
машиностроении для производства отливок,
поэтому его называют литейным. Из него
изготавливают станины металлорежущих
станков, блоки и гильзы автомобильных
и тракторных двигателей, поршневые
кольца, корпуса и др. Маркируется серый
чугун по ГОСТ 1412-79 буквами СЧ и цифрами,
которые обозначают предел прочности
при растяжении. Например, марка СЧ18
(всего по ГОСТу 11 марок) показывает,
что чугун этой марки имеет Gв=176
МПа.
Выбор марки чугунов для конкретных
условий работы обусловливается
совокупностью технологических и
механических свойств. Ферритные серые
чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 предназначены для
слабо- и средненагруженных деталей:
крышки, фланцы, маховики, диски сцепления
и др. Феррито-перлитные СЧ20, СЧ21, СЧ25
применяют для деталей, работающих при
повышенных статических и динамических
нагрузках: блоков цилиндров, картеров
двигателя, поршней цилиндров, барабанов
сцепления и др. Перлитные серые
модифицированные чугуны СЧЗ0, СЧ35,
СЧ40, СЧ45 обладают наиболее высокими
механическими свойствами и их используют
для изготовления гильз цилиндров,
распределительных валов и др.
Высокопрочные чугуны, их маркировка и область применения.
В высокопрочном чугуне графитовые
включения имеют шаровидную форму. Это
достигается модифицированием чугуна
магнием до 0,5 % от массы чугуна. Шаровидная
форма графита определяет наибольшую
сложность металлической основы и не
создает резкой концентрации напряжений,
поэтому чугун имеет высокую прочность
при растяжении и изгибе. Из высокопрочного
чугуна изготавливают ответственные
детали машин (коленчатые валы, зубчатые
колеса, поршни и др.).
Высокопрочный чугун, так же как и серый,
подразделяют на ряд марок в зависимости
от механических свойств, причем основными
показателями служат предел прочности
при растяжении и относительное удлинение.
Механические свойства зависят от
структуры металлической основы,
которая может быть перлитная,
феррито-перлитная и ферритная. Лучшей
структурой является структура,
состоящая из перлита и шаровидного
графита, окруженного небольшими
островками феррита.
Маркируется высокопрочный чугун по
ГОСТ 7293-79 (всего по ГОСТу 10 марок) буквами
ВЧ и цифрами, из которых первые две
обозначают предел прочности при
растяжении, а последние — относительное
удлинение в процентах. Например, марка
ВЧ 42-12 показывает, что чугун данной
марки имеет Gв=
412МПа и б = 12 %.
