ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ. Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода

 

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2, 14 % углерода. В машиностроении чугун является одним из основных литейных материалов, прежде всего из-за хороших литейных свойств. Он не подвергается обработке давлением. Главным фактором, определяющим свойства, а, следовательно, и область использования чугуна, является его структура, которая может быть весьма разнообразной.

По структуре чугуны делят на белые (БЧ), серые литейные (СЧ), ковкие (КЧ) и высокопрочные (ВЧ). Серыми литейными называют чугуны, в структуре которых высокоуглеродистой фазой является графит пластинчатой формы (ПГ, рис. 6.1). В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную (ХГ) форму (рис. 6.2), в высокопрочных – шаровидную (ШГ, рис. 6.3). Включения графита располагаются в металлической основе (матрице), которая может быть ферритной, перлитной или ферритно-перлитной.

 

Рис. 6.1. Микроструктура серого литейного ферритного чугуна. Х 200

 

 

Рис. 6.2. Микроструктура ковкого перлитного чугуна. Х 200

 

 

Рис. 6.3. Микроструктура высокопрочного феррито-перлитного

чугуна. Х 200

 

Белые чугуны имеют белый блестящий излом, подобно сталям кристаллизуются по диаграмме метастабильного равновесия системы Fe – Fe₃C (см. рис. 4.4, а). В них практически весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Процесс структурообразования в белых чугунах рассмотрен в работе 4.

Белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектические белые чугуны содержат 2, 14...4, 43 % углерода. Они состоят из перлита (Ф + Ц) и ледебурита (П + Ц). Перлит имеет дендритное строение, которое он наследует от аустенита первичного, кристаллизующегося из жидкости и затем превращающегося в перлит (при 727 ⁰С). Основой структуры является эвтектика – ледебурит, состоящая из цементита и расположенного в нем перлита сравнительно высокой дисперсности (рис. 6.4).

Белый эвтектический чугун содержит 4, 43 % углерода. Его структура (рис. 6.5.) – ледебурит (П + Ц). 3аэвтектические белые чугуны являются сплавами с повышенным содержанием углерода (более 4, 43 %), имеют структуру Л(П + Ц) + Ц_I (рис. 6.6.). В матрице ледебурита расположены крупные пластинчатые кристаллы цементита первичного.

 

 

Рис. 6.4. Микроструктура белого доэвтектического чугуна:

перлит, ледебурит и цементит вторичный. Х 200

 

Массовые доли фаз и структурных составляющих чугунов могут быть определены с помощью правила отрезков. Применив его, можно убедиться, что относительное содержание твердой и хрупкой фазы – цементита возрастает с повышением содержания углерода в сплаве. Например, в структуре белого чугуна с 3 % С находится около 45 % цементита и 55 % феррита, в чугуне с 4, 43 % С доля цементита возрастает до 66 %.

 

 

Рис. 6.5. Микроструктура белого эвтектического чугуна:

ледебурит. Х 200

 

 

 

Рис. 6.6. Микроструктура белого заэвтектического чугуна:

ледебурит и цементит первичный. Х 200

 

Из-за большого содержания цементита белые чугуны имеют повышенную хрупкость и низкие показатели механических свойств. Поэтому в качестве конструкционных материалов их применяют редко, используя только для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного абразивного изнашивания (детали гидромашин, пескометов и др.). Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют хромом, ванадием, молибденом и другими карбидообразующими элементами.

Если отливку из белого доэвтектического чугуна подвергнуть специальному графитизирующему отжигу, структура чугуна изменится, и он приобретет высокую прочность и удовлетворительную пластичность. Такой отожженный чугун называется ковким.

При выборе режимов термической обработки чугуна, в том числе и режима графитизирующего отжига, необходимо помнить о существовании двух диаграмм состояния железоуглеродистых сплавов – метастабильного и стабильного, т. е. учитывать, что эвтектоидное (и эвтектическое) превращение в чугунах происходит в интервале температур А₁ ® А₁¢. Величина этого интервала и его расположение относительно равновесной температуры (t_PSK) определяются химическим составом чугуна.

Отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и обычно ведется по графику, показанному на рис. 6.7.

Рис. 6.7. График отжига на ковкий чугун

Рекомендуемый химический состав заливаемого в формы сплава следующий: 2, 4...2, 9 % С; 1, 0...1, 6 % Si; 0, 3...1, 0 % Мn. Содержание углерода и кремния подбирается из расчета Si + С £ 3, 8 %. При таком составе сплава и ускоренном охлаждении (для этого толщина стенок отливки не должна превышать 20 мм, в отдельных случаях 50 мм) в отливке формируется структура белого доэвтектического чугуна П + Л(П + Ц) + Ц_II. После охлаждения отливку отжигают.

Графитизирующий отжиг состоит обычно из двух стадий. Первую рекомендуется проводить при 950...1050 ⁰С. При более высоких температурах возможно оплавление отливок, расположенных вблизи от нагревателей, что недопустимо. Длительность первой стадии отжига подбирается в каждом конкретном случае такой, чтобы весь цементит, находящийся в структуре отливки (А + Ц), распался на А + ХГ.

Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига при эвтектоидном превращении. В случае непрерывного охлаждения отливки в области эвтектоидной температуры аустенит распадается на перлит пластинчатый. Получается ковкий чугун с перлитной металлической основой (рис. 6.2.). Он обладает высокими твердостью (НВ = 2350...3050 МПа) и прочностью (s_B = 650...800 МПа) в сочетании с небольшой пластичностью (d = 3, 0...1, 5 %). Для повышения пластичности при сохранении достаточно высокой прочности проводится непродолжительная (2...4 ч) изотермическая выдержка чугуна или замедленное охлаждение при температурах 690...650 ⁰С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит. Перлит пластинчатый переходит в перлит зернистый путем сфероидизации (округление) пластин цементита.

Наряду с ковким чугуном с основой перлит зернистый широко распространен в машиностроении ковкий ферритный чугун, характеризующийся высокой пластичностью (d = 10...12 %) и относительно низкой прочностью (s_B = 370...300 МПа). Ферритная основа чугуна образуется при очень медленном прохождении интервала 760...720 ⁰С или в процессе изотермической выдержки при 720...700 ⁰С.

Здесь аустенит и цементит, в том числе и цементит перлита, если перлит успел образоваться, распадаются на Ф + ХГ. Продолжительность отжига в целом составляет 20...40 ч (при этом длительность второй стадии примерно в 1, 5 раза больше, чем первой). Для сокращения продолжительности отжига белого чугуна на ковкий, что экономически целесообразно, используют ряд приемов. Чтобы ускорить распад цементита, первую стадию отжига проводят при повышенных температурах (1000...1050 ⁰С).

Процесс графитообразования облегчается при введении в расплав чугуна перед его разливкой по формам небольших доз некоторых элементов (модифицирование), создающих дополнительные искусственные центры образования графита. Например, при производстве тонкостенного литья с толщиной стенки h < 20 мм вводят алюминий из расчета 0, 015... 0, 025 % от массы сплава. В случае толстостенного литья (h до 50 мм) вводят бор (0, 001...0, 003 %). Образующиеся тугоплавкие высокодисперсные оксиды Аl₂O₃ и нитриды АlN, ВN являются центрами кристаллизации графита. В качестве таких центров могут выступать и другие элементы (висмут, теллур, титан). Чугун с модифицирующими добавками называется модифицированным.

Для получения в модифицированном КЧ перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца до 1, 2 %, хрома и некоторых других элементов. Марганец (хром), растворяясь в цементите, повышает его устойчивость к распаду на Ф и ХГ в области эвтектоидных температур. Для получения ферритно-перлитной основы продолжительность второй стадии отжига сокращают.

Согласно ГОСТ 1215 – 79, выпускаются следующие марки ковких чугунов: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1, 5. Первые две цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (s_B, кгс/мм²), цифры после тире – относительному удлинению при растяжении (d, %). Первые четыре марки, имеющие повышенные значения d, относятся к ферритным чугунам, все последующие – к перлитным.

Перечень литых изделий из КЧ весьма разнообразен - пробки, гайки, втулки, фланцы, кронштейны, ступицы, тормозные колодки, коленчатые валы и др. Толщина их стенок составляет 3...50 мм, масса деталей – от нескольких граммов до нескольких тонн.

Существенным недостатком технологического процесса получения КЧ является длительный отжиг отливок и ограничение толщины их стенок (до 50 мм). В массивных отливках в результате замедленного охлаждения при первичной кристаллизации возникает пластинчатый графит (ПГ), который снижает прочность и пластинчатость металлической основы чугуна.

Структура серого литейного чугуна (см. рис. 6.1) формируется непосредственно при кристаллизации его в отливке в соответствии с диаграммой стабильного равновесия системы Fe – С. Характер структурообразования при эвтектическом превращении определяется, прежде всего, содержанием углерода и кремния в сплаве, а также скоростью охлаждения. Установлено, что чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по диаграмме стабильного равновесия с образованием графитной эвтектики по схеме

Ж_C¢ ^t_{E¢ C¢ F¢} ® А_E¢ + ПГ

Обычно в серых чугунах содержится 3, 0...3, 7 %С; 1, 2...2, 6 % Si. Содержание элементов (%) подбирают так, чтобы C + Si/3 = 4, 3. При удовлетворении этого условия чугун получается эвтектическим и обладает хорошими технологическими свойствами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.).

Высокое содержание кремния в сером чугуне объясняется тем, что кремний является сильным графитообразующим элементом. Растворяясь в аустените, кремний способствует уменьшению растворимости углерода в нем. В результате жидкая фаза обогащается углеродом, и процесс образования графита облегчается. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют графитизирующими добавками (алюминий, кальций, церий).

При медленном охлаждении сплав не переохлаждается до эвтектической температуры (t_ECF на диаграмме метастабильного состояния, см. рис. 4.4.), и расплав кристаллизуется по диаграмме стабильного состояния с образованием графитной эвтектики

 

Ж_C¢ ^t_{E¢ C¢ F¢} ® А_E¢ + ПГ.

Если же появляется некоторое количество цементита (Ж ® А+ПГ+Ц), то он при наличии кремния теряет устойчивость и быстро распадается с образованием А+ ПГ.

Металлическая основа серых чугунов, как и ковких, формируется из аустенита при эвтектоидном распаде. Образование перлита (диаграмма метастабильного состояния, область t_PSK) происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Получается серый литейный чугун на перлитной металлической основе. Формирование же феррита, т. е. распад аустенита по диаграмме стабильного состояния

 

А_S¢ ^t_{P¢ S¢ K¢} ® Ф_P¢ + ПГ,

 

протекает крайне инертно и только около имеющихся пластин графита. Вокруг ПГ образуется ферритная оторочка той или иной ширины. Получается серый литейныйчугун с ферритно-перлитной металлической основой.

Для получения серого ферритного литейного чугуна (рис. 6.1) оставшийся перлит устраняется путем изотермической выдержки при 690...650 ⁰С, цементит перлита распадается на Ф + ПГ. В этом случае чугун необходимо модифицировать.

При конструировании деталей машин следует учитывать, что серые чугуны работают на сжатие лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны к надрезам при циклическом нагружении, хорошо поглощают колебания при вибрациях, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием, дешевы и просты в изготовлении.

Согласно ГОСТ 1412 – 85, отливки изготавливают из чугуна следующих марок: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (s_B кгс/мм²). Чугун СЧ10 – ферритный, СЧ15, СЧ18, СЧ20 – ферритно-перлитные, начиная с СЧ25 – перлитные. Из ферритно-перлитных чугунов в автомобилестроении изготавливают картеры, тормозные барабаны, крышки и др.; из перлитных – блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, шпиндельные бабки, колонки, каретки и др.). Для производства деталей с толщиной стенок менее 100 мм рекомендуются чугуны СЧ28, СЧ30, более 100 мм – СЧ35. Из серого чугуна, содержащего фосфор (0, 5 % Р), изготавливают художественные изделия.

В настоящее время наблюдается тенденция к замене ковкого чугуна высокопрочным чугуном с графитом шаровидной формы (ШГ), который в меньшей степени ослабляет металлическую основу, чем графит хлопьевидной и, тем более, пластинчатой форм (рис. 6.3). Такой чугун получают модифицированием (микролегированием) жидкого чугуна присадками (0, 1...0, 5 % магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0, 2...0, 3 % церия, иттрия и некоторых других элементов). При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы до 0, 02...0, 03 % (против 0, 1...0, 15 % в СЧ и КЧ), что существенно сдерживает широкое внедрение высокопрочного чугуна в производство.

Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна (2, 7...3, 7 % С; 0, 5...3, 8 % Si)) выбирается в зависимости от толщины стенки отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния). Часто в структуре отливок образуется ледебурит. В этом случае их подвергают высокотемпературному графитизирующему отжигу подобно белому чугуну, для разложения цементита. Продолжительность отжига чугуна с графитом шаровидной формы значительно меньше продолжительности отжига белого, так как в ВЧ содержание графитизирующих элементов (углерода, кремния) более высокое.

Согласно ГОСТ 7293 – 85, отливки изготавливают из высокопрочного чугуна следующих марок: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100 (цифры в обозначении соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении s_в, кгс/мм²).

Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами, применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые и распределительные валы, детали зубчатых передач и др.). Для повышения износостойкости деталей из ВЧ применяется азотирование (или азотирование с последующей обдувкой дробью), при котором в поверхностных слоях изделий создаются благоприятные сжимающие напряжения. Рекомендуется также подвергать изделия объемной закалке. Образование мелкоигольчатого мартенсита в закаленном поверхностном слое изделий способствует повышению их износостойкости в три и более раз.

Для улучшения прочностных и эксплуатационных характеристик или придания специальных свойств (жаростойкость, коррозионная стойкость и др.) чугуны легируют. Так, жаростойкие чугуны содержат 5...7 % Si (силал), коррозионно-стойкие – 12...18 % Si (ферросилал).

Высокой износостойкостью обладают так называемые половинчатые чугуны (ИЧ). В них часть углерода находится в свободном состоянии в виде ШГ или ПГ, часть – в связанном, в виде цементита. К таким чугунам относятся, например, серый чугун марки ИЧНХ2, легированный никелем и хромом, а также чугуны ИЧХНТ, ИЧН1МШ (шаровидный графит). Из этих чугунов отливают детали двигателей внутреннего сгорания (крышки и днища цилиндров, головки поршней и др.).

К износостойким относится отбеленный серый чугун (ОЧ), имеющий тонкий поверхностный слой со структурой белого чугуна. Применяется для изготовления отливок прокатных валов, вагонных колес и т. п.

Для определения в сплаве наличия графита и формы его включений шлиф первоначально исследуют в нетравленом состоянии. Графит выглядит темной фазой на светлом фоне нетравленого шлифа. По форме графита устанавливают вид чугуна: серый, ковкий, высокопрочный. Затем изучают металлическую основу травленых чугунов. Детальную оценку структуры производят по ГОСТ 3443 – 77, согласно которому структура чугуна оценивается как по графиту, так и по матрице. Определяют форму графита, его распределение, содержание и размеры включений (при оценке матрицы – тип структуры, содержание перлита и феррита и т. д.).