Сталь с особыми тепловыми свойствами

Сталь инвар марки Н-36, содержащая 35 -37 % Ni, при температуре от -50 до +100°С имеет коэффициент линейного расширения, близкий к нулю. При температуре выше 100°С этот коэффициент быстро растет и при температуре, большей 275 °С, превосходит коэффициент линейного расширения обыкно­венных сталей.

Из инвара изготовляют детали точных из­мерительных приборов и аппаратов.

Сталь платинит марки Н-42, содержащая 42 % Ni, имеет коэффициент линейного рас­ширения, равный коэффициенту линейного расширения стекла; применяют для электро­ламп, биметаллических термостатов и др.

Сталь элинвар, содержащая 36,5-38,5%Ni, имеет постоянный модуль упругости, не зави­сящий от температуры; применяют для изго­товления пружин часов и хронометров, а так­же деталей измерительных приборов.

38..39

Классификация и маркировка углеродистых сталей.

Углеродистые стали классифицируются по структуре, по способу производства, по степени раскисления, по назначению и по качеству.

По структуре стали подразделяют: эвтектоидные, доэвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтектоидные стали содержат менее 0,8% углерода по массе. Их структура состоит из зёрен феррита и перлита. Эвтектоидные стали содержат 0,8% углерода, состоят только из зёрен перлита. Заэвтектоидные содержат более 0,8% углерода и наряду с перлитом в их структуре присутствует вторичный цементит, растворяющийся по границам зёрен перлита в виде своеобразной сетки.

По способу производства стали подразделяются на кислородоконвекторные, мартенситные электростали. Всё зависит от агрегата, в котором выплавлялась сталь.

По степени раскисления стали бывают: спокойные, полуспокойные и кипящие.

По назначению стали бывают: конструкционные, используемые для изготовления деталей машин, конструкций, т.е. это стали подвергаемые обработке, и инструментальные, которые используются для изготовления мерительного или ударного инструмента.

По качеству углеродистые стали бывают обычного качества и качественные. Качественные стали отличаются меньшим содержанием вредных примесей.

Маркировка стали зависит от качества и назначения. Углеродистые стали обычного качества имеет трети группы поставки: А, Б, В. Стали группы Апоставляются с гарантированными механическими свойствами. Эти стали используются в состоянии поставки без дополнительной обработки. Стали группы Бпоставляются с гарантированным химическим составом, механические при этом не гарантируются. Эти стали подвергаются термообработки или обработке давлением, в результате структура и свойства изменяются. Гарантированный химический состав не обходим для выбора оптимального режима термообработки. Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали используются главным образом для изготовления сварных конструкций, в которых часть поверхности подвергается термообработке, а другая нет.

Все стали обычного качества маркируются буквами Ст, после которых стоит цифра от 0 до 6. Для сталей группы Б, В в начале марки ставится соответствующая группа. У сталей группы А буквы не ставят. В конце марки ставится степень раскисления: КП – кипящая, СП – спокойная, ПС – полуспокойная.

 

Ст3КП – углеродистая сталь обычного качества, группы поставки А, с номером 3, кипящая.

БСт4ПС – сталь группы Б, №4, полуспокойная.

Чем выше номер стали группы А, тем выше её прочностные характеристики. У стали группы Б с увеличением номера возрастает содержание углерода. У сталей группы В свойства так же у стали группы А, а химический состав такой же у стали группы Б соответствующего номера.

Информацию о механических свойствах и химическом составе обычной стали необходимо уточнять в справочной или в паспорте стали.

Качественные конструкционные стали маркируются иначе. А именно цифрами 08, 10, 15, 20 … 85 – эти цифры означают содержания углерода в сотых долях процента. Степень раскисления обозначают в конце марки буквами КП и ПС. Для спокойных сталей степень раскисления не указывается. Например, сталь 40 – это качественная конструкционная углеродистая сталь, содержащая 0,4% углерода по массе, спокойная.

Ст60ПС - … полуспокойная.

Качественные углеродистые стали, с содержанием углерода от 0,7 до 1,3% обычно используют в качестве инструментальной стали. Эти стали маркируются буквой У, после которой стоят цифры, означающие содержание углерода в десятых долях процента.

У7 – инструментальная сталь с содержанием углерода 0,7%.

У13 – качественная инструментальная сталь с содержанием углерода 1,3%.

В зависимости от того в каком состоянии находится углерод в чугунах, чугуны подразделяются на белые и графитные. В белых чугунах углерод находится в связанном состоянии, т.е. в виде химического соединения  (цементита). В графитных чугунах углерод в основном находится в свободном состоянии, т.е. в виде графитных включений различной формы. Белые чугуны на изломе выглядят белыми (блестящими), от чего и получил такое название. Белые чугуны отличаются от графитных чугунов более высокой твёрдостью и хрупкостью. По структуре белые чугуны подразделяются на: эвтектические, доэвтектические и заэвтектические. Эвтектические чугуны содержат 4,3% углерода по массе и имеют структуру ледебурита, представляющего собой перлит с цементитом. Доэвтектические белые чугуны содержат углерода от 2,14 до 4,3%. В их структуре по мимо ледебурита, присутствует перлит и вторичный цементит. Чем ближе состав к эвтектоидному, тем больше в структуре ледебурита. Заэвтектические белые чугуны содержат углерода 4,3% до 6,67% по массе. В их структуре, по мимо ледебурита, наблюдается первичный цементит.

Графитные чугуны, в отличии от белого, имеет меньшую твёрдость и прочность, поскольку сам графит мягок по сравнению с цементитом. На изломе графитные чугуны из-за графитных включений, выглядит серым. Они марают руки и на ощупь кажутся маслянистыми. Графитные чугуны отличаются от белых лучшими литейными характеристиками, более высокой жидко текучестью. Они устойчивы к надрезам поверхности, значительно лучше обрабатываются резанием, обладают демпферирующими свойствами, поэтому их используют в изготовлении станин для молотов и т.д. Они также обладают хорошими анти фрикционными свойствами, т.е. из-за смазывающего эффекта они хорошо работают в парах трения. В зависимости от формы графитных включений, графитные чугуны подразделяются на: серые, ковкие и высокопрочные. Серые чугуны имеют пластинчатую форму графитных включений.

В ковких чугунах графитные включения имеют хлопьевидную форму. Высокопрочные – шаровидные включения. Эти графитные включения находятся в той или иной металлической матрице. Металлическая матрица может быть перлитной, ферритной или феррито-перлитной. Таким образом получается 9 типов графитных чугунов. Перлитная металлическая матрица имеет наилучшие прочностные характеристики. Ферритная матрица придаёт чугунам мягкость. Феррито-перлитная занимает промежуточное положение. Из всех графитных чугунов наименьшей прочностью обладает серые чугуны, а наибольшей – высокопрочные. Это объясняется тем, что графитные включения пластинчатой формы, будучи острыми на краях, являются лучшими концентраторами механических напряжений, чем графитные включения шаровидной формы. Поэтому трещины, разделяющие образец на части, лучше распространяется по графитным включениям пластинчатой формы.

Ковкие чугуны по прочностным характеристикам занимают промежуточное положение.

Графитные чугуны маркируют буквами: СЧ – серые чугуны, КЧ – ковкие чугуны, ВЧ – высокопрочные чугуны. После этих букв стоит цифра, которая отражает предел прочности на растяжение. Через дефис может стоять вторая цифра, которая у ковких чугунов означает относительное удлинение в процентах.

КЧ45-12 – ковкий чугун, с пределом прочности 450 МПа и 12% относительным удлинением.

39

Графит – это полиморфная модификация углерода. Так как графит содержит 100% углерода, а цементит – 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита. С другой стороны, при нагреве цементит разлагается на железо и углерод. Следовательно, графит является более стабильной фазой, чем цементит.

Диаграмма железо-графит. Диаграмма состояния железо-графит. Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

Возможны два пути образования графита в чугуне.

1. При благоприятных условиях (наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы.

2. При разложении ранее образовавшегося цементита. При температурах выше 738^oС цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме:

Fe₃C -> 3Fe_γ (C) +  C (графит)

При температурах ниже 738^oС разложение цементита осуществляется по схеме:

Fe₃C -> 3Fe_α (C) +  C (графит)

При малых скоростях охлаждения степень разложения цементита больше.

Классификация чугунов. Маркировка чугунов.

Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации. Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации. Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадиейграфитизации.

Структура чугунов зависит от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в связанном состоянии.

Схема образования структур при графитизации

Выдержка при температуре больше 738^oС приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс завершить полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита и графита, а после охлаждения – из перлита и графита.

Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов. Эвтектоидное превращение. Эвтектическое превращение.

При незавершенности процесса первичной графитизации, выше температуры 738^oС структура состоит из аустенита, графита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита, графита и цементита.

При переходе через критическую точку превращения аустенита в перлит, и выдержке при температуре ниже критической приведет к распаду цементита, входящего в состав перлита (вторичная графитизация). Если процесс завершен полностью то структура состоит из феррита и графита, при незавершенности процесса – из перлита, феррита и графита.

Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна (см. Отбеленный чугун). Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено – 0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание – 0,3…0,8 %.

Механические свойства металлов. Механические свойства сталей. Механические свойства сплавов.

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение (δ) для серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до10 %, для высокопрочных – до 15%.

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

40.41

Чугунами называют высокоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2,03 %. Несмотря на значительный объем применения сталей, расширения области использования цветных сплавов, порошков и неметаллических материалов, чугуны широко применяют во многих отраслях промышленности. Относительно невысокий уровень механических свойств компенсируется низкой стоимостью, высокими литейными свойствами, хорошей обрабатываемостью. Механические и технологические свойства чугунов определяются их структурными характеристиками, упрочняющая термическая обработка для обычных чугунов практически не применяется. Требования к составу чугунов менее строгие по сравнению со сталью, поэтому в основу классификации и маркировки чугунов во всех стандартах положены структурные характеристики и гарантированный уровень механических свойств.

В Украине и СНГ действует система маркировки чугунов, основанная на классификации чугунов по форме графита. По этой классификации чугуны разделяют на:

• чугуны с пластинчатым графитом – серые чугуны;

• чугуны с шаровидным графитом – высокопрочные чугуны;

• чугуны с хлопьевидным графитом – ковкие чугуны.

Маркировка серого чугуна определена ГОСТ 1412–85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки». Согласно стандарта, такой чугун маркируется буквами «СЧ» и двумя цифрами, которые показывают минимально допустимое временное сопротивление чугуна в кгс/мм² (0,1*Н/мм²). Например, обозначение чугуна СЧ 30 означает, что он относится к серым чугунам с пластинчатым графитом и его  =300 Н/мм² (30 кгс/мм²). Всего стандартом предусмотрен следующий ряд марок чугунов – от СЧ 10 до СЧ 35.

Высокопрочный чугун маркируют в соответствии с ГОСТ 7293–85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки». Марку высокопрочного чугуна обозначают буквами «ВЧ» и двумя цифрами, которые показывают его минимальное временное сопротивление в кгс/мм². Например, маркировка ВЧ 50 означает, что этот чугун является высокопрочным и его  =500 Н/мм² (50 кгс/мм²).

Марки ковкого чугуна определены в ГОСТ 1215–79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия». Он обозначается буквами «КЧ» и двумя группами цифр, которые определяют минимальное временное сопротивление в кгс/мм² и относительное удлинение при растяжении в процентах – КЧ  –b. Например, КЧ 37–12 означает, что эта марка ковкого чугуна с  =370 Н/мм² (37 кгс/мм²) и относительным удлинением 12 %.

В промышленности широко применяют изделия из легированных чугунов с особыми свойствами. Обычно их маркировка начинается с буквы, указывающей на область применения чугуна.

Например, по ГОСТ 1585–85 «Чугун антифрикционный для отливок» чугун маркируют буквами «АЧ» (антифрикционный чугун), затем указывают тип чугуна (С – серый с пластинчатым графитом, В – высокопрочный с шаровидным графитом, К – ковкий чугун с компактным графитом), далее число, обозначающее порядковый номер марки: АЧС–5, АЧК–2.

Очень широко легированные чугуны применяют для изготовления изделий, работающих в условиях интенсивного абразивного износа (мелющие тела, прокатные валки, формы для прессования огнеупоров и т.п.). Такие чугуны в структуре содержат значительное количество твердой и износостойкой карбидной фазы и по структурному типу их относят к белым чугунам. В этом случае легирующие элементы и их содержание обозначают так же, как и для сталей. Впереди указывают буквы «ИЧ» – износостойкий чугун, далее содержание легирующих элементов, начиная с основного – хрома. Содержание углерода в чугуне зависит от содержания основных элементов и в марке не указывается. Например, марка ИЧХ4Г7Д соответствует износостойкому чугуну с содержанием хрома (в среднем) 4 %, 7 % Mn, < 0,7 % Cu.

По ГОСТ 7769–82 «Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки» выпускают изделия из коррозионно–стойких чугунов. Первая буква «Ч» (чугун), далее буква и цифра, показывающие содержание легирующего элемента, например, ЧГ6С3 (6 % марганца, 3 % кремния).

Международные стандарты маркировки чугунов построены по тому же принципу – основным классификационным признаком является форма углерода, которая определяет уровень механических и эксплуатационных свойств. Наличие большого числа стандартов для описания аналогичных материалов затрудняет сравнение маркировок, поэтому многие производители изделий из чугунов в спецификации перечисляют несколько стандартов, которым соответствует используемый материал.

Во многих странах для маркировки чугунов используют английскую систему стандартизации BS, стандарты Германии DIN, на базе которых были разработаны соответствующие стандарты EN.

В стандарте Германии «Gusseisen mit Lammellengraphit (DIN1691 / EN1561)» отмечено, что в заказе на отливки необходимо указать, является ли характерным свойством временное сопротивление при растяжении или твердость по Бринеллю (НВ), и, в зависимости от этого, маркировка обозначается по–разному. Например:

чугун DIN 1691 GG-25 или чугун DIN 1691 GG-210 HB

Буквы GG обозначают соответственно: «gegossen» – отлито и «gusseisen» – чугун, число «25» – временное сопротивление в кгс/мм². По EN этот чугун обозначается как GJL-250, где «250» –   в Н/мм².

В стандарте DIN «Gusseisen mit Kugelgraphit (DIN1693 / EN1563: 1997)» на шаровидный графит в названии марки три буквы «GGG» означают: G – «gegossen» (отлито), G – «gubeisen» (чугун), G – «globular» (шаровидный), далее указывают   в кгс/мм², например, GGG–60. По EN1563 «Founding. Spheroidal graphite cast iron» этот чугун будет обозначаться как GJS-600-3, т.е. в маркировке дополнительно указывают относительное удлинение в процентах (в данном примере b = 3 %). В стандартах также указан уровень остальных основных механических свойств (твердость, предел текучести). Необходимо отметить, что по этому стандарту выпускают чугуны с весьма высоким уровнем свойств – от GJS-350-22 до GJS-800-2.

В британском стандарте на шаровидный графит «Nodular graphite cast iron BS 2789» марка (grade) чугуна обозначается цифрами, соответственно   (Н/мм²) / b (%). Например, grade 420/12 означает, что чугун имеет свойства  =420 Н/мм², b=12 %.

Ковкий чугун в зависимости от матрицы обозначается буквами «В» (ферритный) или «Р» (перлитный), далее указывают   (в кгс/мм²) и b в процентах. Например, B35-12, P60-03. Серый чугун маркируют только тремя цифрами, которые показывают временное сопротивление чугуна в Н/мм² – grade 180.

В настоящее время стандарты серии EN заменяют стандарты BS.

В США чугуны разделяют на классы следующим образом:

• серый чугун (gray iron);

• высокопрочный чугун (ductile iron);

• ковкий чугун (malleable iron);

• чугун с вермикулярным (компактным) графитом (compacted graphite iron);

• белый чугун (white iron);

• половинчатый чугун (mottled iron);

• высокопрочный изотермически закаленный чугун (austempered ductile iron).

В табл. 4.5 приведена классификация форм графитных включений по ASTM A247 и сравнение ее с ISO R945(E).

Таблица 4.5 – Классификация форм графитных включений

Технические условия ASTM A48 делят серые чугуны на классы – от 20 до 60, где число обозначает временное сопротивление в ksi. Например, класс 20 соответствует 140 Н/мм², что отвечает марке чугуна СЧ 15.

Кроме указанного, действует еще ряд технических условий на серые чугуны для определенного вида изделий, например, ASTM A159 – для автомобильной промышленности.

Для высокопрочных чугунов также используется система маркировки по механическим свойствам. В системе ASTM для таких чугунов указывают временное сопротивление в ksi – предел текучести в ksi – относительное удлинение в процентах. Например, ASTM A716 – 60–42–10 означает высокопрочный чугун по техническим условиям А716 с  =60 ksi;  =42 ksi; b=10 %.

В стандарте UNS маркировка чугунов начинается с буквы «F» и состоит из пятизначного номера. Маркировка серых чугунов начинается с «1», например, F11701 (аналог СЧ 15), ковких – с «2» – F23530, высокопрочных – с «3» – F33100.

По ASTM ковкие чугуны обозначают пятизначным числом, в котором первые три цифры – предел текучести в Н/мм², две последние – относительное удлинение в процентах. Для того, чтобы указать на размерность (метрическую) в маркировке ставят букву «М», например чугун по ASTM A47 марки 480М3 означает, что  =480 Н/мм², b=3 %.

Маркировка чугуна с вермикулярным графитом не имеет аналогов в стандартах Украины и СНГ. По ASTM A842 марки такого чугуна 250; 300; ..450, где число – временное сопротивление в Н/мм².

Износостойкие легированные чугуны стандартизированы техническими условиями ASTM A532. По техническим условиям такие чугуны делят на три класса по основному элементу и системе легирования. Класс I определяет износостойкие чугуны, легированные никелем – так называемые «нихарды» (от Ni–hard) и в него входят четыре типа чугунов, обозначаемые буквами A, B, C, D. Класс II – чугуны со средним содержанием хрома (от 12 до 20 %) и тоже делится на типы (A, B, C). Класс III – чугун с содержание хрома 25 % (тип А).

По стандарту Японии JIS маркировка чугунов начинается с буквы «F», далее идет буква или сочетание букв, показывающие тип чугуна («C» – серый чугун, «CM» – ковкий, «CD» – высокопрочный) и три цифры, показывающие временное сопротивление чугуна в Н/мм². Например, FCD 400 соответствует марке ВЧ 40.

В табл. 4.6 приведены сравнительные примеры маркировки основных типов чугунов по различным стандартам.

Таблица 4.6 – Сравнение маркировок основных типов чугунов по различным стандартам

42

Термическая обработка чугуна

В машиностроении применяют отливки из серого, я ковкого и высокопрочного чугунов. Эти чугуны отличаются от белого чугуна тем, что у них весь углерод или большая часть его находится в свободном состоя­нии в виде графита (у белого чугуна весь углерод нахо­дится в виде цементита).

Структура указанных чугунов состоит из металличе­ской основы аналогично стали (перлит и феррит) и не­металлических включений – графита.

Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от друга в основном формой графитовых включе­ний. Это и определяет различие механических свойств указанных чугунов.

У серого чугуна при рассмотрении под микроскопом графит имеет форму пластинок.

Графит обладает низкими механическими свойства­ми. Он нарушает сплошность металлической основы и действует как надрез или мелкая трещина. Чем крупнее и прямолинейнее формы графитовых включений, тем хуже механические свойства серого чугуна.

Основное отличие высокопрочного чугуна заклю­чается в том, что графит в нем имеет шаровидную (округленную) форму. Такая форма графита лучше пластинчатой, так как при этом значительно меньше на­рушается сплошность металлической основы.

Ковкий чугун получают длительным отжигом отли­вок из белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы – углерод отжига.

Механические свойства рассматриваемых чугунов можно улучшить термической обработкой, при этом не­обходимо помнить, что в чугунах создаются значитель­ные внутренние напряжения, поэтому нагревать чугун­ные отливки при термической обработке следует мед­ленно, чтобы избежать образования трещин.

Отливки из чугуна подвергают следующим видам термической обработки.

Низкотемпературный отжиг. Чтобы снять внутренние напряжения и стабилизировать размеры чугунных отли­вок из серого чугуна, применяют естественное старение или низкотемпературный отжиг.

Более старым способом является естественное старе­ние, при котором отливка после полного охлаждения претерпевает длительное вылеживание – от 3–5 меся­цев до нескольких лет. Естественное старение приме­няют в том случае, когда нет нужного оборудования для отжига.

Этот способ в настоящее время почти не применяют, а производят главным образом низкотемпературный от­жиг. Для этого отливки после полного затвердевания укладывают в холодную печь (или печь с температурой 100–200° С) и медленно (со скоростью 75–100° в час) нагревают до 500–550° С. При этой температуре их вы­держивают 2–5 час. и охлаждают до 200° С со скоро­стью 30–50° в час, а затем – на воздухе.

Графитизирующий отжиг. При отливке изделий воз­можен частичный отбел серого чугуна с поверхности или даже по всему сечению. Чтобы устранить отбел и улучшить обрабатываемость чугуна, производится вы­сокотемпературный Графитизирующий отжиг с выдерж­кой при температуре 900–950° С в течение 1–4 час. и охлаждением изделий до 250–300° С вместе с печью, а затем – на воздухе. При таком отжиге в отбеленных участках цементит Fe₃С распадается на феррит и гра­фит, вследствие чего белый или половинчатый чугун переходит в серый.

Нормализация. Нормализации подвергают отливки простой формы и небольших сечений. Нормализация проводится при температуре 850–900° С с выдержкой 1–3 часа и последующим охлаждением отливок на воз­духе. При таком нагреве часть углерода (графита) рас­творяется в аустените. После охлаждения на воздухе металлическая основа получает структуру трооститовидного перлита с более высокой твердостью и лучшей сопротивляемостью износу. Для серого чугуна нормали­зацию применяют сравнительно редко, более широко применяют закалку с отпуском.

Закалка деталей из серого чугуна. Повысить проч­ностные свойства серого чугуна можно его закалкой. Она производится с нагревом до 850–900° С и охлаж­дением в воде. Закалке можно подвергать как перлит­ные, так и ферритные чугуны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450–500. В структуре закален­ного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения гра­фита.

Эффективным методом повышения прочности и изно­соустойчивости серого чугуна является изотермическая закалка, которая производится аналогично закалке стали.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом можно подвергать пламенной или высокочастотной по­верхностной закалке. Чугунные детали после такой обработки имеют высокую поверхностную твердость, вязкую сердцевину и хорошо сопротивляются ударным на­грузкам и истиранию.

Легированные серые чугуны и высокопрочные маг­ниевые чугуны иногда подвергают азотированию. По­верхностная твердость азотированных чугунных изде­лий достигает НВ 600—800; такие детали имеют высо­кую износоустойчивость. Хорошие результаты дает сульфидирование чугуна; так, например, сульфидированные поршневые кольца быстро прирабатываются, хорошо сопротивляются истиранию, и срок их службы повышается в несколько раз.

Отпуск. Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истирание, проходят низкий отпуск при температуре 200–250° С. Чугунные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску, при температуре 500–600° С. При отпуске закаленных чугунов твердость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в струк­туре закаленного чугуна имеется большое количество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содер­жится большое количество кремния, который повышает отпускоустойчивость мартенсита.

Для отжига на ковкий чугун применяют белый чугун примерно следующего химического состава: 2,5–3,2% С, 0,6–0,9% Si, 0,3–0,4% Мn, 0,1–0,2% Р и 0,06-0,1% S.

Существует 2 способа отжига на ковкий чугун:

графитизирующий отжиг в нейтральной среде, осно­ванный на разложении цементита на феррит и углерод отжига;

обезуглероживающий отжиг в окислительной среде, основанный на выжигании углерода.

Отжиг на ковкий чугун по второму способу зани­мает 5–6 суток, поэтому в настоящее время ковкий чу­гун получают главным образом графитизацией. Отливки, очищенные от песка и литников, упаковывают в ме­таллические ящики либо укладывают на поддоне, а за­тем подвергают отжигу в методических камерных и дру­гих отжигательных печах.

Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая стадия заключается в равномерном нагреве отливок до температуры 950–1000° С с выдерж­кой 10–25 час.; затем температуру понижают до 750– 720° С при скорости охлаждения 70–100° в час. На второй стадии при температуре 750–720° С дается вы­держка 15–30 час., затем отливки охлаждаются вместе с печью до 500–400° С и при этой температуре извле­каются на воздух, где охлаждаются с произвольной скоростью.

При таком ступенчатом отжиге в области темпера­тур 950–1000° С идет распад (графитизация) первич­ного, т. е. эвтектического (ледебуритного) цементита, а при температуре 750—720° С распадаются вторичный и эвтектоидный (перлитный) цементиты. В результате отжига по такому режиму структура ковкого чугуна представляет собой зерна феррита с включениями гнезд углерода отжига – графита.

Перлитный ковкий чугун получается в результате неполного отжига: после первой стадии графитизации при температуре 950–1000° С чугун охлаждается вме­сте с печью; вторая стадия графитизации не проводится. Структура перлитного ковкого чугуна состоит из пер­лита и углерода отжига.

Чтобы повысить вязкость, перлитный ковкий чугун подвергают сфероидизации при температуре 700–750° С, что создает структуру зернистого перлита.

Для ускорения процесса отжига на ковкий чугун из­делия из белого чугуна подвергают закалке, затем про­водят графитизацию при температуре 1000–1100° С.

Ускорение графитизации закаленных чугунов при отжиге объясняется наличием большого количества цент­ров графитизации, образовавшихся при закалке. Это дает возможность сократить время отжига закаленных отливок до 15–7 час.

Метод предварительного нагрева и закалки отливок из белого чугуна разработан металлургами А. Д. Ассоновым и В. И. Прядиновым и широко применяется в различных отраслях промышленности.

Термическая обработка ковкого чугуна. Чтобы повысить прочность и износоустойчивость, ковкие чугуны подвергают нормализации или закалке с отпуском. Нормализация ковкого чугуна производится при 850–900°С с выдержкой при этой температуре 1–1,5 часа и охлаждением на воздухе. Если после отливки заготовки имеют повышенную твердость, то их следует подвергать высокому отпуску при температуре 650–680° С с выдержкой 1–2 часа.

Иногда ковкий чугун подвергают закалке, чтобы получить более высокую прочность и износоустойчивость за счет снижения пластичности. Температура нагрева под закалку та же, что и при нормализации; охлажде­ние производится в воде или масле, а отпуск, в зависи­мости от требуемой твердости, обычно при температуре 650–680° С.

Быстрое охлаждение может производиться непосред­ственно после первой стадии графитизации при дости­жении температуры 850–880° С с последующим высоким отпуском.

Для ковкого чугуна применяют закалку токами высокой частоты или кислородно-ацетиленовым пламенем, при этом может быть достигнута высокая твердость поверхностного слоя при достаточной пластичности основной массы. Метод такой закалки тормозных колодок из ферритного ковкого чугуна заключается в нагреве дета­лей токами высокой частоты до температуры 1000– 1100° С с выдержкой 1–2 мин. и последующим быст­рым охлаждением. Структура закаленного слоя состоит из мартенсита и углерода отжига твердостью НRС 56–60.

Ковкий чугун по сравнению со сталью более деше­вый материал; он обладает хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. По­этому детали из ковкого чугуна широко применяются в сельскохозяйственном машиностроении, автотрактор­ной промышленности, станкостроении (для изготовле­ния зубчатых колес, звеньев цепей, задних мостов, кронштейнов, тормозных колодок и пр.) и в других отраслях народного хозяйства.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, означаю­щими ковкий чугун, затем идут два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе – относительное удлинение.

ГОСТом 1215-59 установлены следующие марки ков­ких чугунов: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10. . КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.

43

При многих видах термической обработки сталь нагревают до температур, соответствующих существованию аустенита (процесс аустенитизации).

Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации.

При нагреве эвтектоидной стали (0,8% С) несколько выше критической точки А₁ (727 °С) перлит (феррито-карбидная структура) превращается в аустенит:

Ф_P + Fе₃С → А_S.

Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного α → γ-перехода и растворения в аустените цементита.

При нагреве доэвтектоидной стали выше точки А₁ после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура – аустенит и феррит.

При дальнейшем нагреве в интервале температур А₁–А₃феррит постепенно растворяется в аустените. При температуре А₃ феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали. Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали. При температуре несколько выше А₁ (727 °С) перлит превращается в аустенит, содержащий 0,8 % С. В интервале температур А₁–Асm происходит растворение избыточного цементита. Выше температуры Асm будет только аустенит, содержание углерода в котором соответствует его содержанию в стали.

Аустенит при температурах несколько выше Ас1 (727 °С) содержит ~ 0,8 % С. Зародыши аустенита образуются на границе раздела феррита и цементита (рис. 4.15, в), где наличие дефектов уменьшает работу образования зародыша аустенита. При росте зародыша когерентность α- и γ-решеток нарушается, сдвиговый механизм заменяется нормальным механизмом роста и зерна аустенита приобретают равноосную форму. Образовавшийся аустенит неоднороден по содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам цементита, концентрация углерода в аустените выше (точка бна рис. 4.15, а), чем в участках, прилегающих к ферриту (точка в на рис. 4.15, а).

Под влиянием этого градиента перепада концентрации происходит диффузия атомов углерода в аустените в направлении от границы с цементитом к участкам, граничащим с ферритом, что приводит к нарушению равновесия на межфазных поверхностях между аустенитом и указанными фазами. Восстановление равновесия достигается в результате дальнейшего растворения цементита в аустените и перехода атомов углерода в феррит, что облегчает превращение его в аустенит.

 

Образовавшийся в результате описанных превращений аустенит неоднороден по составу, и для его гомогенизации требуется дополнительное время.

Скорость превращения феррито-цементитной структуры в аустенитную, помимо температуры нагрева, зависит от ее исходного состояния. Чем тоньше феррито-цементитная структура, тем больше возникает зародышей аустенита и меньше пути диффузии, а значит, быстрее протекает процесс аустенитизации. Чем больше в стали углерода, тем быстрее протекает процесс аустенитизации, что объясняется увеличением количества цементита, а следовательно, и ростом суммарной поверхности раздела феррита и цементита. Введение в сталь хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других карбидообразующих элементов задерживает процесс аустенитизации вследствие образования легированного цементита или карбидов легирующих элементов, более трудно растворимых в аустените Размер зерна аустенита при нагреве обуславливается несколькими факторами.

 

Рис. 4.15. Превращение стали с феррито-цементитной структурой при нагреве: а – схема изменений фазового состава при нагреве (диаграмма Fe–Fe3C); б – схема изотермического образования аустенита; в – последовательные стадии превращения перлита в аустенит (1 – начало превращения перлита в аустенит; 2 – конец превращения перлита в аустенит; 3 – полное растворение карбидов; 4 – гомогенизация аустенита)

Зародыши аустенита при нагреве выше A1 образуются на границах раздела феррит–карбид. При таком нагреве число зародышей всегда достаточно велико и начальное зерно аустенита мелкое. Однако нередко при таких невысоких температурах нагрева наблюдается разнозернистость – на фоне мелкого зерна отмечаются и очень крупные зерна.

При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристаллизация, и зерно увеличивается. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии вследствие сокращения поверхности зерен.

Способность зерна аустенита к росту неодинакова даже у сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки.

По склонности к росту зерна различают два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких температур (1 000–l 050 °C) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше А1 (рис. 4.16).

В двухфазных областях, например в заэвтектоидных сталях, в интервале температур Ас1–Асm (рис. 4.16, а) рост зерна аустенита сдерживается не растворившимися карбидными частицами. Такое же сдерживающее влияние на рост зерна в доэвтектоидных сталях в интервале температур Ас1–Асm (рис. 4.16, а) оказывают участки феррита.

Легирующие элементы, особенно карбидообразующие, замедляющие собирательную рекристаллизацию, задерживают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ti, V, Zr, Nb, W и Мо, образующие труднорастворимые в аустените карбиды, которые служат барьером. Более слабое влияние оказывает такой карбидообразующий элемент, как хром. Марганец и фосфор способствуют росту зерна аустенита.

 

Рис. 4.16. Диаграмма состояния Fe–Fe3C (а) и схема роста зерна аустенита в стали, содержащей 0,8 % С (б): 1 – наследственно мелкозернистая сталь; 2 – наследственно крупнозернистая сталь; 3 – наследственное зерно; 4 – зерно при нагреве под термическую обработку; 5 – исходное зерно; 6 – начальное зерно аустенита

Наследственно мелкозернистая сталь при достаточно высокой температуре может даже иметь более крупное зерно аустенита, чем наследственно крупнозернистая сталь, поэтому введено понятие о действительном зерне, т.е. зерне, существующем в стали при данной температуре.

Размер действительного зерна аустенита обусловлен температурой нагрева, продолжительностью выдержки при ней и склонностью данной стали к росту зерна при нагреве.

Продолжительный нагрев доэвтектоидной (заэвтектоидной) стали при температурах, значительно превышающих А₃ или Асm, приводит к образованию крупного действительного зерна как непосредственно при этой температуре, так и после охлаждения до 20 °С. Такой нагрев принято называть перегревом стали. Перегретая сталь характеризуется крупнокристаллическим изломом.

Рост видманштеттовых кристаллов феррита происходит при высоких температурах в условиях диффузии углерода (рис. 4.17, а).

Рис. 4.17. Микроструктура стали, ×100: а – перегретой; б – пережженной

Перегрев может быть исправлен повторным нагревом стали доэвтектоидной до температуры выше точки А₃, а эвтектоидной и заэвтектоидной – выше А1.

Нагрев при еще более высокой температуре, чем нагрев, вызывающий перегрев, и к тому же в окислительной атмосфере, называют пережогом стали. Он сопровождается образованием по границам зерен окислов железа (рис. 4.17, б). При пережоге излом стали камневидный. Пережог – неисправимый дефект стали.

Величина зерна стали не оказывает существенного влияния на стандартный комплекс механических свойств, получаемых при испытании на статическое растяжение и твердость, но с ростом зерна резко снижается ударная вязкость, работа распространения трещины и повышается порог хладноломкости. Чем крупнее зерно, тем более сталь склонна к закалочным трещинам и деформациям. Все это следует учитывать при выборе режимов термической обработки.

44