3.8. Высокопрочный чугун.
Давно установлено, что наиболее благоприятная форма графитных включений шаровидная или как их назвали позже глобуловидная. Эта форма графитных включений способствует повышению пластичности и прочности чугуна. Придание графитным включениям шаровидной формы позволило существенно расширить границы применения чугуна.
У высокопрочного чугуна могут быть такая же структура металлической матрицы и химический состав, как и у обычного серого чугуна, различие состоит лишь в форме графита. Такое различие в структуре придает новому чугуну достаточно высокие необычные свойства: пластичность (относительное удлинение до 10% и более), вязкость (ударная вязкость 1,5 – 4,0 кгс/см2), теплоустойчивость, термическую выносливость и износостойкость. Прочность при этом возросла более чем в 3 раза, из-за чего он и получил название высокопрочного. Новый чугун по цвету похож на сталь, он звенит и режется кислородом почти так же, как сталь. При этом количество, распределение и размеры графитных включений практически незначительно влияют на свойства высокопрочного чугуна.
Получают такой чугун путем модифицирования магнием. Этот процесс сопровождается сильным возгоранием, поэтому чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля). После модифицирования высокопрочный чугун имеет следующий химический состав: 3—3,6% С; 1,8—2,9% Si; 0,4—0,7% Мn; 0,02 – 0,08% Mg; < 0,15% Р; < 0,03% S. Весь процесс модифицирования и получения из обычного чугуна высокопрочного длится несколько минут.
Таким образом, простейшим способом за 2 – 3 мин обычный чугун превращается в новый конструкционный материал, благоприятно сочетающий в себе свойства чугуна и стали.
Высокопрочным называется чугун, получаемый модифицированием расплава чугуна магнием (магниевыми сплавами), и в котором графитовые включения имеют шаровидную форму.
Маркируются высокопрочные чугуны по пределу прочности и относительному удлинению, например Вч45-5, где ~45 кгс/мм2 – предел прочности, а ~ 5% – относительное удлинение.
Для отливок и деталей из высокопрочного чугуна применяют те же виды термических обработок, что и для сталей. Виды термических обработок:
- отжиг при 500–600 °C для снижения литейных напряжений;
- графитизирующий отжиг для устранения отбеливания и формирования ферритной или феррито - перлитной структуры металлической основы;
- нормализация для получения перлитной металлической основы с повышенными механическими свойствами. Нормализация осуществляется путем нагрева отливок до 850 – 950°C с последующим охлаждением на воздухе;
- закалка и низкий отпуск. Закаляют от температуры 850 – 900°С. Время выдержки зависит от размеров отливки и исходной структуры металлической основы и составляет 0,5 – 3 часа. Охлаждают детали в масле, что обеспечивает получение мартенситной структуры. Низкий отпуск проводят для снятия внутренних напряжений при температуре 250 – 380 °C;
- изотермическая закалка по сравнению с обычной закалкой исключает возможность образования закалочных трещин и коробления, снижает внутренние термические напряжения и обеспечивает более высокий комплекс прочностных свойств.
Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов (прокатные валки до 12 т), кузнечнопрессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы и другие детали, работающие при циклических нагрузках и в условиях сильного износа.
Рис. 3.4 Микроструктура высокопрочного чугуна. на ферритной основе (а) и микроструктура перлитного чугуна с шаровидным графитом (б).