3. Железоуглеродистые сплавы с высокими литейными свойствами

Литейные свойства сплавов оценивают жидкотекучестью, усадкой, а также склонностью к образованию пористости, ликвации, горячих и хо­лодных трещин. От литейных свойств зависит не только возможность получения сложной отливки, но и ее конструкционная прочность, так как многие дефекты литой структуры — пористость, ликвационная неодно­родность, микротрещины — эффективные концентраторы напряжений.

Литейные свойства сплавов тем выше, чем меньше их температурный интервал кристаллизации. В связи с этим наиболее высокими литейны­ми свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превра­щение. Из сплавов на основе железа лучшие литейные свойства имеют чугуны.

1. Разновидности чугунов

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие бо­лее 2,14 % С и затвердевающие с образованием эвтектики. Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износо­стойкости, а также относительной дешевизне чугуны получили широкое распространение в машиностроении. Их используют для производства ка­чественных отливок сложной формы при отсутствии жестких требований к габаритам и массе деталей.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в спла­вах, различают белые, серые, высокопрочные чугуны, чугуны с вермику- лярным графитом и ковкие чугуны¹. Высокопрочные чугуны и чугуны с ^{32 33} вермикулярным графитом являются разновидностью серых, но из-за по­вышенных механических свойств их выделяют в особые группы.

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в свя­занном состоянии в виде цементита. Согласно диаграмме состояния Ре - ГезС белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита они твердые (450 - 550 НВ), хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны-отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготовляют прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.

В промышленности широко применяют серые, высокопрочные и ков­кие чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в виде графи­та. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатывае­мость резанием, а также высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются усло­виями образования графитных включений и их формой, что отражается на механических свойствах отливок.

2. Серые чугуны

Серыми называются чугуны с пластинчатой формой графита.

По химическому составу серые чугуны разделяют на обычные (неле­гированные) и легированные. Обычные серые чугуны — сплавы сложного состава, содержащие основные элементы: Ге, С, 81 и постоянные приме­си: Мп, Р и 8. Содержание этих элементов в серых чугунах колеблется в следующих пределах, %: 2,2 - 3,7 С; 1 - 3 81; 0,2 - 1,1 Мп; 0,02 - 0,3 Р и 0,02 - 0,15 8. В небольших количествах в обычных серых чугунах могут содержаться Сг, № и Си, которые попадают из руды. Почти все эти элементы влияют на условия графитизации, количество графитных включений, структуру металлической основы и, как следствие, свойства чугунов.

Углерод оказывает определяющее влияние на качество чугунов, из­меняя количество графита и литейные свойства. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна. По этой причине максимальное содержание углерода ограничи­вается доэвтектической концентрацией. В то же время снижение его со­держания отрицательно сказывается на жидкотекучести и, следовательно, на литейных свойствах чугунов. Нижний предел углерода принимают для толстостенных отливок, верхний — для тонкостенных.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием; способ­ствует выделению графита в процессе затвердевания чугунов и разложе­нию выделившегося цементита.

Марганец затрудняет графитизацию чугунов, несколько улучшает их механические свойства, особенно в тонкостенных отливках.

Сера — вредная примесь. Она ухудшает механические и литейные свойства чугунов: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и по­вышает склонность к образованию трещин.

Фосфор в количестве до 0,3 % растворяется в феррите. При большей концентрации он образует с железом и углеродом тройную «фосфидную» эвтектику. Она имеет низкую температуру плавления (950°С), что уве­личивает жидкотекучесть чугунов, но высокую твердость и хрупкость. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках, от которых требуется высокая износостойкость (до 0,7 Р), а также используемых для художественного лнтья (до 1 % Р). В литых чугунных деталях содержа­ние фосфора ограничивают 0,3 %.

Таким образом, степень графитизации в чугунах возрастает с уве­личением содержания углерода и кремния. Аналогичное, но более слабое влияние оказывают примеси (или легирующие элементы) меди и нике­ля. Элементами, затрудняющими графитизацию (отбеливающими), явля­ются марганец, сера, хром. Основные элементы, которыми регулируют структуру металлической основы серых чугунов, — углерод и кремний.

Кроме химического состава структура чугуна и его свойства зави­сят от технологических факторов, главным из которых является скорость охлаждения. С уменьшением скорости охлаждения возрастает количество графита, а с ее увеличением — количество химически связанного углеро­да. При выборе скорости охлаждения принимают во внимание толщину стенки отливки. Чем она больше, тем меньше скорость охлаждения и полнее протекает процесс графитизации.

В чугунах с высоким содержанием кремния при медленном охлажде­нии отливки первичная кристаллизация происходит в соответствии со стабильной диаграммой Ге-С (см. рис. 4.18); в этом случае графит по­является непосредственно из жидкой фазы. С увеличением скорости охла­ждения создаются условия для первичной кристаллизации в соответствии с метастабильной диаграммой Ге-ГезС (см. рис. 4.11); из жидкой фазы выделяется цементит, а графит образуется вследствие его распада при дальнейшем охлаждении. Иногда ледебурит не разлагается и остается в структуре.

Вторичная кристаллизация преимущественно протекает в соответ­ствии с метастабильной диаграммой, вторичный цементит и цементит перлита могут сохраниться или графитизироваться в зависимости от со­держания кремния и скорости охлаждения.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дают структурные диаграммы. Структурная диаграмма, приведенная на рис. 10.3, а, справедлива для от­ливок с толщиной стенки 50 мм. Влияние толщины стенки и состава чугуна (суммарного содержания углерода и кремния) характеризует диа­грамма, представленная на рис. 10.3, б.

Поле диаграммы разбито на пять областей. Область I соответствует белому чугуну, имеющему структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит; весь углерод здесь связан в виде цементита. В области II на­ходится половинчатый чугун со структурой П + Ц + графит; количество связанного углерода в нем более 0,8 %.

Химический состав серых чугунов отвечает областям III, IIIа и IIIб. По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на три вида:

1. серый перлитный со структурой П + графит (рис. 10.4,а). В этом чугуне количество связанного углерода составляет ~ 0,8%;

2. серый ферритно-перлитный со структурой Ф + П + графит. Ко­личество связанного углерода в нем менее 0,8 %;

3. с ерый ферритный со структурой Ф + графит (рис. 10.4, б). В этом чугуне весь углерод находится в виде графита.

Рис. 10.3. Структурная диаграмма чугунов в зависимости от содержания кремния и углерода (а) и толщины стенки отливки (б):

I - белый чугун; II половинчатый чугун; III, Н1а, Шб- серый перлит­ный, ферритно-перлитный и ферритный чугун соответственно

Рис. 10.4. Микроструктуры серых чугунов. хЗОО:

а - перлитного; б - ферритного

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металли­ческой основы и главным образом от количества, формы и размеров гра­фитных включений. Прочность, твердость и износостойкость чугунов ра­стут с увеличением количества перлита в металлической основе, которая по строению аналогична сталям. Решающее влияние графита обусловле­но тем, что его пластинки, прочность которых ничтожно мала, действу­ют как надрезы или трещины, пронизывающие металлическую основу и ослабляющие ее. При растяжении (наиболее жестком виде нагружения) по концам графитных включений легко формируются очаги разрушения. По этой причине серые чугуны плохо сопротивляются растяжению, имеют низкие прочность и пластичность. Относительное удлинение при растя­жении независимо от структуры основы не превышает 0,5 %. Чем крупнее и прямолинейнее форма графитных включений, тем ниже сопротивление разрыву. И, наоборот, чем мельче и разобщеннее графитные включения, тем меньше их отрицательное влияние.

Значительно слабее влияние графита при изгибе и особенно при сжа­тии, т.е. при более «мягких» видах нагружения. Статическая прочность серых чугунов при изгибе примерно в 2 раза, а при сжатии — в 4 раза выше, чем при растяжении. Прочность при сжатии и твердость определя­ются в основном структурой металлической основы чугунов. Они близки к свойствам стали с той же структурой и составом, что и металлическая основа чугуна.

Более высокая чувствительность чугунов к нормальным напряжени­ям, чем к касательным, сохраняется при циклических нагрузках. При этом сопротивление усталости у них, как и у сталей, растет с увеличе­нием статической прочности. Предел выносливости при круговом изгибе сг—1 = (0,45... 0,58)сг_в. Наибольшее его значение имеют чугуны с измель­ченными графитными включениями и перлитной основой.

Для серых чугунов характерно следующее соотношение пределов вы­носливости при растяжении, изгибе и кручении: ст_ 1_р : а_\ : т_ 1 = = 1 : 2 : 1,3. Наиболее высоко сопротивление усталости чугунов сжи­мающим напряжениям. При пульсирующем цикле сжатия оно в 5 - 6 раз выше, чем при пульсирующем цикле растяжения.

В соответствии с отмеченной особенностью чугуны целесообразнее использовать для деталей, работающих на сжатие. Однако в реальных условиях эксплуатации может возникнуть сложное напряженное состоя­ние. В этом случае работоспособность чугуна лимитируется долей растя­гивающих напряжений. Поэтому показателем механических свойств се­рых чугунов, в соответствии с ГОСТ 1412-85, является прочность при статическом растяжении.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, по­казывающей уменьшенное в 10 раз значение (в мегапаскалях) временного сопротивления при растяжении (табл. 10.2).

Прочность чугуна существенно зависит от толщины стенки отливки. Указанное в марке значение сг_в соответствует отливкам с толщиной стен­ки 15 мм. При увеличении толщины стенки от 15 до 150 мм прочность и твердость чугуна уменьшаются почти в два раза.

Графит, ухудшая механические свойства, в то же время придает чу- гунам ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке ре­занием, оказывает смягчающее действие и, следовательно, повышает из­носостойкость чугунов, придает им демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугу­нов к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивления усталости чугунных и стальных деталей соизмеримы.

Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от деталей в несколько граммов (поршневые кольца двигателей) до отливок в 100 т и более (станины станков). Выбор марки чугуна для конкретных условий работы определяется совокупностью технологических и механи­ческих свойств.

Ферритные серые чугуны СЧ 10, СЧ 15 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса ре­дукторов, подшипников, насосов, а также суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и пр.

Таблица 10.2. Механические свойства чугунов

Марка чугуна	Св	О"0,2	8, %	НВ		Структура металличес­кой основы
	МПа
	Серые	чугуны (ГОСТ Ц12-85)
СЧ 10	100	-	-	-190		ф
СЧ 15	150	-	-	163-210		ф
СЧ 25	250	-	-	180 - 245		Ф+П
СЧ 35	350	-	-	220 - 275		п
Высокопрочные чугуны					(ГОСТ 7293 - 85)
ВЧ 35	350	220	22	140-170		ф
ВЧ 45	450	310	10	140 - 225		Ф+П
ВЧ 60	600	370	3	192 - 227		Ф+П
ВЧ 80	800	490	2	248 - 351		п
ВЧ 100	1000	700	2	270 - 360		Б
Чугуны с вермикулярным графитом (ГОСТ 28384 ~ 89)
ЧВГ 30	300	240	3	130-180		Ф
ЧВГ 35	350	260	2	140 - 190		Ф+П
ЧВГ 40	400	320	1,5	170 - 220		Ф+П
ЧВГ 45	450	380	0,8	190 - 250		п
	Ковкие чугуны (ГОСТ 1215- 79)
КЧ 30 - 6	300	-	6	100- 163		Ф+до 10 % П
КЧ 35 - 8	350	-	8	100-163		Ф+до 10 % П
КЧ 37 - 12	370	-	12	110-163		Ф+до 10 % П
КЧ 45 - 7	450	-	7	150 - 207		Ф+до 10 % П
КЧ 60 - 3	600	-	3	200 - 269		П+до 20 % Ф
КЧ 80 - 1,5	800	-	1,5	270 - 320		П+до 20 % Ф

Ферритно-перлитные серые чугуны СЧ 20, СЧ 25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических на­грузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, бара­баны сцепления, станины различных станков, зубчатые колеса и другие

отливки.

Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ 30, СЧ 35 обладают более высокими механическими свойствами главным образом из-за мелких разобщенных графитных включений. Измельчение графитных включений в них достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилици­ем или силикокальцием (0,3- 0,6 % от массы шихты). Модифицированные чугуны используют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и пр. Чугуны этих марок облада­ют наибольшей герметичностью. По этой причине их широко применяют также для корпусов насосов, компрессоров, арматуры тормозной пневма­тики и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применя­ют легированные серые чугуны: жаростойкие (дополнительно содержат Сг, А1), жаропрочные (Сг, №, Мо). Применение находят также немагнит­ные, хромоникелевые чугуны с аустенитной структурой.

Из них изготовляют стойки для магнитов, крышки выключателей и пр.

Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке. Ис­пользуют низкий отжиг (~ 560 °С) для снятия внутренних напряжений и стабилизации размеров, нормализацию или закалку с отпуском для повы­шения механических свойств и износостойкости. Для повышения износо­стойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других деталей отдельных двигателей автомобилей перлитные чугуны подвергают азоти­рованию