20. Высокопрочные чугуны. Структура, свойства, область применения.

Графит в чугунах существует в следующих формах:

- п л а с т и н ч а т ы й графит, в виде лепестков, прожилок; - в е р м и к у л я р н ы й (или мелкопластинчатый) графит, разновидность первого, при этом пластины похожи на нити; - ш а р о в и д н ы й (глобулярный) графит; - х л о п ь е в и д н ы й графит.

1 2 3 4

1 - пластинчатый, 2 - мелкопластинчатый (вермикулярный), 3 - хлопьевидный, 4 - шаровидный графит.

Для получения шаровидного графита при плавке чугуна применяют присадку магния (или церия). Такая форма графитовых включений в структуре материала создает значительно меньшую концентрацию механических напряжений. Чугун с глобулярным графитом называют высокопрочным. Марки ВЧ30, ВЧ100. ГОСТ 7293 - 85.

При отжиге, используя неустойчивость цементита, происходит распад цементита. Образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную, но не шаровидную форму. Такой графит называют хлопьевидным. В практике такой чугун называют ковким. Марки КЧ 33 - 8, КЧ 80 - 1,5. ГОСТ 1215 - 79.

Чугуны воспринимают термическую обработку. Например, используется зависимость вида затвердевания от скорости охлаждения. Поверхность при этом подлежит белому затвердеванию (наличие цементита обеспечивает высокую твердость), в то время как внутри отливки с уменьшающейся скоростью охлаждения происходит переход от половинчатого до серого затвердевания чугуна. При термообработке детали, предназначенной под трение и изнашивание поучают отбеленную поверхность.

Механические свойства чугуна: сопротивление разрыву, изгибу, кручению, обусловлены количеством и формой графита. Предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят от строения металлической основы. Влияние формы графитовых включений и структуры металлической основы на пластичность, твердость чугуна показано в таблице. Наличие структурно свободного графита обеспечивает хорошую обработку со снятием стружки. Антифрикционные свойства чугуна, например, подшипников лучше, чем стали. Необходимые свойства получаются благодаря тому, что средства смазки вымывают графит, и могут образовываться накопления смазочного материала. К антифрикционным чугунам принадлежат марки: АЧС, АЧК, АЧВ. ГОСТ 1585 - 85. Такие чугуны при плавке легируют никелем, хромом, титаном, алюминием, свинцом и магнием не более 0.5 %. Легированные сорта чугуна обладают стойкостью против морской воды и обладают хорошей устойчивостью против многих кислот и щелочей. ГОСТ 7769-82. По химическому составу различают несколько групп легированных чугунов: хромистые (ЧХ16М2), кремнистые (ЧС15М4), алюминиевые (ЧЮ6С5), марганцевые (ЧГ7Х4) и никелевые (ЧНХТ), а по условиям эксплуатации: жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, коррозионностойкие и немагнитные. При этом один и тот же легирующий элемент придает чугуну несколько специальных свойств.

Данные физико - механических свойств чугуна:

марка	бв, МПа	, %	НВ, МПА	металлическая основа	Графит	Предельные режимы работы, p/v	ГОСТ
СЧ10	98		1430-2290	феррит - перлит	пластинчатый	нет данных	1412 -85
ВЧ 35	1000	2	2700-3600	бейнит	шаровидный	нет данных	7293-85
КЧ 30-6	294	6	1000-1630	феррит	хлопьевидный	нет данных	1215-79
АЧС-1	нет данных	нет данных	1800-2410	перлит	пластинчатый	5/5	1585-85
ЧС15М4	60		2949-3940	ледебурит	нет	нет данных	77769-82

21. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей.

Сувеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая углерода меньше 0.8%, состоит из феррита и перлита, при содержании С, равном 0.8%, сталь состоит только из перлита, при увеличении содержания углерода более 0.8% в стали кроме перлита появляется вторичный цементит. Изменение химического состава приводит к изменению структуры стали и ее свойств. Увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Приводимые механические свойства относятся к горячекатанным изделиям без термической обработки, т.е. при структуре перлит + феррит или перлит + цементит. С увеличением содержания углерода плотность изменяется незначительно от 7.85 до 7.7 г./см.куб., коэрцетивная сила, электросопротивление возрастают на от 3 до 18 Э. и от 0.12 до 0.23 ОМммкв/м, соответственно, при изменении С от 0.2 до 1.6 %.

Хрупкой фазой в стали является цементит. Увеличение содержания углерода приводит в стали к образованию структур на основе перлита (феррит + цементит), в связи с чем при С = 0.8 % прочность стали при растяжении начинает падать, а твердость продолжает увеличиваться. Для сохранения прочностных свойств стремятся получить не пластинчатый, а зернистый цементит после термической обработки.

Постоянными примесями в стали считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород). Обычно содержание их ограничивается верхними пределами: % 0.8 Mn; 0.5 Si; 0.05 S; 0.05 P.

М а р г а н е ц - вводят в сталь при раскислении для устранения вредного влияния закиси железа. Mn повышает прочность горячекатанной стали, прокаливаемость, упругие свойства. При содержании более 1.5% сообщает склонность к отпускной хрупкости. При содержании более 13% и выше придает стали аустенитную структуру,

противоударную стойкость, высокую износостойкость. При нагреве способствует росту зерна.

К р е м н и й - вводится для раскисления. Полностью растворим в феррите. Увеличивает прочность, износостойкость и придает антифрикционные и упругие качества. Более 2% - снижает пластичность. Повышает прокаливаемость, но увеличивает температуры закалки, нормализации и отжига.

Ф о с ф о р - Растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость стали. При совместном действии С и Р (Р не более 1.2%) вызывается фосфидная эвтектика, плавящаяся при Т менее 1100 С. Фосфор - вредная примесь стали. Однако повышает обрабатываемость резанием и в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

С е р а - нерастворима в железе, образует с Fe соединение FeS сульфид железа. Последний входит в состав эвтектик, плавящихся при 988 С. Наличие зерен хрупкой и легкоплавящейся эвтектики по границам зерен стали делает ее при температурах 800 С и выше (в районе температур красного каления) - к р а с н о л о м к о й. В т.ж. время, сера повышает обрабатываемость резанием. Вредное влияние серы нейтрализуют введением марганца, образующего с ней сульфид MnS. MnS при горячей обработке давлением деформируется и создает продолговатые линзы - строчки. Их присутствие стали, как и других включений, в стали не допустимо для ответственных изделий. MnS стремятся перевести в шлак при плавке стали.

В о д о р о д, а з о т, к и с л о р о д - растворяются в стали. Кислород и азот образуют твердые труднодеформирующиеся вредные включения. Водород вызывает флокены. А газы вообще - эффекты деформационного старения, снижающие усталостные характеристики (вязкость и порог хладноломкости). Неметаллические включения после обработки давлением создают - п о л о с ч а т о с т ь (или с т р о ч е ч н о с т ь), вызывающую сильную анизотропию свойств. Для устранения вредного влияния растворяющихся газов применяют вакуумную разливку стали и специальные приемы раскисления.