2.2.2. Структурные диаграммы чугуна

Длительное время для определения ожидаемой структуры в отливке пользовались диаграммой Маурера (рис. 2.7, а). Из всех факторов, которые влияют на структурообразование, на диаграмме учтены только концентрации С и Si. Области различных структурных составляющих на диаграмме разделяются прямыми линиями, исходящими из точки, соответствующей эвтектическому составу чугуна. Общее уравнение граничных прямых на диаграмме Маурера имеет вид:

Кг = С + nSi = С + tg a S i = const = 4,3,

где Kr - константа графитизации, коэффициент, численно оценивающий влияние С и Si на граф итизацию чугуна; п коэффициент, характеризующий соотношение графитизирующей способности С и Si.

Рис. 2.7. Структурные диаграммы Маурера (а) и Гиршовича (б): 1 белый (ковкий) чугун; 2 - половинчатый; 3 - перлитный чугун; 4 - перлито-ферритный чугун; 5 - ферритный чугун

В области 1 (белые чугуны) п л 2, т.е. Si действует в 2 раза сильнее, чем С. В перлитной области п s 1, а дальше п s 0,5, т.е. уже утере ц влияет сильнее кремния.

Недостатки диаграммы Маурера заключаются в неточности границ областей, особенно при малых концентрациях Si. Диаграмма не учитывает такой важный фактор, как скорость охлаждения. Она построена на основании изучения структуры отливок с приведенным размером R = 12,5 мм (заготовки 0 5 0 мм). Параметр R (его еще называют приведенной толщиной отливки) представляет собой отношение объема отливки (или отдельного элемента отливки) к площади поверхности. Для протяженной плоской отливки (типа плиты) R = 772, где Т - толщина. Для удлиненной цилиндрической отливки R = DI4, где D - диаметр.

Практика использования диаграммы Маурера показала, что она удовлетворительно согласуется с производственными данными лишь при концентрациях углерода и кремния, характерных для обычных марок чугуна (2,9-3,4 % С и 1,8-3,2 % Si).

Со временем структурны е диаграммы непрерывно совершенствовались. Так, Н.Г. Гиршович в качестве уравнения границ структурных областей выбрал гиперболическую зависимость

К = С (Si + lg R).

Значение константы графитизации изменяется в значительных пределах от 4,5 до 14 - в зависимости от приведенного размера R. На диаграмме Гиршовича (рис. 2.7, б) дополнительно нанесены изолинии углеродного эквивалента Сэ, позволяющие дать качественную оценку величины и характера распределения графитовых включений. Так, оба сплава с различным химическим составом, обозначенные на диаграмме точками Л и Б, находятся в одной области половинчатых чугунов, но у чугуна состава В углеродный эквивалент меньше, значит, в нем будет меньше графита и его включения будут иметь меньшие размеры.

Данная диаграмма, как видно из уравнения, учитывает и толщину стенки отливки Т = 2R, но для того чтобы воспользоваться диаграммой, надо сначала найти сумму Si + lg R или иметь серию таких диаграмм, построенных при условии R = const.

Более современная уточненная структурная диаграмма Гиршовича - Иоффе отличается тем, что на ней области различного графита разделены криволинейными границами, сближающимися при малых концентрациях кремния. На этой диаграмме в отличие от гиперболической диаграммы Гиршовича, границы структурных областей имеют почти прямолинейный характер. Гиршович и Иоффе предложили целую серию диаграмм для немодифицированных и модифицированных чугунов с различной толщиной стенки и с различным содержанием хрома. Некоторые из них приведены на рис. 2.8. На нем штриховыми линиями разграничены области графита: I - пластинчатый неориентированный; II - междендритный; III - точечный (коралловидный); I - II и II - III - смешанный.

Наиболее полная графическая схема связей между составом, структурой и свойствами графитизированных чугунов показана на рис. 2.9. Эта обобщенная комплексная номограмма для расчета структуры и ф изико-м еханических свойств серого чугуна составлена под руководством А. Жукова.

Центральная часть номограммы построена в традиционных для серого чугуна координатах % С - % Si. Содержание других элементов и примесей подразумевается в обычных средних пределах. На номограмме нанесены изолинии S3= const (изоэвтектики) и К = const. Механические свойства серого чугуна зависят от степени его эвтектичности; чем она ниже, тем меньше графитная фаза перерезает металлическую матрицу, тем больше прочность и выше твердость чугуна.

а б Рис. 2.8. Структурные диаграммы Гиршовича - Иоффе для образцов с

приведенной толщиной R = 7,5 мм: а - обычный чугун; 6 - модифицированный чугун

В левой части номограммы изоэвтектики сопрягаются с областями свойств стандартных серых чугунов и позволяют определить механические свойства чугуна в отливке (или марку чугуна) в зависимости от толщины стенки и вида литейной формы (сырая или сухая).

Нижняя часть номограммы служит для определения структуры металлической матрицы и характера графитной фазы в зависимости от параметра ЭТ. Параметр ЭТ - эквивалентная толщина отливки, равен удвоенному отношению объема элемента отливки к его поверхности, т.е. удвоенному приведенному размеру R (ЭТ = 2 R). Если отливка представляет собой плоскую плиту большой протяженности, то ЭТ равна фактической толщине плиты. Если элемент отливки имеет форму длинного цилиндра, то ЭТ равна его радиусу. Вход в эту часть номограммы и осуществляется по изолиниям К г.

Шкала ЭТ, представляющая собой скорость затвердевания чугуна в литейной форме, приведена в виде наклонной прямой в левом нижнем углу номограммы как для сырых песчано-глинистых литейных форм, так и для сухих. Если стенка отливки оформлена с одной стороны в сырой форме, а с другой в сухой (например, песчаным стержнем), то необходимо пользоваться среднеарифметическим значением двух шкал.

В правом нижнем углу, предназначенном для определения вида графитовых включений, продублирована шкала эквивалентных толщин (ЭТ). Римские цифры обозначают области существования различного графита: I - первичный; II пластинчатый (неориентированный); III пластинчатый (м еждендритны й); IV - точечный (коралловидны й). Стрелками показаны сдвинутые границы структурных областей для серых чугунов, модифицированых ферросилицием ФС75.

Кривая в левой верхней части ограничивает область, в которой определение прочности и твердости становится бессмысленным из-за отбела чугуна.

На рис. 2.9, в качестве примера, показано определение структуры и свойств чугуна, содержащего 3,2 % С и 1,8 % Si (содержание других элементов в обычных пределах) в деталях с толщиной стенки 10 мм, отлитых в сырой песчано-глинистой форме.

Через фигуративную точку М (соответствующую составу чугуна) проведены обе изолинии. На шкале толщин стенок отливок при литье в сырые формы через точку 10 мм проведены вертикаль и горизонталь (тонкие линии со стрелками). Вертикаль, опущенная вниз из точки пересечения изолинии Кг с осью абсцисс диаграммы химических составов, пересекается с горизонталью толщин стенок в точке, расположенной внутри области «перлитные чугуны». С ледовательно, структура металлической матрицы будет перлитной.

Далее эта же горизонталь сопрягается с продолжением переломленной линии изоэвтектики внутри области II + III структурной диаграммы графита. Это означает, что в микроструктуре чугуна будет

наблюдаться смесь пластинчатого неориентированного графита с пластинчатым междендритным.

Линия пересечения изоэвтектики с линией ординат диаграммы химического состава, сопрягается с вертикалью от шкалы ЭТ в области «25» диаграммы механических свойств. Это означает, что в отливке прочность чугуна а в не менее 250 МПа, а твердость в пределах 180-250 НВ.

Чтобы определить марку чугуна, необходимо найти место пересечения вертикали от точки «15» шкалы ЭТ при литье в сухие формы (стандартные пробы обычно отливаются в сухих стержневых формах и имеют диам етр 30 мм, т.е. эквивалентную толщину 15 мм) с изоэвтектикой. В данном случае получаем чугун СЧ 25. Маркировка серых чугунов рассмотрена ниже.

Номограмма дает и некоторые дополнительные сведения. Так, при определении структуры точка пересечения оказалась почти на границе с областью половинчатых чугунов. Следовательно, чугун целесообразно модифицировать (например, выплавить металл с 1,6 % Si и добавить 0,2 % Si в ковш) При таком модифицировании можно получить графит типа II вместо графита типа II+III. Он будет более однородный.

2.3. Серые чугуны

Наличие пластинчатого графита в структуре серого чугуна определяет его физико-механические и служебные свойства. С одной стороны, нарушая сплошность металлической основы, пластинчатый графит существенно снижает предел прочности при испытании на разрыв и пластичность. С другой стороны, благодаря пластинчатому

чувствительность к концентраторам напряжений. Чугун имеет высокую демпфирующую способность и хорошо гасит вибрации.

С точки зрения литейщиков, серый чугун очень технологичный материал. По сравнению с другими видами чугуна и, особенно, со сталью он обладает отличной жидкотекучестью и малой склонностью к образованию усадочных дефектов.

Получение пластинчатой формы графита не требует термообработки или обязательного модифицирования. Пластинчатый графит имеет множество разновидностей. В соответствии с ГОСТ 3443-87, его различают по форме включений (см. рис. 2.3), по длине включений (см. рис. 2.4) и по характеру распределения (см. рис. 2.5). Количество графита определяется по площади, занятой графитовыми включениями (см. рис. 2.6).

Металлическая матрица может быть ферритной, перлитной или перлито-ферритной. Наиболее распространенной является перлито­ ферритная матрица при различном количественном соотношении этих

структурных составляющих. Дисперсность перлита, т.е. расстояние между пластинками цементита (мкм) колеблется от ПдО.З до Пд1,6. Чем больше феррита, а также чем больше графита и крупнее его включения, тем ниже прочность и твердость чугуна. Характер распределения графита больше влияет на такие служебные свойства, как износостойкость, стойкость против задиров. Фосфидная эвтектика и эвтектический цементит повышают износостойкость чугуна.

Микроструктура серого чугуна и соответственно прочность, твердость и другие свойства определяются следующими факторами: химическим составом; скоростью охлаждения при кристаллизации и в твердом состоянии; модифицированием. Наибольшее влияние на структуру оказывают углерод и кремний. Чем выше их содержание, тем больше графита в структуре и крупнее его включения, больше феррита и меньше дисперсность перлита. Совместное влияние этих элементов можно оценить при помощи таких параметров, как углеродный эквивалент Сэ, степень эвтектичности S3 или степень насыщенности Sc.

Скорость охлаждения чугуна прежде всего и в наибольшей степени определяется толщиной стенки отливки. Чем толще стенка, тем ниже ее прочность и твердость. При большой скорости охлаждения на поверхности отливки из чугуна с низким содержанием углерода и кремния может появиться отбеленный слой с очень высокой твердостью. Чтобы избежать отбела, высокопрочные чугуны с низким содержанием углерода

икремния подвергают графитизирующему модифицированию.

2.3.1.Марки и механические свойства

Воснову классификации серых чугунов по маркам положен принцип регламентации минимально допустимой прочности. В соответствии с этим принципом, в обозначении марки чугуна содержится минимально допустимое значение а в, определенное при испытании образцов из стандартной литой заготовки диаметром 30 мм (приведенный размер отливки R = 7,5). В ГОСТ 1412-85 включено 6 марок серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30 и СЧ 35. По требованию потребителя ГОСТ 1412-85 допускает использование чугунов СЧ 18, СЧ 21 и СЧ 24. Условное обозначение включает в себя буквы СЧ - серый чугун - и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при

растяжении (7 ВЮ *1 (в МПа). Превышение минимального значения а в в данной марке чугуна допускается не более чем на 100 МПа.

Ранее в маркировке указывалось и минимально допустимое значение предела прочности при изгибе а изг. Так, ГОСТ 1412-70 содержал 11 марок чугунов: СЧ 00, СЧ 12-28, СЧ 15-30, СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 24-44, СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 36-56, СЧ 40-60 и СЧ 44-64. В таком обозначении первые цифры показывают а в, а вторые а изг. В 1979 году перешли на новую маркировку, а число марок сократили до 9. В отличие от действующего

стандарта, ГОСТ 1412-79 дополнительно содержал марки СЧ 18, СЧ 40 и

СЧ 45.

Прочность чугуна данной марки в отливке зависит от скорости охлаждения при кристаллизации и в твердом состоянии, которая, при прочих равных условиях, определяется толщиной стенки отливки. В приложении к стандарту приводятся минимально допустимые значения (Тв и максимально допустимые значения твердости в стенках различного сечения (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Механические свойства серого чугуна в стенках отливки различного сечения (приложение 1 ГОСТ 1412-85)

Эта таблица позволяет конструктору выбрать марку чугуна, обеспечивающую требуемую прочность в стенке отливки заданной толщины, или определить прочность чугуна, которую следует ожидать в этой стенке при заливке чугуном выбранной марки. Не рекомендуется выбирать более прочную марку чугуна, чем требуется по расчету. Это приводит к увеличению твердости, а иногда к отбелу тонких сечений и кромок и ухудшению обрабатываемости отливок. Наиболее правильным методом ограничения максимальной прочности является установление для чугуна каждой марки максимально допустимого значения твердости. Это и предусмотрено в приложении 1 к ГОСТ 1412-85.

Выше ценится чугун, у которого при одинаковой с другими чугунами прочности меньше твердость. Он более пластичен, вязкок и лучше

обрабатывается резанием.

Отношение прочности к твердости можно считать показателем

качества (ПК) отливок из серого чугуна:

ПК= сгв/нв.

Отметим другие, не регламентируемые ГОСТом, механические свойства серого чугуна.

Минимальные значения прочности при изгибе и сжатии приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2 Механические свойства серого чугуна при статическом нагружении

Предел прочности при изгибе долгое время был вторым по значению показателем механических свойств и, как указывалось, входил в обозначение марки чугуна. Он примерно в 2 раза выше, чем сгв.

Предел прочности при сжатии у серого чугуна выше, чем С7В, ориентировочно в 3-4 раза. В связи с этим данный вид чугуна является прекрасным технологичным материалом для деталей, работающих в условиях воздействия преимущественно сжимающих и изгибающих напряжений.

Обе эти характеристики в меньшей степени, чем сгв, зависят от нарушения сплошности чугуна графитом, поэтому отношения 0 ,сж/СТв и увеличиваются с уменьшением прочности (с увеличением количества

графита) чугуна:

Чугунные отливки лучше работают в условиях сжатия или изгиба, чем растяжения. Ребра жесткости в чугунных деталях нужно располагать так, чтобы они воспринимали сжимающие, а не растягивающие усилия.

Относительное удлинение серого чугуна очень мало. Разрушение образцов при растяжении происходит практически без пластической деформации (8 = 0.5...1,0 %). В связи с этим предел пропорциональности и предел упругости не имеют физического смысла и не определяются.

Серые чугуны являются хрупким материалом. Ударная вязкость КС находится в пределах от 10-80 кДж/м2. Более высокую КС имеют у

Ударная вязкость не дает полной характеристики работоспособности серых чугунов при воздействии умеренных ударных нагрузок. Например, ферритные чугуны, имеющие более высокую, чем перлитные чугуны, ударную вязкость при однократном приложении нагрузки, разрушаются при меньшем числе ударов с небольшой энергией. Более объективным показателем является сопротивление удару. Оно определяется либо числом ударов до разрушения при циклических ударных испытаниях, либо суммарной энергией многократных ударов до разрушения образца. Эти показатели тоже имеют прямую зависимость с прочностью чугуна, а их численное значение свидетельствует о том, что серые высокопрочные чугуны могут выдерживать длительные ударные нагрузки, обычно встречающиеся при эксплуатации машин:

Циклическая вязкость (ф), которая характеризует способность гасить вибрационные колебания, выгодно отличает серый чугун от литой углеродистой стали. Численное значение ф у серого чугуна различных марок составляет 20-30 %, это значительно выше, чем у чугуна с шаровидным графитом (не более 15 %) и стали (не более 4 %). Циклическая вязкость повышается с увеличением сечения отливок и понижается с уменьшением содержания графита. В связи с этим следует избегать изготовления станин, корпусов и других деталей машин и станков, подверженных вибрации, из чугуна высоких марок.

Изучение физических свойств чугунов показало, что большинство из них являются структурно чувствительными, особенно электрические и магнитные характеристики. Это дает возможность применять различные

неразрушающие методы контроля микроструктуры и свойств чугунов.

2. 3. 3. Литейные свойства

Литейные свойства серого чугуна значительно лучше, чем у других сплавов. Это определяет сравнительную простоту технологических процессов и высокий коэффициент выхода годного при чугунном литье. Прежде всего следует отметить ж и д к о т е к у ч е с т ь (/_ж). Отличная жидкотекучесть чугуна позволяет получать из него фасонные тонкостенные отливки значительных размеров. Ж идкотекучесть повышается при увеличении температуры заливки и степени эвтектичности чугуна. Особо благоприятное влияние на жидкотекучесть оказывает повышенное содержание фосфора. Однако при этом резко снижается ударная вязкость, повышается твердость и растет склонность к образованию холодных трещин.

Ж идкотекучесть чугуна определяется в соответствии с ГОСТ 16438-70 по спиральной пробе, отливаемой в песчаной или металлической форме. Зная химический состав чугуна, его жидкотекучесть /_ж (см) при различных температурах заливки можно рассчитать по формуле

= 83(С + 0,5 Р + 0,25 Si) + 0,425 tzan- 826,5

Отсюда следует, что чем ниже марка чугуна и выше содержание фосфора, тем выше жидкотекучесть. Влияние других элементов определяется, главным образом, изменением вязкости металла. Так, при одновременно высоком содержании Мп и S образуются сульфиды MnS, которые, как и другие тугоплавкие неметаллические включения и не растворившийся графит, понижают /_ж. Высокое значение жидкотекучести полезно во всех случаях литья, так как уменьшается вероятность образования спаев, недоливов, газовых раковин, усадочной пористости и других дефектов. Однако нет необходимости всегда перегревать чугун. Температуру заливки можно устанавливать исходя из минимально достаточной жидкотекучести, которая устанавливается в зависимости от толщины отливок и марки чугуна. Так, для чугунов от СЧ 15 до СЧ 30 можно рекомендовать следующие допустимые пределы /_ж:

Обычно в литейных цехах имеются эталонные наборы клиновых или прямоугольных проб, с которыми сравнивают залитые пробы. По величине отбела ориентировочно определяют марку чугуна и принимают решение о возможности разливки чугуна или о необходимости его доводки.

JL

Рис. 2.10. Типы проб для оценки склонности чугуна к отбелу: а, 6 - клиновые пробы, отливаемые в стержнях; в - прямоугольная проба, отливаемая песчаной форме с холодильником; 1 - стержень, 2 - холодильник

2. 3. 4. Служебные и технологические свойства

Изучение служебных (фрикционные свойства, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость, герметичность) и технологических (обрабатываемость и свариваемость) свойств чугуна позволяет правильно выбрать материал для того или иного изделия.

При сухом трении в паре с фрикционными пластмассами серый чугун обеспечивает высокий и стабильный коэффициент трения, хорошее торможение. Благодаря этому его можно применять для изготовления тормозных барабанов и дисков автомобилей, самолетов, дисков фрикционов. При трении со смазкой в паре со сталью, чугуном, другими металлами серый чугун является антифрикционным материалом.

Чугун занимает важное место среди износостойких материалов. Из него изготовляю тся многие отливки, работающие на износ, шестерни, подшипники, колеса, тормозные колодки, направляющие станков, суппорты, порш невые кольца и др. Графит при трении частично выкрашивается и играет роль твердой смазки. При трении со смазкой графитовые включения впитывают смазку, смазка удерживается и в полостях

от выкрошившегося графита. Этим объясняется то, что в широком интервале скоростей и нагрузок чугун является антифрикционным и износостойким материалом, кроме случая трения в абразивной среде.

Серый чугун не является коррозионно-стойким материалом. Но в атмосферных условиях, в пресной и морской воде, в контакте с почвой потери СЧ при коррозии значительно меньше, чем углеродистой стали. Для повышения стойкости в некоторых слабоагрессивных средах чугун легируют добавками Си, Ni, Сг. При воздействии сильных реагентов следует применять специальные высоколегированные чугуны.

Повышенной жаростойкостью также обладают только высоколегированные чугуны. При работе на воздухе серый чугун сохраняет повышенную стойкость только при температурах 450-500 °С, а в атмосфере печных газов лишь до 350 °С.

Герметичность чугуна зависит от наличия графитной и усадочной пористости. Она повышается при уменьшении количества и размеров включений графита, улучшении условий питания и степени легированности чугуна.

Технологические свойства серого чугуна определяются его составом и структурой. Обрабатываемость значительно лучше, чем у стали. Она связана обратной зависимостью с твердостью чугуна. В присутствии графита стружка получается крошащейся и давление на резец уменьшается, растет его стойкость. Недопустимо появление отбела на обрабатываемых поверхностях.

2. 3. 5. Химический состав

Химический состав должен обеспечивать получение чугуна заданной марки, прочность и твердость которого в пробной литой заготовке соответствуют требованиям ГОСТа. В приложении к ГОСТ 1412-85 приведен рекомендуемый химический состав для каждой марки чугуна (табл. 2.4).

Химический состав, приведенный в табл. 2.4, является факультативным, т.е. отклонение от него не считается бракующим признаком. Только в тех случаях, когда химический состав и, особенно, содержание легирующих элементов должны обеспечивать выполнение специальных требований к отливке (жаропрочность, износостойкость и др.), химический состав обязательно должен соответствовать техническим условиям или требованиям чертежа.

Рекомендуемый химический состав имеет достаточно широкие пределы содержания элементов. Его можно изменять в зависимости от условий производства (метод плавки, состав шихты), характеристики отливок (масса, максимальная и минимальная толщина стенки) и технических требований к отливкам.