Отраслевые стандарты и руководящие материалы уточняют рекомендуемый состав чугуна применительно к своей номенклатуре отливок, и их эксплуатационных особенностей.

Таблица 2.4

Примечание: допускается низкое легирование различными элементами (хромом, никелем, медью, фосфором и др.).

Определяющими факторами при выборе состава являются требуемые структура и свойства чугуна. Выбрав структуру чугуна в зависимости от условий работы отливки, определяют состав металла, обеспечивающий получение выбранной структуры с учетом скорости охлаждения и условий кристаллизации. Для этих целей можно использовать структурные диаграммы, рассмотренные выше. Обычно сначала задаются определенным содержанием углерода. Затем, зная приведенный размер R или эквивалентную толщину ЭТ и условия охлаждения отливки, по структурной диаграмме находят содержание кремния, необходимое для получения нужной структуры чугуна.

2. 3. 6. Модифицирование серых чугунов

Получение высоких марок чугунов СЧ 25 - СЧ 35 возможно только при условии проведения модифицирования. Кроме того, модифицирование серого чугуна проводят с целью предупреждения отбела в тонких сечениях, получения в структуре тонкостенных отливок равномерно распределенного пластинчатого графита и уменьшения разницы в прочности и твердости между разными стенками отливок.

Успех модифицирования зависит от правильного выбора исходного состава чугунов, их достаточно высокого перегрева, правильного выбора модификатора и строгого соблюдения технологии самого модифицирования и последующих операций. Выбранный исходный состав чугуна считается оптимальным, если без модифицирования он затвердеваете половинчатой структурой.

Жесткие требования к механическим свойствам ограничивают содержание углерода и кремния (см. табл. 2.4). Содержание углерода в чугунах СЧ 25 - СЧ 35 рекомендуется в пределах 2,9-3,4 %. Нижняя граница определяется возможностями ваграночного процесса (в вагранках сложно получать низкоуглеродистый чугун из-за науглероживающего воздействия топлива - кокса, с которым непрерывно контактирует расплав) и желанием предотвратить получение частичного или полного отбеливания отливок после модифицирования. Содержание углерода выше верхней границы недопустимо из-за неизбежного ухудшения механических свойств, так как модиф ицирование вы сокоуглеродисты х чугунов неэф ф ективно. Микронеоднородность жидкого расплава в них настолько велика, что модифицирующие присадки не оказывают заметного воздействия на кристаллизацию.

Сравнительно ограниченные возможности изменения содержания углерода компенсируются регулированием в более широких пределах содержания кремния. Для рассматриваемых чугунов содержание кремния колеблется в пределах 1,2-2,2 %. Этого достаточно для обеспечения графитизации модифицированного металла. Повышенные концентрации кремния применяются для тонкостенных отливок.

Содержание вредных примесей серы и фосфора должно быть ограничено соответственно до 0,12 и 0,20 %. Для повыш ения механических свойств модифицируемых чугунов можно использовать низкое легирование никелем, молибденом, медью.

Из-за сравнительно низкого углеродного эквивалента рассматриваемых сплавов предъявляю тся высокие требования к температуре жидкого чугуна до модифицирования. Она должна быть в пределах 1440-1460 °С.

ф ерросилиций марки ФС75л и модиф икаторы на основе ФС75л с различными активными добавкам и (Ва, Са и др.). Количество модификатора, вводимого в чугун, находится в пределах от 0,2 до 1,5 %. Это существенно повышает содержание кремния в расплаве. Химический состав чугуна приводится в ГОСТе или в технических условиях с учетом кремния, введенного с модификатором, поэтому для модифицирования выплавляют чугун с пониженным содержанием кремния. Эффект модифицирования проверяется сравнением клиновых проб исходного и модифицированного чугуна. Как указывалось, до модифицирования чугун должен иметь половинчатую структуру, а после модифицирования частичный отбел на острие клина. Величина допустимого отбела зависит от толщины стенки будущей отливки.

2.3.7. Термическая обработка

Основные характеристики чугунных отливок определяются химическим составом и условиями охлаждения после заливки в форму. Дальнейшее улучшение свойств может быть достигнуто с помощью термической обработки. Её проводят для снятия внутренних напряжений, обеспечения минимальных деформаций при эксплуатации, улучшения обрабатываемости и износостойкости, а в отдельных случаях - для устранения отбела в отливках, т.е. для устранения брака.

При отжиге для снятия напряжений (искусственное старение) снижение напряжений в отливках происходит в результате необратимых пластических деформаций. Внутренние напряжения могут самопроизвольно сниматься при длительном хранении отливок. Этот процесс называется естественным старением и протекает несколько месяцев. Для ускорения процесса снятия напряжений отливки нагревают до температур, ускоряющих деформации. Температура отжига не должна превышать значений, выше которых начинается распад эвтектоидного цементита, входящего в перлит, так как это приведет к снижению прочности и твердости чугуна. Чем выше содержание кремния, тем ниже тем пература, при которой начинается графитизация перлита и снижение механических свойств.

Предельно допустимые температуры отжига, таким образом,

В зависим ости от конф игурации детали и габаритных размеров продолжительность выдержки составляет от 2 до 8 часов (1,0-1,5 часа на каждые 25 мм толщины сечения). Чтобы не возникли дополнительные температурные напряжения, нагрев и последующее охлаждение до температуры 250 °С должны быть медленными. Для простых отливок скорость нагрева не более 200 град/ч, а охлаждения - 150 град/ч. Для разностенных отливок сложной конфигурации скорость нагрева и охлаждения не более 20 град/ч.

Структура и в большинстве случаев механические свойства при этом виде отжига не изменяются.

Отжиг низкотемпературный графитизирующий (ферритизирующий отжиг) вызывает изменение исходной структуры. Он проводится при более высоких температурах 680-750 °С. При этом частично или полностью разлагается перлит (происходит распад эвтектоидного цементита в перлите на феррит и графит). Это сопровождается снижением твердости и улучшением обрабатываемости. Прочность чугуна существенно снижается, поэтому такой отжиг проводится только для отливок с низкими требованиями по прочности. Время выдержки при температуре отжига от 1 до 4 ч, в зависимости от требуемой конечной структуры.

Отжиг высокотемпературный графитизирующий проводится для снятия наружного отбела отливок. Разложение свободного цементита происходит при температурах 850-950 °С в течение 1-4 ч. При медленном охлаждении происходит частичная ферритизация, конечной структурой будет пластинчатый графит в перлитно-ф ерритной или ферритной матрице.

Нормализация и закалка способствуют повышению твердости (при этом возрастает износостойкость) и механических свойств. Это достигается переводом ферритной или феррито-перлитной структуры в перлитную. Закалка и отпуск позволяют получить ряд структур и свойств, не получаемых при нормализации. Нормализация и закалка основываются на общих законах аустенитного превращения при нагреве, сопровождающегося увеличением растворимости углерода в железе, а отличаются скоростью обратного превращения.

Кремний в чугуне создает, повышает и расширяет эвтектоидный интервал, поэтому температура нагрева чугуна выше, температуры нагрева стали при соответствующей обработке. Нагрев отливок при переходе через зону графитизации 550-600 °С должен быть ускоренным, чтобы не произошло увеличение количества и размеров графитовых включений.

При охлаждении на воздухе (нормализация) в обогащенном углеродом аустените эвтектоидное превращ ение происходит без выделения феррита. Образуется мелкодисперсная перлитная структура с повышенной твердостью и более высокой прочностью.

Более быстрое охлаждение при закалке приводит к получению неравновесных структур (мартенсит, троостит и др.). В закаленном состоянии чугун отличается высокой твердостью , повышенной хрупкостью , пониженной прочностью и больш ими внутренними напряжениями. Для предотвращ ения закалочных трещин сложные ф асонные отливки охлаждают в масле. После закалки отливки подвергают отпуску: низкому при 200 °С, при котором остается мартенситная структура и высокая твердость, но снижаются закалочные напряжения; среднему при 250-500 °С, при котором происходит м артенситное превращ ение и достигаю тся наиболее высокие механические и эксплуатационные свойства; высокому при 600-700 °С, при котором можно получить структуру зернистого перлита с меньшей твердостью, чем у мартенсита, но более пластичную.

Изотермическая закалка в соляную ванну или другую жидкую закалочную среду при температуре 300-400 °С с последующей выдержкой позволяет получить бейнитную структуру. Это обеспечивает высокие механические свойства и износостойкость, а сравнительно низкие напряжения уменьшают опасность появления трещин и коробления.

Поверхностная закалка проводится для чугунных деталей, работающих на износ, например станины металлорежущих станков. Нагрев

газовыми горелками или токами высокой частоты с последующим водоструйным охлаждением позволяет получить тонкий закаленный слой глубиной от 1 до 4 мм.

2.3.8. Применение серых чугунов

Основными отраслями машиностроения, в которых используют отливки из серых чугунов, являются: автотракторостроение, станкостроение, тяжелое машиностроение, электротехническая и санитарно-техническая промышленность и др. Рассмотрим некоторые наиболее характерные примеры использования серого чугуна в этих отраслях.

В авт от ракт орост роении основную номенклатуру отливок из серого чугуна (до 25 % от массы всех отливок) составляют ответственные детали: блоки, головки, гильзы цилиндров, распределительные валы и крышки коренных подшипников двигателей; тормозные барабаны, тормозные диски и диски сцепления; выпускные коллекторы и некоторые другие детали. Для этих отливок используют стандартные или низколегированные чугуны марок СЧ 20 и СЧ 25. Так, чугун для гильз цилиндров должен обладать хорошей износостойкостью и теплостойкостью и антизадирными свойствами. По механическим свойствам чугун должен удовлетворять марке СЧ 25. Для придания специальных свойств применяют низкое легирование такими элементами, как Ni до 0,5 %, Сг до 0,8 %, Р до 0,6 %, Си до 0,7 %, V до 0,35 % и В до 0,01 %.

В с т а н к о с т р о е н и и из серого чугуна получают широкую номенклатуру литых деталей с массой от 0,1 кг до 100 т. Толщина стенок отливок колеблется от 4 до 200 мм. Большинство станкостроительных деталей работают преимущественно на жесткость, а не на прочность, поэтому предпочтение отдается чугунам с повышенной твердостью и пониженной пластичностью. Такие чугуны отличаются повышенными (по сравнению с рекомендациями ГОСТа) концентрациями кремния и марганца

иболее низким содержанием углерода. Применяют и низкое легирование молибденом, никелем, хромом, оловом и медью. Из наиболее характерных деталей можно назвать корпуса, станины, столы, стойки, различных станков, кузнечно-прессовых и литейных машин. ОСТ 2 МТ21-2-83 предусматривает специальную классификацию отливок. При выборе марки чугуна в зависимости от класса, группы детали и приведенной толщины стенки отливки сначала определяют необходимый минимальный уровень твердости

имикроструктуру, а затем находят марку чугуна, которая обеспечит требования по твердости и микроструктуре. Используют как немодифицированные чугуны марок СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30, так и модифицированные чугуны СЧ 25 и СЧ 30.

Вэлектротехнической промышленности из чугуна изготовляют станины электродвигателей, которые должны иметь облегченную конструкцию с минимальной толщиной стенки.

Для лучш его теплообмена на внеш ней поверхности выполнены многочисленные тонкие ребра. Так как обработка отливок производится на автоматических линиях (массовое производство), то недопустим отбел кромок. Исходя из указанных требований, применяют чугун марки СЧ 15 с повышенным содержанием углерода (3,2-3,6 %) и кремния (2,2-

2,6%).

В санитарно-технической промыш ленност и используют около 10% от общего объема чугунных отливок. Литьем получают секции отопительных радиаторов, секции отопительных котлов и арматура к ним, трубы, раковины, ванны и другие тонкостенные (4-8 мм) изделия. Применяют чугун марки СЧ 10 с повышенным содержанием углерода (3,5-3,7 %) и фосфора (0,3-0,6%), что обеспечивает высокую жидкотекучесть.

2.4. Ковкие чугуны

Ковким называют чугун с компактными включениями графита, образовавшимися при отжиге белого чугуна. В соответствии с ГОСТ 3443-85 различают три разновидности графитовых включений в ковких чугунах (рис. 2.11): нитевидные (КГф1), хлопьевидные (КГф2) и компактные (КГфЗ).

Благодаря такой форме графита ковкие чугуны (КЧ) обладают более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью, чем серые чугуны. Компактная форма графита получается в результате отжига белого чугуна,в ходе которого химически связанный углерод высвобождается и

Марки и механические свойства ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79

С увеличением количества перлита в КЧ повышаются твердость и прочность, а пластичность падает.

В отливках с более толстыми стенками механические свойства КЧ ниже, чем в тонкостенных, но ухудшение свойств с увеличением толщины сечения происходит в меньшей степени, чем у серых чугунов.

Из механических свойств, не регламентируемых стандартом, в первую очередь следует отметить повышенную, по сравнению с серыми чугунами, ударную вязкость. Максимальной ударной вязкостью обладает ферритный КЧ (КС = 550. ..2000 кДж/м2). Именно из-за повышенных значений ударной вязкости и пластичности этот чугун стали назвывать "ковким", хотя собственно процессам ковки данный вид чугуна подвергаться не может. Отливки из ферритного КЧ можно подвергать холодной правке, а отливки из перлитного чугуна можно править только в горячем состоянии.

Отливки из КЧ используют во многих отраслях промышленности: в автом обилестроении, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, станкостроении и др. Масса отливок может быть от нескольких граммов до 250 кг, минимальная толщина стенок отливки 3 мм, м аксимальная для обезуглерож енного чугуна 25 мм, для графитизированного 60 мм, в отдельных случаях до 100 мм.

Так, в автом обилестроении из КЧ отливаю т: картеры дифференциала, заднего моста и руля, кронштейны двигателя (КЧ 3510,КЧ 37-12), ступицы* колес, тормозные барабаны, втулки (КЧ 45-7, КЧ 50-5, КЧ 55-4), шатуны, поршни, шестерни, коленчатые валы (КЧ 60-3 - КЧ 80-1,5). Распределительны е валы изготовляю т из перлитного сернистого чугуна. Из обезуглероженного (белосердечного) чугуна получают

сварные конструкции - выхлопные коллекторы, карданные валы, кронштейны и др.

Обладая механическими свойствами, близкими к свойствам литой стали и ЧШГ, высоким сопротивлением ударным нагрузкам при комнатной

инизких температурах, лучшей, чем ЧШГ, обрабатываемостью резанием

исвариваем остью , КЧ является прекрасным конструкционным материалом, особенно для мелких деталей, работающих в тяжелых условиях, и сварных конструкций, несмотря на склонность к образованию трещин и энергоемкость получения готовых отливок.

2.4.2. Физические и литейные свойства

Плот ност ь КЧ зависит от соотношения структурных составляющих: феррита, перлита, графита и цементита, имеющих плотность 7860, 7780, 2250 и 7660кг/м3 соответственно. Белый чугун имеет плотность от 7350 до 7660 кг/м3 После отжига она понижается до 7200-7400 кг/м3 у ферритного КЧ и до 7300-75003кг/м у перлитного КЧ. Плотность КЧ уменьшается при повышении содержания углерода.

Теплопроводность КЧ выше, чем литой стали, СЧ и ЧШГ. Литейные свойства КЧ определяются его состоянием до отжига,

т.е. речь идет о литейных свойствах белого чугуна. Из-за низкой эвтектичности литейные свойства существенно ниже, чем у серого чугуна. Большинство отливок из КЧ имеет тонкие стенки и сложную конфигурацию, поэтому большое внимание уделяется жидкотекучести. Она может быть рассчитана по той же формуле, что и жидкотекучесть СЧ (см. подраздел 2.3.3). Углеродный эквивалент жидкотекучести, входящий в формулу для расчета жидкотекучести:

Сэ.ж = С + 0,5Р + 0,25 S i,

имеет меньшие значения, чем у СЧ, поэтому, при прочих равных условиях, у КЧ будет меньше и расчетное значение жидкотекучести. Особенно резко жидкотекучесть КЧ понижается при увеличении в нем содержания серы и марганца вследствие образования сульфидов (Mn, Fe) S, повышающ их вязкость расплава. Для улучшения жидкотекучести необходимо увеличивать температуру разливки чугуна.

Объемная и линейная усадка у КЧ в 1,5-2,0 раза больше, чем у СЧ. Для получения плотных отливок без усадочных дефектов необходимо на тепловые узлы устанавливать прибыли (как правило, ограничиваются боковыми прибылями). Линейная усадка колеблется в пределах от 1,6 до 2,3 %. Изготовление моделей для отливок из КЧ должно производиться с учетом указанной усадки при получении белого чугуна и изменения размеров отливки во время отжига. При отжиге черносердечного чугуна происходит его расширение благодаря графитизации, поэтому усадка принимается

равной 1 %. В процессе обезуглероживания, наоборот, окончательная усадка отливок может быть даже больше, чем исходного белого чугуна. В обоих случаях усадка зависит от толщины отливок, определяющей соотношение между процессами графитизации и обезуглероживания. Чем тоньше отливка, тем интенсивнее обезуглероживание и тем больше, следовательно, ее усадка. Поэтому в тонкостенном белосердечном чугуне усадка может достигать 2,5-3,0 %, а в толстостенном черносердечном может снижаться до нуля.

Следствием повышенной усадки является образование значительных внутренних напряжений, а также склонность к появлению горячих и холодных трещин в отливках. Эти явления усугубляю тся неблагоприятным сочетанием высокого модуля упругости Е, низких значений G B и 5 и повышенной усадки белого чугуна. Для улучшения трещиноустойчивости рекомендуется до минимума снижать содержание серы и фосфора, а также уделять повышенное внимание к податливости литейных форм.

2.4.3. Химический состав ковких чугунов

Химический состав ковких чугунов устанавливают в зависимости от требуемых механических свойств (марки чугуна), толщины стенок отливки, типа плавильного агрегата, способа отжига и т.д. При определении химического состава главное внимание уделяют содержанию углерода и кремния.

Основным регулятором механических свойств является углерод. Чем выше марка чугуна (как ферритного, так и перлитного), тем ниже должно быть содержание углерода. Это приводит к уменьш ению количества графита, измельчению его размеров и улучшению формы включений. Обычно содержание углерода назначают в пределах 2,2-2,9%, что обеспечивает хорошее сочетание механических и технологических свойств.

Кремний вводят в таких максимальных количествах, чтобы при выбранной концентрации углерода в любом сечении сырой отливки не было выделений графита. Кремний увеличивает содержание феррита, упрочняет его и повышает твердость. Пластичность и ударная вязкость при увеличении содержания кремния падают. Для перлитного и ферритного КЧ содержание кремния выбирают в пределах 0,7-1,4 %. Концентрация кремния выше верхнего предела может привести к графитизации при затвердевании отливок, а ниже нижнего предела ухудшает отжигаемость КЧ.

Марганец связывает серу в сульфиды, вся сера в чугуне будет находиться в виде тугоплавкого сульфида марганца MnS при содержании Мп > 1,7S+(0,1-5-0,3). Марганец сверх количества, необходимого для связывания серы, препятствует графитизации при второй стадии отжига, повышает прочность, но снижает ударную вязкость и пластичность. Сера, не связанная в сульфиды MnS, также препятствует графитизации при второй стадии отжига, повышает прочность и снижает пластичность.

Отношение Mn/S влияет на форму графитных включений: при Mn/S, равном 4-5, в структуре отожженного КЧ будут преобладать хлопьевидные включения графита, при 2,5 - компактные, а при>1 - глобулярные. Для ферритного чугуна необходимо выдерживать вышеуказанное соотношение между марганцем и серой: Мп >1,7 S+ (0,1-5-0,3). Оптимальным является отношение Mn/S = 3. Для перлитного чугуна оно может быть меньшим или большим. Перлитная матрица может быть получена либо при повышенном содержании марганца и низком содержании серы, либо при примерно равных концентрациях марганца и серы (Mn/S = 0,95...1,00). Высокосернистые перлитные КЧ (0,25-0,40 % Мп и 0,30-0,55 % S) обладают повышенной износостойкостью при абразивном износе.

Фосф ор несколько упрочняет феррит и повышает жидкотекучесть, но при содержании 0,15-0,20 % Р в структуре появляется много фосфидной эвтектики, которая охрупчивает чугун. Чтобы этого не произошло, содержание фосфора в КЧ не должно превышать 0,12 %, а в КЧ, предназначенном для деталей, работающих в условиях повышенных динамических нагрузок, допускается не более 0,05 % Р.

Медь при содержании до 0,5 % растворяется в феррите, измельчает структуру, повышает прочность, ударную вязкость и предел усталости при некотором снижении относительного удлинения. Она также повышает сопротивление коррозии в атмосферных условиях, под действием дыма, пара и серной кислоты, сокращает длительность отжига, улучшает обрабатываемость резанием.

Из других элементов следует отметить хром. Он часто попадает в чугун при плавке шихты, содержащей отходы легированных сталей. Так как хром стабилизирует цементит, то при повышенном содержании он затрудняет отжиг как на первой, так и на второй стадиях. При концентрации хрома более 0,3 % невозможно получить ферритный КЧ. В связи с этим содержание хрома в КЧ ограничивают 0,06-0,08 % или смягчают его воздействие при модифицировании.

Рекомендуемый химический состав для некоторых марок черносердечного КЧ приведен в табл. 2.6.