книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

содержится графита и чем он крупнее. Графит уменьшает предел прочности чугуна при растяжении, а также предел упругости и пропорциональности; пластичность (относительное удлинение, удар­ ную вязкость), модуль упругости. Отрицательное влияние графита на эти свойства можно снизить уменьшением количества и разме­ ров включений и максимальным приближением их формы к шаро­ видной.

Чугун, в отличие от стали, обладает низкой чувствительностью к надрезам. Появляющиеся в чугунной отливке надрезы (раковины,

Рис. 160. Диаграмма состояния железоуглероди­ стых сплавов

поры, неметаллические включения, риски, образующиеся при меха­ нической обработке, и т. д.) в небольшой степени уменьшают кон­ структивную прочность чугуна. Такие же надрезы в стальной отливке резко ухудшают ее свойства, особенно пластичность и уста­ лостную прочность.

Эта особенность чугуна объясняется наличием большого числа надрезов, образуемых включениями графита и высокой, цикличе­ ской вязкостью чугуна. Циклическая вязкость характеризуется энергией, которая рассеивается (переводится в теплоту) при пере­ менных нагрузках в упругом материале.

230

§ 2. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЧУГУНА

По содержанию углерода чугуиы делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. При затвердевании доэвтектических чугунов выделяется в первую очередь высокоуглеродистая фаза — первичный графит пли первичный цементит. Затвердевание эвтектики происходит при температуре эвтектической остановки. Состав эвтектики и температура эвтектического превращения зави­ сят от того, в какой системе, стабильной или метастабильной, оно происходит. Структура чугуна окончательно формируется при эвтектоидном превращении.

При кристаллизации серого чугуна к моменту эвтектоидного превращения основными структурными составляющими являются аустенит и графит, образовавшийся при эвтектическом превращении и выделившийся из аустенита при охлаждении в интервале темпера­ тур от эвтектического до эвтектоидного превращения. При эвтектопдном превращении происходит перегруппировка (переупаковка) атомов железа из кубической гранецентрированной решетки у — Fe в кубическую объемноцентрированную а — Fe и диффузионное от­ деление углерода от железа. В результате превращения образуются структуры, состоящие из феррита и высокоуглеродистой фазы. При медленном охлаждении происходит полное диффузионное отделение углерода, кристаллизующегося в виде графита. В этом случае окон­

соединение с железом и не образует цементит. Диаграмма Fe—С в общем сходна с диаграммой Fe—Fe3C, но линии ее несколько смещены влево и вверх. Характерные точки диаграммы Fe—С обоз­ начены теми же буквами, что и на диаграмме Fe—Fe3C, но со штри­ хом сверху.

По линии CD' происходит выпадение первичного графита, по линии E'C'F' — затвердевание графитовой эвтектики — это тонкая механическая смесь аустенита и графита. При дальнейшем охлажде­ нии до линии P 'S 'К' выделяется эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и графита. Чугуны, в которых углерод частично или полностью выделился в виде графита, называют ф е р р и т н ы м и , так как металлическую основу их'составляет феррит. Углерод в виде графита выделяется лишь при очень медленном охлаждении. При быстром же охлаждении в процессе кристаллизации (первичной и вторичной) выделяется не графит, а цементит.

При некотором увеличении скорости охлаждения выделение графитового эвтектоида прекращается до линии P 'S 'К' и оставшийся углерод переходит (по линии PSIi() в цементит, в результате чего образуется некоторое количество перлита. Такой чугун будет иметь основу — феррит, перлит и включения графита (Ф + П + Г). Этот чугун называют ф е р р и т н о - п е р л и т н ы м .

231

нит по линии PSK превратится в перлит. Такой чугун будет иметь основу — перлит и включения графита в виде чешуек. Такой чугун называют п е р л и т н ы м , он имеет структуру перлит + графит

(П + Г).

При увеличении скорости охлаждения между линиями эвтекти­ ческого и эвтектоидного превращения из аустенита еще до перлита будет выделяться не графит, а цементит. Такой чугун имеет струк­

вструктуре чугуна наряду с графитом находится ледебурит (при увеличенной скорости охлаждения и эвтектическом превращении). Такой чугун называют п о л о в и н ч а т ы м . Белый чугун является совершенно не графнтизированным, углерод в нем находится в виде химического соединения с железом. Структура белого чугуна состоит из перлита и структурно-свободного цементита (П + Ц).

Чугуны считаются эвтектическими, если они содержат 4,2— 4,3% С. При наличии многих компонентов возможно образование

вчугуне сложных эвтектик. Например, фосфор (при содержании

вчугуне не менее 0,06—0,08% Р, обычно при 0,1—0,2%) образует

сжелезом и углеродом фосфидную эвтектику, затвердевающую при 950° С. Фосфидная эвтектика в обычных серых чугунах, содержа­ щих около 2% Si, затвердевает в виде тройной эвтектики аусте­ нит — цементит — фосфид.

Размер и форма включений графита зависят от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации, скорости охлаждения и содержа­ ния графитизирующих примесей. Чем больше в жидком чугуне нерастворимых мелких частичек (центров кристаллизации), тем мельче будет графит.

Для увеличения количества центров кристаллизации в жидкий

чугун перед разливкой вводят вещества, называемые м о д и ф и ­ к а т о р а м и . В качестве модификаторов применяют алюминий, кремний, графит и другие вещества. С уменьшением продолжитель­ ности кристаллизации и повышением содержания графитизирую­ щих компонентов в чугуне пластинки графита укрупняются и удли­ няются. Большое влияние на графитизацию чугуна оказывают крем­ ний, углерод, алюминий, никель, марганец, хром, сера, молибден, магний.

Кремний уменьшает растворимость углерода в жидком и твер­ дом растворах, способствует графитообразованию. Поэтому с уве­ личением содержания кремния механические свойства высокоугле­ родистых чугунов понижаются. При содержании же свыше 3% кремния растворимость углерода в чугуне уменьшается, в резуль­ тате образуются крупные выделения графита (спели) и феррита, вызывающие повышение твердости и хрупкости чугуна. Каждый процент кремния уменьшает содержание углерода примерно на 0,3%, т. е. изменяет степень эвтектичности чугуна. Степень эвтек-

232

тичности чугуна определяется долей эвтектики в его структуре. В случае превращения в метастабильной системе степень эвтектичности находят по формуле

где С — содержание углерода в чугуне.

Для сплава, не содержащего кремния, степень эвтектичности,

Поскольку, как указано выше, кремний изменяет степень эвтек­ тичности чугуна, то влияние его на степень эвтектичности выра­ жают при помощи «углеродного эквивалента», вычисляемого в про­ центах. С учетом содержания кремния в чугуне углеродный экви­ валент будет

СЭ= С + 0,3Si.

С учетом содержания кремния и фосфора

C3 = C + 0,3(Si + P).

Чугуны считаются эвтектическими, когда углеродный эквивалент равен 4,2—4,3%. Соответственно с учетом влияния кремния и фо­ сфора степень эвтектичности чугуна может быть определена из вьг ражения

э4,3—0,3 (Si + P) ’

Углерод и кремний оказывают количественное влияние не только на структуру чугуна, но также и на дисперсность структурных составляющих. При повышении углеродного эквивалента Сэ уве­ личивается количество графита Г, снижается количество перлита П и одновременно укрупняются включения графита и уменьшается дисперсность перлита П. Поэтому для повышения прочности чугуна необходимо снижать содержание углерода и кремния (только до определенного предела из-за возможного появления структурно­ свободного цементита и ухудшения механических свойств), что при­ водит к получению дисперсного перлита, уменьшению содержания феррита и графита, а также к измельчению последнего.

Марганец образует с углеродом карбиды Мп3С и Мп3С4 и ряд твердых растворов, с серой — сульфид марганца MnS по реакции

FeS + Мп з=1 MnS + Fe,

который почти не растворяется в железе. Марганец растворяется в феррите и соединяется с углеродом, образуя прочные карбиды, что повышает прочность чугуна и несколько снижает вязкость. Таким образом, марганец в чугуне нейтрализует вредное влияние серы.

При содержании в шихте до 1,2% марганца в шлаках резко уве­ личивается содержание серы (в 2—3 раза); 0,5—1% марганца в чу­

233

гуне не препятствует графитизации. Это объясняется тем, что мар­ ганец является раскислителем и десульфуратором; он уменьшает количество закиси железа и серы в чугуне, которые препятствуют графитизации.

Марганец снижает температуру превращения у -» а , расширяет область у-раствора и способствует стабилизации и повышению дисперсности перлита. Благодаря этому содержание до 1,5% мар­ ганца положительно влияет на механические свойства серого чу­ гуна. Карбидообразующее действие марганца заметно влияет при относительно высоком его содержании (1,5—2%).

Сера соединяется с железом, образуя легкоплавкую эвтектику Fe + FeS с температурой плавления 985° С. В жидком чугуне сера может растворяться в неограниченном количестве, а в твердом — незначительно.

Сера, присутствующая в виде сульфидов, богатых железом, или в виде эвтектики, сильно тормозит графнтизацию в низкомар­ ганцовистых чугунах, снижает их механические свойства из-за обра­ зования на границах зерен хрупкой эвтектики. Ыейтрализацня этого влияния серы и максимальная степень графитизации для данного

чугуна обычно достигаются при отношении - ^ - = 4-4-5. При этом

сера в основном находится в виде сульфидов марганца, не влияю­ щих на графнтизацию.

Сульфидные соединения увеличивают вязкость чугуна, ухудшают жидкотекучесть и механические свойства. При содержании 0,12— 0,14% серы резко понижается жидкотекучесть и увеличивается ко­ личество цементита и перлита в структуре чугуна — появляется отбел в тонких сечениях отливок. О т б е л получается вследствие того, что сульфиды железа, имея низкую температуру плавления, кристаллизуются по границам зерен и препятствуют растворимости углерода, кремния в железе и распаду цементита.

Фосфор уменьшает растворимость углерода в чугуне и темпера­ туру эвтектического превращения. Фосфор при содержании до 0,3% полностью растворяется в чугуне, а свыше 0,3% образует фосфидную эвтектику в виде отдельных включений Fe3P—Fe3C—Fe, плавящуюся при 950° С. При содержании свыше 0,6—0,7% фос­ фора фосфидная эвтектика выделяется в виде сплошной сетки, рас­ положенной по границам кристаллов. Поэтому в чугуне для ответ­ ственных отливок должно быть не более 0,15—0,20% фосфора, а для отливок, работающих на истирание без удара, когда требуются хорошие антифрикционные свойства,— до 0,6—0,7% фосфора. Фосфор повышает жидкотекучесть,- поэтому содержание фосфора в чугуне для художественного литья увеличивают до 1 % и выше. На графитизацию фосфор влияет незначительно.

Хром в чугуне при эвтектическом превращении является кар­ бидообразующим элементом, а при эвтектоидном повышает устой­ чивость аустенита. Хром увеличивает прочность чугуна при повы­ шенных температурах и многократных нагревах, поэтому его вводят

234

в состав жаростойких и окалиностойких чугунов. Хром повышает твердость, сопротивление износу, коррозии в морской воде и слабых растворах кислот, но увеличивает хрупкость чугуна. При содержа­ нии свыше 0,8% хрома прочность чугуна понижается из-за образо­ вания свободных карбидов хрома. Самостоятельно в качестве леги­ рующего элемента хром применяют редко, его чаще всего применяют вместе с никелем, молибденом, медью и др.

Никель в сплавах железо — углерод понижает критические точ­ ки А г и Л3, сдвигает влево и вниз критические точки Е и S, немного повышает температуру эвтектического превращения, увеличивает устойчивость аустенита, растворимость углерода в жидком и твер­ дом растворах, а также содержание углерода в эвтектике и в эвтектоиде, является графитизирующим элементом. Никель действует иа эвтектическое превращение аналогично кремнию, в то же время задерживает распад эвтектоидных карбидов, тем самым стабилизи­ рует перлит и способствует повышению его дисперсности.

При содержании более 2% никеля структура чугуна становится сначала полностью перлитной, затем сорбитной; при содержании 4,5—5%- никеля образуется мартенсит, а при 20% никеля чугун имеет мартенситную структуру. Никель повышает коррозионную стойкость чугунных отливок в морской воде и щелочах.

Медь при содержании до 3—4% легко растворяется в жидком чугуне, способствует графитизации и уменьшает твердость чугуна,

всером чугуне — стабилизации перлита и увеличивает твердость, понижает температуру эвтектического превращения, способствует получению структуры, близкой к однородной в тонких и толстых сечениях отливки. Пониженное содержание меди в высокоуглероди­ стом чугуне повышает прочность и твердость. Оптимальное содер­ жание меди в легированном сером чугуне 3—4%.

Медь во время затвердевания чугуна способствует графитиза­ ции, но в процессе эвтектоидного превращения она препятствует распаду перлита. Медь увеличивает сопротивление чугуна коррозии

ватмосферных условиях, в растворах солей, кислот, нефти. При содержании меди более 2% заметно превращение шаровидного гра­ фита в пластинчатый, а при содержании 3% меди получить шаровид­

ный графит не удается.

Титан понижает температуру эвтектического превращения и способствует переохлаждению чугуна, при содержании до 0,5% в доэвтектическом чугуне способствует графитизации и выделению графита в виде мелких пластин. Обычно в чугун вводят 0,05—0,1% титана и только в чугун для поршневых колец — до 0,2%. Титан является хорошим раскислителем, способствует равномерному рас­ пределению в чугуне графита. Максимальное выделение графита на­ блюдается при 0,1% титана. Титан нейтрализует действие хрома в чугуне, являясь модификатором, вследствие чего отпадает необхо­ димость в повышении содержания кремния. Титан способствует по­ вышению механических свойств, особенно прочности высокоуглеро­ дистых чугунов.

235

Титан не растворяется в цементите, с углеродом и азотом образует карбонитриды, являющиеся самостоятельной фазой. Титан, связы­ вая азот в виде нитрида, облегчает разложение эвтектического и эвтектоидного цементита, т. е. способствует графитизации чугуна.

При содержании свыше 0,18—0,20% титан с углеродом образуют карбиды и препятствуют графитизации. Титан используется как модификатор при производстве ковкого чугуна и является нежела­ тельной примесью для отливок из высокопрочного чугуна, так как препятствует образованию шаровидного графита.

Молибден снижает температуру начала и конца кристаллизации аустенита, в чугуне образует твердые растворы с цементитом и растворяется в нем до 1,3%. При обычных скоростях охлаждения для отливок из серого чугуна молибден ускоряет графитизацию. При содержании молибдена в сером доэвтектическом чугуне до 1 % количество цементита не увеличивается, при содержании молибдена до 3% тормозится графитизации, при более высоком содержании молибдена чугун затвердевает белым. Молибден увеличивает проч­ ность и твердость доэвтектических чугунов, также повышает крат­ ковременную прочность чугуна при высоких температурах, тепло­ стойкость, ростоустойчивость, сопротивление износу и ударную вязкость. Молибден улучшает жаропрочность чугуна и в этом отно­ шении превосходит все другие элементы.

§ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ

Белый чугун (рис. 161) состоит из перлита и структурно-свобод­ ного цементита (П + Ц), углерод находится в нем в виде химиче­ ского соединения с железом. Белый чугун обладает высокой твер­ достью, хрупкостью и не поддается обработке резцом, поэтому его применяют в машиностроении очень редко, только в тех случаях, когда деталь работает на износ (щеки камнедробилок, мелющие ша­ ры, тормозные вагонные колодки и т. д.). Рабочая поверхность от­ ливок должна иметь структуру белого чугуна, а центральная часть, как более прочная, — структуру серого. Такие отливки называют отбеленными или закаленными.

Белый чугун, низкоуглеродистый и низкокремнистый, приме­ няют также для производства ковкого чугуна. Сначала отливки получают из белого чугуна, а затем они подвергаются специальной термической обработке — отжигу на ковкий чугун.

Серый чугун обычно имеет пластинчатый графит, но модифици­ рование жидкого чугуна магнием или церием способствует получе­ нию в отливках графита шаровидной формы. По составу основной металлической массы отливки из серого чугуна могут быть четырех

(П + Ц + Г) состоит из перлита, включений структурно-свободного цементита и пластинчатого графита. Такую структуру можно полу­ чить при пониженном содержании кремния в чугуне и быстром охла­

236

§4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧУГУНА ДЛЯ ОТЛИВОК

■Серый чугун с пластинчатым графитом используют для отливок главным образом деталей машин. Основными потребителями яв­ ляются различные отрасли машиностроения (автомобильное, тран­ спортное и др.). Качество чугуна для отливок оценивают по его механическим свойствам. Свойства отливок регламентируются ГОСТ 1412—70 (табл. 30). При выборе состава чугуна литейщик должен учитывать технологический процесс его получения с учетом влияния различных факторов на структуру чугуна и его механиче­ ские свойства.

СЧ 36-56, СЧ 40-60 применяют, когда необходимо по техническим условиям получить отливки для работ в условиях повышенного из­ носа (например, детали двигателей, различные цилиндры, отливки металлорежущих станков и т. п.) и когда требуется повышенная твердость массивных рабочих поверхностей и определенная микро­ структура чугуна, содержащего дисперсный перлит и мелкие вклю­ чения графита.

Согласно ГОСТ для определения механических свойств чугуна отливают цилиндрические заготовки диаметром 30 мм и длиной 360 мм или же квадратные — сечением 25 X 25 мм, такой же длины. Образцы для испытания на растяжение вытачивают из отдельно залитых заготовок, диаметр расчетной части должен быть 10; 15; 20 и 25 мм.

239