книги / Чугуны. Структура и термическая обработка

Таблица 17

Марки и механические свойства ЧШГ (по ГОСТ 7293–85)

Аналоги высокопрочных чугунов зарубежных стран приведены в табл. 18 2 .

Структура матрицы зависит от химического состава чугуна, условий охлаждения при кристаллизации отливки и термической обработки, которая существенно влияет на комплекс механических и служебных свойств ВЧШГ. Так, наиболее пластичные и малопрочные чугуны – это чугуны ВЧ 35 и ВЧ 40 со

41

структурой феррита. Чугуны ВЧ 45 и ВЧ 50 имеют ферритноперлитную матрицу, а чугуны ВЧ 60, ВЧ 70 и ВЧ 80 – перлитные чугуны.

Самый плотный ( = 7250…7350 кг/м3) и прочный чугун – ВЧ 100 с бейнитной матрицей.

Механические свойства ЧШГ в меньшей степени, чем у СЧ и КЧ, зависят от толщины стенки отливки. Большой объем справочного материала по этой зависимости и соотношению между различными свойствами ( В, HB, ) ЧШГ содержит справочная литература 1, 4, 9, 12 , причем есть данные по свойствам, предусмотренным ГОСТ 7293–85 и не предусмотренным ГОСТом. Поскольку ВЧ используется как конструкционный материал для деталей ответственного назначения, большое внимание уделено ударной вязкости (табл. 19), вязкости разрушения и связи всех свойств со структурой и фазовым составом матрицы

(табл. 20, 21).

42

Таблица 19 Ударная вязкость ЧШГ и других типов чугунов при 20 С

Таблица 20 Механические свойства бейнитных и мартенситных ЧШГ

Таблица 21

Ударная вязкость ЧШГ с различным содержание второй фазы в структуре

Примечание. Химический состав ЧВГ, %: 3,7 C; 2,3 Si; 0,2 Mn; 0,008 S; 0,05 Mg.

43

Структура «твердого глаза» в чугунах с ШГ обеспечивает замечательное сочетание повышенной ударной вязкости, статической прочности, износостойкости и других эксплуатационных свойств. Структура «твердого глаза» – это пластичная ферритная матрица (40–80 %) с включениями ШГ, вокруг которого расположены оболочки бейнита или сорбита отпуска (объемная доля 20–60 %). При такой структуре разрушение межфазной поверхности ШГ–матрица замедленно. При бейнитной оболочке вокруг ШГ значения ударной вязкости следующие: КС+50 = 1650, КС–50 =180…220, КС–100 = 80 при химическом составе чугуна: 3,3–3,6 % C; 2,3 % Si; 0,3 % Mn; 0,06 % P; 0,012 % S; 0,028–0,034 % Mg.

Термическая обработка для получения такой структуры включает: ферритизирующий двухступенчатый отжиг и последующую изотермическую закалку. Режим отжига: t = 950 oC, выдержка 5 ч, охлаждение с печью до 720 oC, выдержка 15 ч, охлаждение на воздухе. Режим закалки: быстрый нагрев на 850–950 oC, кратковременная (несколько минут) выдержка, быстрое охлаждение в расплавах (печи с жидкими теплоносителями) до t = 400 C с выдержкой 30 мин.

Исходя из комплекса свойств, можно утверждать, что изделия из ЧШГ могут хорошо работать как при повышаемых (до 500–550 С), так и при понижаемых (до –196 С) температурах. Кроме того, ЧШГ имеют преимущество перед другими конструкционными черными сплавами по способности нести высокие нагрузки при наименьших деформациях и массе, что оценивают обобщенным показателем 0,2·E/ρ2, где 0,2 – условный предел текучести, МПа; Е – модуль упругости, ГПа; ρ – плотность кг/м3:

44

Приведенные значения показывают, что наиболее выгодный по минимальной массе материал – это ЧШГ. Сравнение материалов по 0,2 и В можно посмотреть по данным табл. 22.

Таблица 22

Механические свойства стали, ковкого чугуна и ЧШГ

По отношению 0,2/ В преимущество ЧШГ перед сталью очевидно (сталь 0,5–0,6; ЧШГ 0,7–0,8).

Таким образом, для снижения расхода материала и уменьшения массы изделия выгодно применение ВЧ взамен литой стали и даже стального проката.

Применение ЧШГ

Широкая номенклатура отливок из ЧШГ применяется в станкостроении, в сельхозмашиностроении и автомобилестроении. Например, рекомендуют 9, 12, 14 для изготовления рас-

45

пределительных и коленчатых валов взамен стального проката использовать чугуны ВЧ 60 и ВЧ 70; для изготовления зубчатых колес – бейнитные ЧШГ. Рекомендации по применению ЧШГ в сельхозмашиностроении приведены в табл. 23, а примеры типовых деталей из ЧШГ в различных отраслях машиностроения – в табл. 24, 25.

Таблица 23

Рекомендации по применению ЧШГ в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении

46

Таблица 24

Типовые детали, допускающие возможность отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

Таблица 25

Некоторые детали тяжелого машиностроения, отливаемые из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом

47

4.2.2. Чугуны с вермикулярным графитом

Чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) как самостоятельный вид чугуна стали выплавлять и использовать в промышленности лишь с 1968 г. При выплавке ЧВГ для получения качественной отливки необходим очень жесткий металлургический контроль. Вермикулярный графит (ВГ) – это промежуточная между пластинчатой (ПГ) и шаровидной (ШГ) форма. Лепестки ВГ имеют округлые кромки и меньшие размеры, чем лепестки ПГ, т.е. это короткие неразветвленные включения. В соответствии с ГОСТ 3443–87, для ВГ характерны узелковая (ВГ ф1), извилистая (ВГ ф2) и утолщенная (ВГ ф3) формы включений.

Марки и механические свойства ЧВГ регламентирует ГОСТ 28394–89 (табл. 26), а иностранные аналоги ЧВГ сведены в табл. 27.

Прочность в отливках разного сечения показана в табл. 28, а свойства ЧВГ в отдельно отлитых пробах – в табл. 29.

Таблица 26

Марки и механические свойства ЧВГ (ГОСТ 28394–89)

48

Таблица 28

Прочность ферритных и перлитных ЧВГ в отливках разного сечения

Примечание. СЭ – углеродный эквивалент.

В числителе – ферритный, в знаменателе – перлитный ЧВГ.

Таблица 29

Механические свойства ЧВГ в отдельно отлитых пробах диаметром 30 мм

Как следует из приведенных таблиц, целесообразно и эффективно применение ЧВГ для крупногабаритных отливок. По данным источников 1, 2, 7, 9 , предел прочности у ЧВГ с увеличением толщины стенки от 12,5 до 500 мм снижается на 25–30 %, а у СЧ уже в сечении 150 мм уменьшается почти вдвое и составляет для ЧВГ 320–350 МПа, тогда как у СЧ 35 уже при толщине стенки 100 мм не превышает 150–180 МПа. Следовательно, чувствительность механических свойств к изменению скорости охлаждения у ЧВГ значительно меньше, чем у СЧ, что позволяет обеспечивать высокое качество разностенных отливок сложной конфигурации независимо от массы отливки. Кроме того, у ЧВГ ниже склонность к отбелу, чем у СЧ и ЧШГ, и меньше, чем у ЧШГ линейная усадка, что позволяет изготовлять

49

отливки без прибылей и не иметь отбела тонкостенных отливок. Таким образом, чугун с вермикулярным графитом пригоден для изготовления широкой номенклатуры деталей в машиностроении. Например: для отливок деталей (головки и блоки цилиндров) автомобильных и судовых двигателей; в турбомоторостроении (корпуса газовых турбин, компрессоров и т.п.); в производстве деталей металлургического оборудования (кокильная оснастка, сталеразливочные изложницы и др.), для изготовления крупногабаритных деталей кузнечно-прессового оборудования. Применение ЧВГ для деталей ответственного назначения взамен серого чугуна снижает на 30–40 % металлоемкость изделий и повышает их эксплуатационную надежность 1, 2, 7, 9 .

Механические свойства ЧВГ можно регулировать, изменяя его микроструктуру путем термической обработки. Влияние термической обработки на структуру и механические свойства показано в табл. 30. Изменение количества перлита в матрице влияет как на твердость, прочность, так и на пластичность. Твердость с повышением количества П увеличивается линейно 9 : НВ = (П + 137) ± 28. Предел прочности при сжатии составляет 1200–1400 МПа, т.е. в 3–3,2 раза выше, чем при растяжении. Размеры включений графита у ЧВГ изменяются в узких пределах и практически не влияют на механические свойства. Влияние формы графита на механические свойства при одинаковой структуре матрицы можно сравнить по данным табл. 31.

Таблица 30

Влияние термической обработки на механические свойства ЧВГ

50