Конструкционные свойства и термическая обработка
Первой отличительной особенностью высокопрочного чугуна является компактная шаровидная форма включений графита. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объёме, в меньшей степени ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит серого чугуна. В отличие от пластинчатого шаровидный графит не является также активным концентратором напряжений. Все это обеспечивает значительное повышение прочности и особенно пластичности чугуна.
Второй отличительной особенностью высокопрочного чугуна является то, что в нем можно в широких пределах изменять структуру металлической основы (матрицы). В зависимости от этого могут быть получены различные показатели механических свойств.
Так, ферритные чугуны характеризуются высокой пластичностью при умеренной прочности и твёрдости. Более высокие временное сопротивление при растяжении, предел текучести и твёрдость имеют перлитно-ферритные чугуны, но пластичность их ниже. Нужные свойства чугунов этих двух классов получают непосредственно в литом состоянии без термообработки. Перлитные и бейнитные чугуны, несколько уступая перлитно-ферритным по пластичности, имеют гораздо более высокие показатели прочности и твёрдости. Это достигается введением в состав чугунов небольших добавок никеля и меди, а также термической обработкой – нормализацией (для перлитных чугунов) и изотермической закалкой с отпуском (для бейнитных).
Таким образом, важнейшей особенностью высокопрочного чугуна является высокий уровень механических свойств, соответствующий свойствам стали. Высокопрочный чугун может с успехом заменить не только стальное литье, но и поковки, что экономически выгодно.
По сравнению с углеродистой сталью высокопрочный чугун имеет следующие преимущества: более низкую температуру плавления, что облегчает технологию плавки и делает ее более дешевой; лучшую жид-котекучесть, что позволяет получать тонкостенные отливки, изготовле¬ние которых из стали затруднено; меньшую склонность к образованию горячих трещин, что значительно упрощает технологию производства отливок и сокращает брак литья; меньшую плотность, что позволяет снизить массу машин примерно на 8—10%; более высокую износостой¬кость, что увеличивает срок службы деталей машин; лучшую обрабаты¬ваемость резанием, что снижает расход режущего инструмента.
По сравнению с серым чугуном высокопрочный имеет не только более высокие механические свойства, но и лучшую свариваемость.
Применение высокопрочного чугуна
Из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом изготавливают отливки развесом от десятых долей килограмма до нескольких десятков тонн. Свойства ВЧШГ очень разнообразны, поэтому высокопрочный чугун применяется:
-
взамен серого чугуна — для удлинения срока службы отливок (изложниц, прокатных валков, поршней, поршневых колец и др.);
-
взамен стали — с целью упрощения и удешевления производства, уменьшения количества металла и рационализации конструкции отливок (коленчатых валов, траверс, шестерен и др.);
-
взамен цветных сплавов — целью сокращения расхода дефицитных металлов и уменьшения стоимости машин.
Наряду с конструкционными высокопрочными чугунами применяются высокопрочные чугуны со специальными свойствами: жаростойкий и ростоустойчивый (например, см. Нирезист), стойкий в различных агрессивных средах, антифрикционный высокопрочный чугун с низким коэффициентом трения и т.д.
Самая известная на сегодняшний день область применения высокопрочного чугуна — это производство труб из ВЧШГ.
Повышенные механические свойства чугуна (таблица 1) с шаровидным графитом позволяют использовать его для изготовления изделий ответственного назначения: рабочих деталей насосов высокого давления, деталей турбин, работающих в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, клапанов, шатунов, прокатных валков и др. Температура плавления высокопрочного чугуна-1150- 1200° С.
Таблица 1 – Механические свойства чугуна
|
Чугун
|
Предел прочности при растяжении, кгс/мм2 |
Относительное удлинение, % |
Ударная вязкость, кг*см/см2 |
Твердость НВ |
||
|
ВЧ 38-17 |
38 |
17 |
6,0 |
140-170 |
||
|
ВЧ 42-12 |
42 |
12 |
4,0 |
140-200 |
||
|
ВЧ 45-5 |
45 |
5 |
3,0 |
160-220 |
||
|
ВЧ 50-2 |
50 |
2 |
2,0 |
180-260 |
||
|
ВЧ 60-2 |
60 |
2 |
2,0 |
200-280 |
||
|
ВЧ 70-3 |
70 |
3 |
3,0 |
229-275 |
||
|
ВЧ 80-3 |
80 |
3 |
2,0 |
220-300 |
||
|
ВЧ 100-4 |
100 |
4 |
3,0 |
302-369 |
||
|
ВЧ 120-4 |
120 |
4 |
3,0 |
302-369 |
||
Маркировка.
Маркируют высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мегапаскалей. Например, высокопрочный чугун ВЧ 40 имеет временное сопротивление при растяжении 400 MПa, относительное удлинение - не менее 10%, твердость НВ = 1400-2200 МПа, структура перлито-ферритная. Маркировка по предшествующему ГОСТу 7293-79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах, например, ВЧ 40-10.
Диаграмма состояния железо – графит.
В результате превращения углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии в форме графита. Жидкая фаза, аустенит и феррит могут находиться в равновесии и с графитом.
Диаграмма состояния железо – графит показана штриховыми линиями на рисунке 2. Линии диаграммы находятся выше линий диаграммы железо – цементит. Температуры эвтектического и эвтектоидногопреврашений, соответственно, 1153oС и 738oС. Точки C, E, S – сдвинуты влево, и находятся при концентрации углерода 4,24, 2,11 и 0,7 %, соответственно.
При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния железо – цементит является метастабильной, а диаграмма железо – графит – стабильной. Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.
Рисунок 2 - Диаграмма состояния железо – углерод: сплошные линии – цементитная система; пунктирные – графитная.