Какая форма графита обеспечивает наиболее высокие механические свойства чугунов

В промышленности широкое применение нашли чугуны с графитом. Чугуны — литейные сплавы, их используют для производства отливок. Чугуны обладают хорошей жидкотекучестью, а также малой усадкой за счет наличия в структуре свободного углерода — графита (см. разд. 18.1), температура их затвердевания ниже, чем у сталей.

Процесс образования графита в чугунах называется графитизацией. Образование графита может происходить при его непосредственном выделении из жидкой фазы при очень медленном охлаждении, когда степень переохлаждения не превышает 5 °С (при более быстром охлаждении образуется цементит), или в результате распада цементита при длительных выдержках.

Цементит (Ц) распадается на свободный углерод в виде графита (Г) и твердый раствор углерода в железе:

• при температуре свыше 727 °С — на аустенит (А) и графит (Г):

• при температуре ниже 727 °С — на феррит (Ф) и графит (Г):

В зависимости от формы графитовых включений различают несколько видов чугунов (рис. 13.1, а):

• • серые — графит имеет пластинчатую форму;
• • высокопрочные — форма графита шаровидная (глобулярная);
• • ковкие — графит имеет хлопьевидную форму.

Распад цементита может проходить полностью или частично. При неполном распаде цементита он присутствует в структуре наряду с графитом. В зависимости от количества углерода, связанного в цементите (Ссвяз), меняется структура металлической основы чугуна:

• • при ССВяз до 0,02 % — матрица ферритная. Это чугуны на ферритной основе, их структура феррит + графит;
• • при Ссвяз = 0,8 % структура матрицы —- перлит. Это перлитные чугуны со структурой перлит + графит;
• • при Ссвяз от 0,02 до 0,8 % ферритно-перлитовые — чугуны, со структурой феррит + перлит + графит.

Таким образом, по структурному признаку различают девять видов чугу- нов: три по форме графита — серый, высокопрочный и ковкий, причем каждый из них может иметь ферритную, ферритно-перлитную или перлитную матрицу (рис. 13.1). Твердость и прочность перлита выше, чем феррита. Поэтому наибольшей прочностью и износостойкостью обладают чугуны (с одинаковой формой графита) на перлитной основе, наименьшей — на ферритовой.

Серый чугун получил название по виду излома, имеющего серый цвет. Серые чугуны получают непосредственно литьем. Это доэвтектические чугуны, содержащие 2,4.. .3,8 % углерода, 1.. .4 % кремния (графитизатор), 1,25… 1,4 % марганца (повышает прочность).

Структура металлической основы определяется химическим составом чугуна и скоростью охлаждения отливки (рис. 13.1, б, в). Увеличение в чугуне содержания кремния и углерода способствует более полной графитизации. Аналогично влияние замедленного охлаждения. Графитизация — процесс диффузионный, поэтому он развивается тем полнее, чем дольше отливка находится при высоких температурах, т. е. чем медленнее она охлаждается. Скорость охлаждения отливки определяется ее сечением — чем больше сечение (толщина), тем больше время охлаждения.

Серые чугуны обладают меньшей прочностью, чем ковкие и высокопрочные. Чем крупнее пластинки графита (они играют роль трещин) и менее равномерно они распределены по объему, тем ниже прочность чугуна при растяжении. Минимальной прочностью обладает серый чугун на ферритовой основе. Вместе с тем включения графита не оказывают практического влияния на прочность при сжатии (при сжатии трещины закрываются). Предел прочности при сжатии в 3-5 раз больше, чем при растяжении (примерно такой же, как у низкоуглеродистой стали, например, Ст. 3).

Вместе с тем наличие в структуре свободного графита определяет ряд преимуществ чугуна перед сталью:

• • лучшая обрабатываемость резанием; обеспечивается хорошее стружкоот- деление — стружка при обработке чугуна сыпучая, а не сливная, как у стали;
• • более высокие антифрикционные свойства благодаря смазывающему действию графита;
• • наличие демпфирующих свойств, поскольку графитовые включения гасят вибрации;

Рис. 13.1. Структуры чугунов с графитом: а — по форме графита и металлической основе; б — по химическому составу; в — по скорости охлаждения; I — белый чугун; II — отбеленный чугун;

III — перлитный чугун; VI — перлито-ферритный; V — ферритный

• практически отсутствие чувствительности к поверхностным дефектам (надрезам и т. п.);

Серые чугуны обозначаются буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм2. Например, СЧ20 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 20 кгс/мм2 (200 МПа).

Серые чугуны применяют для изготовления отливок станин, поршней цилиндров, зубчатых колес и др.; ферритные (СЧ10, СЧ15) и ферритно-перлитные (СЧ20, СЧ25), обладающие меньшей прочностью, — для менее нагруженных деталей; перлитные (СЧ30, СЧ35) — для более нагруженных.

Серый чугун с повышенным содержанием фосфора (до 1,6%), обладающий хорошей жидкотекучестью, используют при производстве художественного литья.

Высокопрочный чугун получают при модифицировании магнием или церием перед его заливкой в формы. Под воздействием магния графит приобретает шаровидную (глобулярную) форму. Шаровидная форма графита обеспечивает высокие механические свойства чугуна (прочность на растяжение и пластичность). Это объясняется тем, что шаровидный графит значительно меньше, чем пластинчатый, ослабляет металлическую основу. Среди всех чугунов максимальная прочность у высокопрочного на перлитной основе.

Маркируют чугуны буквами ВЧ — высокопрочный чугун и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм2. Например, ВЧ60 — высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 60 кгс/мм2 (600 МПа).

Наибольшую прочность имеют чугуны на перлитной основе (ВЧ80, ВЧ60), она снижается у чугунов с ферритно-перлитной основой (ВЧ50, ВЧ45) и минимальна у чугунов с ферритной основой (ВЧ42, ВЧ38).

В целях получения особых свойств (жаростойкости, антифрикционнности, коррозионной стойкости) высокопрочные чугуны легируют хромом, никелем, молибденом, титаном, алюминием.

Высокопрочные чугуны эффективно заменяют сталь. Из них изготавливают валки прокатных станов, коленчатые валы автомобилей и др.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига. Его проводят в две стадии (рис. 13.2), что обеспечивает необходимый распад цементита.

Рис. 13.2. Режим отжига белого чугуна для получения ковкого чугуна

Первая стадия отжига заключается в нагреве отливок до температуры

950… 1000 °С и длительной изотермической выдержке при этой температуре (10… 15 ч). При этом цементит распадется на аустенит и графит (Ц —? А -ь Г). Затем осуществляется медленное охлаждение (5… 12 ч) до температуры, лежащей немного ниже линии PSK (см. рис. 10.1), в процессе которого происходит выделение из аустенита вторичного цементита (линия SE на диаграмме Fe — Fe3C, см. рис. 10.1) и его распад (Ц —» А + Г) с образованием хлопьевидного графита.

Вторая стадия отжига—изотермическая выдержка при температуре немного ниже температуры эвтектоидного превращения в течение 25.. .30 ч. При этом происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит (А —» П[Ф + Ц]) и распад цементита, входящего в перлит, на феррит и графит (Ц —> Ф + Г).

В результате такого отжига, когда распался весь цементит, получают ковкий ферритный чугун (излом бархатисто-черный). При сокращении выдержки на второй стадии графитизация происходит не до конца, и получают ковкий феррито-перлитный чугун, а если исключить вторую стадию, — ковкий перлитный чугун (излом светлый).

Хлопьевидный графит ослабляет металлическую основу в меньшей степени, чем пластинчатый. Отсутствие литейных напряжений, которые полностью устраняются во время отжига, обусловливает высокие механические свойства ковких чугунов. Они, уступая высокопрочным чугунам в прочности, существенно превосходят по прочности серые чугуны, а по пластичности — серые чугуны. Именно благодаря своей высокой (для чугунов) пластичности они получили название — ковкие. Однако, это название является условным. Пластичность ковких чугунов недостаточна для проведения пластической деформации. Ковкие чугуны не куют.

Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ — ковкий чугун и цифрами. Первые цифры это предел прочности при растяжении (кгс/мм2), вторые — относительное удлинение (%). Например: КЧ45-6 означает — ковкий чугун, с пределом прочности при растяжении а„ = 45 кгс/мм2 (450 МПа) и относительным удлинением при испытаниях на растяжение 5 = 6%.

Из ковкого чугуна можно получить заготовки только небольших размеров — толщиной не более 40.. .50 мм. Это связано с тем, что получение крупногабаритных отливок из белого чугуна невозможно (при их замедленном охлаждении будет происходить графитизация), а именно отжигом белого чугуна получают ковкий.

Из ковких чугунов изготавливают детали относительно небольших размеров, работающие при статических и динамических нагрузках (картер заднего моста, чашки дифференциала, тормозные колодки, ступицы колес для автомобилей и др.).

Чем более дисперсны графитные включения, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Наиболее высокую прочность обеспечивает шаровидная форма графитной составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства

Рис. 2.52. Структурная диаграмма для чугунов в зависимости от содержания углерода и кремния (а) и толщины стенки (скорости кристаллизации) (б):

I – белые чугуны; I  – половинчатые чугуны; II , III , IV – серый чугуны соответственно с перлитной, феррито-перлитной и ферритной металлической основой

На рис. 2.52 показано, каким образом можно регулировать структуру металлической составляющей чугунов, изменяя содержание углерода и кремния, а также скорость охлаждения (через изменение толщины стенки отливки). При пониженной скорости охлаждения фазовые превращения идут в соответствии с равновесной диаграммой, и образуется графит. При повышенной скорости охлаждения углерод частично выделяется в виде цементита. Половинчатым называется чугун, в котором эвтектическая реакция протекает и с образованием графита, и с образованием цементита. Механические свойства чугунов могут быть изменены при использовании следующих способов: специальное легирование (хромом, никелем, молибденом, медью – для серых чугунов); химико-термическая обработка (азотирование); упрочняющая термическая обработка (для высокопрочных чугунов).

Серые чугуны .

Графит в серых чугунах присутствует в форме пластинчатых включений.

Свойства. Особенность серых чугунов как машиностроительного материала состоит в том, что их целесообразно применять при работе деталей в условиях преимущественно сжимающих напряжений. Причина в том, что пластины графита располагаются в полостях металлической части, которые имеют остроугольную форму. Острые надрезы этих полостей являются своеобразными концентраторы напряжений, в которых при растягивающей нагрузке легко формируются очаги разрушения. В связи с этим временное сопротивление разрыву при растяжении серых чугунов в 2 – 4 раза ниже, чем предел прочности при сжатии: σВ не превышает 350 МПа Влияние остроугольной формы полостей, в которых расположены пластины графита, на прочность чугунов значительно меньше проявляется при более «мягких» способах нагружения (изгиб, кручение).

Серые чугуны из-за пластинчатой формы включений имеют такой технологический недостаток как зависимость фазового состава от скорости охлаждения, что проявляется в чувствительности уровня механических свойств к  толщине стенки отливки. Чем тоньше стенка, тем быстрее происходит в ней процесс кристаллизации, тем меньше размеры графитовых включений, больше количество перлита, что приводит к повышению временного сопротивления разрыву. В толстостенных отливках образуются более крупные включения графита, что снижает прочность.

При диаметре отливки, например, 20 и 60 мм различие в значениях σВ может составить до 100 МПа. В связи с этим серые чугуны ограничено применяют для изготовления разностенных отливок. 

Термообработка отливок из серых чугунов состоит в длительном отжиге при температурах 520 – 600 оС для снятия напряжений, возникших при кристаллизации. Применяют также отжиг для улучшения обрабатываемости резанием при 680 – 750°С.

Марки. Чугун маркируют буквами СЧ и числом, равным минимальному временному сопротивлению при разрыве , уменьшенному в 10 раз (ГОСТ 1412-85): так, чугун марки СЧ20 имеет σВ = 200 МПа. Применение серых чугунов определяется уровнем прочности. Прочность, а также предел выносливости возрастают с увеличением перлитной составляющей, что позволяет применять серые чугуны для особо ответственных деталей (табл. 2.28). 

                         Таблица 2.28

Применение серых чугунов

Чугун марки СЧ35 обладает наибольшей из всех серых чугунов герметичностью, он предназначены для корпусов компрессоров, насосов, арматуры, тормозной пневматики. Из менее прочных сплавов изготовляют головки и блоки цилиндров, а также различные литые детали в авто- и тракторостроении, а также в сельскохозяйственном машиностроении.

Высокопрочные чугуны .

 В высокопрочных чугунах частицы графита имеют шаровидную форму. Шаровидная форма графита получается за счет модифицирования чугунов, путем введения в расплав солей магния. Магний изменяет поверхностное натяжение графитовых частиц, в связи с чем они приобретают форму с минимальной поверхностью при данном объеме – форму шара.

Высокопрочные чугуны отличаются более высоким содержанием углерода, чем серые, – 3,0 – 3,6 %.

Шаровидные частицы графита значительно меньше ослабляют прочность чугунов при жестких способах нагружения, чем пластинчатые. По комплексу характеристик конструкционной прочности высокопрочные чугуны выгодно отличаются от других конструкционных материалов:

– лучшей износостойкостью, антифрикционностью и обрабатываемостью резанием – от сталей;

– большей прочностью (в 3 – 5 раз) и пластичностью – от серых чугунов;

– возможностью уменьшить толщину отливки и, тем самым, снизить массу детали при одновременном повышении надёжности – по сравнению с серыми чугунами;

– возможностью применения всех видов упрочняющей термической обработки, как и для сталей.

Марки. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом маркируются буквами ВЧШГ (для краткости – ВЧ) (ГОСТ 7293–85) и числом, равным временному сопротивлению разрыву (МПа), уменьшенному в 10 раз.        

Термообработка высокопрочных чугунов может быть разнообразной: закалка с отпуском, изотермическая закалка, сфероидизирующий отжиг. Частицы шаровидной формы не создают в сплаве концентраторов напряжений. Такая благоприятная форма позволяет применять к высокопрочным чугунам не только отжиг, но и упрочняющую термическую обработку, без опасения образования трещин от внутренних напряжений. После сфероидизирующего отжига, без дополнительной термообработки получают чугуны марок ВЧ35, ВЧ40. Применение изотермической закалки приводит к получению бейнитного чугуна. Это обеспечивает почти равную прочность с легированными сталями. Так, например, перлитный чугун в литом состоянии имеет σв = 600 – 700 МПа, а после изотермической закалки – 1100 – 1200 МПа. Чугуны ВЧ80, ВЧ100 применяют после закалки с отпуском.

Применение. Такие свойства позволяют применять высокопрочные чугуны не только для малоответственных литых деталей (марки ВЧ35 и ВЧ40), но и для деталей, работающих в условиях повышенных статических и динамических нагрузок (табл. 2.29). 

                                                                                       Таблица 2.29