Серые, высокопрочные и ковкие чугуны

Серые, высокопрочные и ковкие чугуны относятся к материалам, в которых весь углерод или его часть находится в виде графита. Излом этих чугунов – серый, матовый. В их структуре различают: структуру металлической основы и выделения графита. Отличаются они друг от друга только формой выделений графита.

В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок (прожилок, чешуек); в высокопрочных – в виде шариков; в ковких – в виде хлопьев (рис. 4.2).

Пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит образуется в виде лепестков; такой графит называется пластинчатым. На рис. 4.2, а показана структура обычного ферритного чугуна с прожилками графита; пространственный вид таких графитных включений показан на рис. 4.3, а (видно пересечение пластинчатых включений плоскостью шлифа).

Шаровидный графит. В современных так называемых высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (или церия), графит приобретает форму шара. На рис. 4.2, б показана микроструктура серого чугуна с шаровидным графитом, а на рис. 4.3, б – фотография шаровидного графитного включения в электронном микроскопе.

Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную, но не округлую форму. Такой графит называется хлопьевидным, или углеродом отжига. Микроструктура чугуна с хлопьевидным графитом показана на рис. 4.2, в. На практике чугун с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

а б в г

Рис. 4.2. Форма графита в чугунах:

а – пластинчатая (обычный серый чугун), × 100; б – шаровидная (высокопрочный чугун), × 200; в – хлопьевидная (ковкий чугун), × 100; г – вермикулярная, × 100

а б

Рис. 4.3. Графитные включения в чугуне (× 2000):

а – пластинчатые; б – шаровидные

Вермикулярный графит – в виде глистообразных прожилок (рис. 4.2, г).

Таким образом, чугуны называют:

– с пластинчатым графитом обычным серым чугуном;

– с червеобразным графитом – серым вермикулярным чугуном;

– чугун с шаровидным графитом – высокопрочным чугуном;

– чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

По структуре металлической основы все чугуны классифицируются:

1) на ферритные – со структурой феррита и графита (количество связанного углерода С_связ = 0,025%);

2) феррито-перлитные ‑ со структурой феррита, перлита и графита (количество С_связ = от 0,025 до 0,8%);

3) перлитные ‑ со структурой перлита и графита (количество С_связ = 0,8%).

Отсюда можно сделать заключение, что металлическая основа в этой группе чугунов похожа на структуру эвтектоидной и доэвтектоидной стали и железа и отличается только наличием графитных включений (углерода в свободном состоянии), предопределяющих специфические свойства чугунов.

а б в

Рис. 4.4. Микроструктура серого чугуна:

а – перлитного, × 200; б – феррито-перлитного, × 100; в – ферритного, × 100

Структура перлитного чугуна состоит из перлита с включениями графита (рис. 4.4, а - графит в виде прожилок; типично для серого чугуна). Перлит содержит 0,8% С, следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне находится в связанном состоянии (т. е. в виде Fe₃C), остальное количество находится в свободном виде, т. е. в форме графита.

Феррито-перлитный чугун (рис. 4.4, б) состоит из феррита и перлита + включения веретенообразного графита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8% С.

В ферритном чугуне (рис. 4.4, в) металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита (на фотографии в виде веретенообразного графита).

На схемах структур (табл. 4.1) обобщается описанная выше классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита.

Серые чугуны. Серые чугуны, как и белые, получаются непосредственно при отливке (при кристаллизации из жидкого расплава). Поскольку образование графита из жидкости – медленный процесс (работа образования зародыша велика: требуется значительная диффузия атомов углерода и отвод атомов железа от фронта кристаллизации графита), то он возможен только в узком интервале температур. Следовательно, охлаждение серого чугуна ведется медленно, и цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, будучи неустойчивым химическим соединением, в особенности при высоких температурах, распадается с образованием графита:

Fe₃C ® Fe_γ (С) + C_гр при температуре выше 727°С

Fe₃С ® Fe_α (С) + С_гр при температуре ниже 727°С (ниже линии PSK).

С ускорением охлаждения чугуна вероятность образования в нем графита уменьшается и при определенной скорости охлаждения часть сплава может закристаллизоваться в соответствии со стабильной, а часть, например поверхностный слой, ‑ с метастабильной диаграммами. Чугунные отливки, у которых поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина – серого, называют отбеленными. Отбел их на некоторую глубину – следствие более быстрого охлаждения поверхности. Следовательно, обязательным условием для получения серого чугуна является очень малая скорость охлаждения расплава.

Графит в сером чугуне выделяется в виде пластин. Пластинчатые включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины, надрезы, создающие большие концентрации напряжений в металлической основе. Поэтому свойства этих чугунов сильно отличаются от свойств стали.

Для определения наличия графита и формы его включений исследуют нетравленый микрошлиф с помощью металлографического микроскопа. Графит выглядит темной фазой на светлом фоне полированной металлической основы, затем микрошлиф травят (3–5%-ным раствором HNO₃ в спирте) и устанавливают структуру металлической основы.

По степени графитизации различают несколько видов серых чугунов: перлитный, перлито-ферритный и ферритный чугун. Если количество связанного углерода будет составлять больше 1%, такой чугун называется половинчатым. Его структура состоит из ледебурита, перлита и графита.

Таблица 4.1

Схемы структур чугуна

Металли-ческая основа	Форма графитных включений
Пластинчатая	Вермику-лярная	Хлопьевидная	Шаровидная
Феррит
Феррит + перлит
Перлит

Однако кроме скорости охлаждения, существенное влияние на процесс графитизации оказывает количество присутствующих примесей, легирующих элементов и центров кристаллизации (модификаторов).

Все элементы, вводимые в чугун, делятся:

1) на элементы, препятствующие графитизации (Mn, Cr, W, Мо, S, О₂ и т.д.), которые способствуют получению углерода в связном состоянии в виде легированного цементита и других карбидов и препятствуют распаду его при повышенных температурах;

2) элементы графитообразующие (Si, C, Al, Ni, Cu и др.), которые способствуют получению углерода в свободном состоянии в виде графита.

Примеси Mn, Si, S, Р, присутствующие в чугуне, главным образом и влияют на процесс графитизации, а следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Чтобы определить, какую структуру следует ожидать в зависимости от суммарного содержания углерода и кремния, а также в зависимости от скорости охлаждения (толщины стенки отливки), пользуются структурной диаграммой (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Влияние скорости охлаждения и суммарного содержания кремния

и углерода в чугуне на его структуру:

I – белые чугуны; II – серые перлитные чугуны; III – серые ферритные чугуны

Следовательно, чтобы избежать отбела чугуна, детали тонкого сечения отливают из чугуна с повышенным содержанием графитообразующих элементов (Si, Ni, С). Для отливки деталей крупного сечения можно применить чугун с меньшим содержанием этих элементов.

Величина и форма выделившихся графитных включений зависит также от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации.

Центрами кристаллизации могут быть мельчайшие частички окислов Al₂O₃, CaО, SiO₂, MgO и др. Воздействие на процесс графитизации с помощью образования дополнительных центров кристаллизации называется модифицированием, а сами элементы называются модификаторами. Модификаторы вводят в жидкий чугун перед его разливкой.

Серый чугун имеет низкие механические свойства, т. к. пластинки графита надрезают металлическую основу.

В зависимости от прочности металлической основы и количества графита серые чугуны могут иметь предел прочности при растяжении примерно от 100 до 400 МПа при практически нулевом значении относительного удлинения. На сжатие серые чугуны работают много лучше, чем на растяжение, т. к. при сжимающих нагрузках надрезающее действие пластинок графита оказывается незначительным.

Согласно ГОСТ 1412-70, различают 11 марок серого чугуна: СЧ00 (не испытывается); СЧ12-28; СЧ15-52; СЧ18-36; CЧ21-40; СЧ24-44; СЧ28-48; СЧ32-52; СЧЗ6-56; СЧ40-60; СЧ-44-64.

Первая цифра показывает предел прочности при растяжении, а вторая – предел прочности при изгибе в кГ/мм².

Марка чугуна СЧ12-28 характеризуется ферритной металлической основой.

Марки чугуна СЧ15-52, СЧ18-36 – феррито-перлитной металлической основой.

Чугуны этих марок применяются для малоответственных деталей с небольшими нагрузками (строительные колонны, фундаментные плиты, кронштейны, маховики, зубчатые колеса).

Остальные марки имеют перлитную металлическую основу с пониженным содержанием углерода и кремния. Чугуны с перлитной основой применяют для ответственных деталей, работающих на износ при больших давлениях (станины станков, поршни, цилиндры, детали компрессорного, турбинного и металлургического оборудования). Серый чугун указанных марок обязательно модифицируется силикокальцием или ферросилицием, который содержит около 2% кальция, или другими присадками с целью предотвращения первичной кристаллизации по метастабильной диаграмме.

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают путем модифицирования жидкого расплава магнием или церием. Магний и церий вводят в сравнительно небольших количествах: 0,1 – 0,2% к весу жидкого чугуна, подвергающегося модифицированию. Магний и церий способствуют образованию включений графита шаровидной формы (рис. 4.2, б, 4.3, б).

Шаровидный графит может образовываться в процессе первичной кристаллизации, а также в процессе отжига белого модифицированного чугуна. Безусловно, наиболее желательно образование шаровидного графита непосредственно при первичной кристаллизации, так как в этом случае не требуется высокотемпературного отжига. Кроме того, образование графита в структуре при первичной кристаллизации резко уменьшает усадку сплава. А это в свою очередь существенно упрощает технологию литья.

Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и последующими цифрами.

Первые две цифры марки показывают среднее значение предела прочности при растяжении в кг/мм², вторые – относительное удлинение в процентах. Например, чугун марки ВЧ60-2 имеет предел прочности на растяжение σ = 600МПа; относительное удлинение δ = 2%.

По ГОСТ 7293-70 предусмотрено 9 марок высокопрочного чугуна.

Отливки этих чугунов используют в авто- и дизелестроении для коленвалов, крышек цилиндров; в тяжелом машиностроении – для деталей прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании – для траверс прессов, прокатных валков; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей и т. д. Также их применяют и для деталей, работающих в подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 1200 МПа).

Ковкий чугун. Ковкие чугуны получаются путем специального графитизирующего отжига (томление) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,27 до 3,2% С.

Существенный недостаток процесса получения ковкого чугуна – длительность отжига, составляющая 70 – 80 ч. Для его ускорения применяют различные меры (модифицирование алюминием (реже бором, висмутом), повышение температуры первой стадии (но не выше 1080°С)).

В настоящее время разработан метод ускоренного отжига ковкого чугуна, заключающийся в том, что отливки из белого чугуна перед графитизирующим отжигом предварительно закаливаются, что способствует снижению длительности отжига до 30 – 60 ч.

График получения ковкого чугуна показан на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Графики получения ковких чугунов

Для получения ковкого чугуна необходимо:

– отливки из малоуглеродистого белого чугуна, содержащего не более 2,8% углерода, медленно нагревать в течение 20 – 25 часов в нейтральной среде до температуры 950 – 1000°С и при этой температуре длительно (10 – 15 ч.) выдерживать (первая стадия графитизации);

– затем медленно охлаждать до температуры немного ниже эвтектоидного превращения (700 – 740°С в зависимости от состава чугуна и длительное время (30 часов) выдерживать при этой температуре (вторая стадия графитизации);

– вести охлаждение на воздухе.

При первой стадии графитизации цементит ледебурита и вторичный цементит распадаются с образованием аустенита и хлопьевидного графита по реакции:

Fe₃C ® Fe_γ (С) + С

Цементит = аустенит + графит

При охлаждении от первой до второй стадии графитизации скорость охлаждения должна обеспечивать выделение вторичного цементита из аустенита и его распад на аустенит и графит по вышеприведенной формуле.

При второй стадии графитизации цементит перлита распадается на феррит и графит по реакции:

Fe₃C ® Fe_α (С) + С

Цементит = феррит + графит

Структура после окончательной обработки будет состоять из феррита и хлопьевидного графита.

Продолжительность всей термической обработки составляет 70 – 80 часов.

Если при второй стадии графитизации выдержка для полного распада цементита перлита на феррит и графит будет недостаточной, то в этом случае получают феррито-перлитный ковкий чугун; если выдержки не будет совсем, получают перлитный ковкий чугун со структурой перлит и хлопьевидный графит.

Желательно, чтобы содержание углерода в ковком чугуне было низким, т. к. с увеличением содержания углерода увеличивается количество свободного графита после отжига чугуна и ухудшаются его свойства. Однако уменьшение содержания углерода повышает температуру плавления, создает трудности при отливке, повышает стоимость отливки и т. д.

Для получения перлитного ковкого чугуна иногда применяют ваграночный белый чугун с содержанием до 3,2% углерода. Отжиг при этом производят в обезуглероживающей (окислительной) среде с последующим охлаждением на воздухе. Такой отжиг обеспечивает значительное выгорание углерода.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ с цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении в кг/мм², вторые цифры – относительное удлинение в процентах.

По ГОСТ 1215-59 ковкие чугуны имеет следующие марки:

– ферритный чугун: КЧ37-12, КЧ35-10, КЧ33-8, КЧ30-6;

– феррито-перлитный и перлитный ковкий чугуны: КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2.

Отливки из ковкого чугуна хорошо сопротивляются ударам и вибрационным нагрузкам, хорошо обрабатываются резанием, обладают достаточной вязкостью.

Ковкий чугун используется в автомобильной, тракторной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении, вагоно-, станкостроении для деталей высокой прочности, воспринимающих знакопеременные и ударные нагрузки, работающих в условиях повышенного износа. Широкое его применение обусловлено, прежде всего, хорошими литейными свойствами исходного белого чугуна, что позволяет получать тонкостенные отливки сложной формы. Ферритные ковкие чугуны идут на изготовление деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках (кратеры редукторов, ступицы, крюки, скобы) и для менее ответственных (гайки, глушители, фланцы, муфты). Из перлитного ковкого чугуна изготавливают звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки и др.

Порядок выполнения работы

1. Изучите классификацию чугунов, их строение, маркировку и способы получения.

2. Исследуйте под микроскопом шлифы и указать, к какому виду чугунов относится каждый образец.

3. Определите условия получения изучаемой структуры.

4. Установите влияние каждой структурной составляющей на свойства чугуна.

5. Протравите шлифы и изучите микроструктуру под микроскопом, зарисовать, укажите структурные и фазовые составляющие.

6. Установите различие в свойствах рассмотренных структур.

7. Составьте сводную таблицу рассмотренных структур, полученные данные занесите в табл. 4.2.

8. Составьте отчет о проделанной работе.

Содержание отчета

При составлении отчета необходимо:

1) привести краткую классификацию чугунов;

2) дать определение белым, серым, высокопрочным и ковким чугунам;

3) начертить часть диаграммы Fe – Fe₃C, которая относится к области чугунов;

4) зарисовать все просмотренные структуры чугунов до и после травления с указанием названий структурных составляющих и класса чугунов;

5) указать химический состав белых чугунов и их положение на диаграмме;

6) описать способы получения, свойства и область применения каждого вида чугунов; указать маркировку.

Данные по проделанной работе свести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

№ образца	Вид чугуна	Форма графита	Характеристика металлической основы

Контрольные вопросы

1. Какие преимущества чугунов перед сталью?

2. Как классифицируются чугуны?

3. Чем характеризуются структура и свойства чугуна?

4. Как влияет форма графита на свойства чугунов?

5. Сколько углерода содержит чугун?

6. В каких видах может находиться углерод в чугунах?

7. В каких чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии?

8. В каких чугунах весь углерод или его часть находится в виде графита?

9. Способы получения, свойства и применение белых чугунов.

10. Как получают белый чугун?

11. Сколько графита в белом чугуне?

12. Какие элементы способствуют отбелу?

13. Какие элементы способствуют графитизации?

14. Какая структура доэвтектического белого чугуна?

15. Какая структура эвтектического белого чугуна?

16. Какова структура заэвтектического белого чугуна?

17. Что такое ледебурит?

18. Что определяет прочность серого чугуна?

19. Как получают серый чугун?

20. Какова структура металлической основы серых чугунов?

21. Хорошо ли куется ковкий чугун?

22. Как получают ковкий чугун?

23. Какие процессы идут на первой стадии графитизации (получение ковких чугунов)?

24. Какие процессы идут на второй стадии графитизации (получение ковких чугунов)?

25. Какова форма графита в ковких чугунах?

26. Структура ковкого чугуна:

27. Как получают высокопрочный чугун?

28. Структура высокопрочного чугуна:

29. Какова форма графита в высокопрочных чугунах?

30. Что такое модифицирование и с какой целью его применяют?

31. Какова форма графита в серых чугунах?

32. Структура серого чугуна

33. Маркировка серых, высокопрочных и ковких чугунов.

34. Что обозначают цифра в марке чугуна СЧ15?

35. Что обозначает цифра в марке чугуна ВЧ60?

36. Что обозначает цифра 30 в марке чугуна КЧ 30-6?

37. Что обозначает цифра 6 в марке чугуна КЧ 30-6?

[1] Буква А в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, спе­циально введенного в сталь.

Буква А в начале марочного обозначения указывает на то, что это Автоматная сталь, предназначенная для изготовления деталей массового производства на станках-автоматах (AI2, А30, А40Г – сернистые; ACI4, АС40, АС35Г2 – свинецсодержащие; А35Е, А40ХВ – сернистоселенистые; АЦ20, АЦ40Г – кальцийсодержащие). Цифрами, указывается среднее содержание углерода в сотых долях процента.

[2] Не следует путать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, приобретенной сталью в результате закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода (см. рис. 6 лабораторной работы № 8).