Высокопрочные чугуны

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чугунов чистым магнием сопровождается сильным пироэффектом, чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавом магния и никеля). Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав, %: 3,0–3,6 С; 1,1–2,9 Si; 0,3 – 0,7 Мп; до 0,02 S и до 0,1 Р. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным. Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита; допускается до 20 % перлита. Структура перлитного чугуна – сорбитообразный или пластинчатый перлит и шаровидный графит; допускается до 20 % феррита (см. рис.77, а, б).

Шаровидный графит менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый, поэтому он меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшение в 10 раз значение его временного сопротивления (см. табл. 4).

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготовляют оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверса пресса, шабот ковочного молота); в турбостроении - корпус паровой турбины, лопатки направляющего аппарата; в дизеле-, тракторо- и автомобилестроении: коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок: закалку и отпуск при 500 - 600 °С для повышения прочности; отжиг, способствующий сфероидизации перлита, для увеличения пластичности.

Таблица 4

Механические свойства чугунов

Марка чугуна	sв	s0,2	d, %	НВ	Структура металлической основы
МПа
Серые чугуны (ГОСТ 1412-85)
СЧ10		-	-		Ф
СЧ15		-	-	163-210	Ф
СЧ25		-	-	180-245	Ф+П
СЧ35		-	-	220-275	П
Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85)
ВЧ35				140-170	Ф
ВЧ45				140-225	Ф+П
ВЧ60				192-227	Ф+П
ВЧ80				248-351	П
ВЧ100				270-360	Б
Ковкие чугуны (ГОСТ 1215-79)
КЧ 30-6		-		100-163	Ф+до10 % П
КЧ 35-8		-		100-163
КЧ 37-12		-		110-163
КЧ 45-7		-		150-207
КЧ 60-3		-		200-269	П+ до 20%Ф
КЧ 80-1,5		-	1,5	270-320
Чугуны с вермикулярным графитом ( ГОСТ 28384-89)
ЧВГ 30				130-180	Ф
ЧВГ 35				140-190	Ф+П
ЧВГ 40			1,5	170-220	Ф+П
ЧВГ 45			0,8	190-250	П

Рис. 77. Микроструктура высокопрочного чугуна × 300

8.3.3. Чугуны с вермикулярным графитом

Наряду с шаровидным графитом высокопрочные чугуны могут содержать графит вермикулярной формы. Такой графит имеет форму изогнутых лепестков, размеры которых меньше по сравнению с частицами пластинчатого серого чугуна. В чугунах с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора (около 5 % Мgи малые добавкиCeиTi). Графит приобретает шаровидную (до 40 %)и вермикулярную - в виде мелких тонких прожилок - форму.

После модифицирования эти чугуны содержат, %: 3,1–3,8 С; 2,0–3,0 Si; 0,2–1,0 Мп; до 0,025 S; 0,08 Р.

Чугуны с вермикулярным графитом производят четырех марок: ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40; ЧВГ 45 (см. табл. 4). Число в марке обозначает уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами. Они прочнее серых чугунов, особенно при циклических нагрузках; предел выносливости σ_-1 составляет 140 МПа у ЧВГ 30 и 190 МПа у ЧВГ 45. Механические свойства этих чугунов в меньшей степени зависят от массы отливок. Они отличаются хорошей теплопроводностью (40–50 Вт/(м·К)), что обеспечивает их стойкость к теплосменам.

Чугуны с вермикулярным графитом заменяют серые чугуны в отливках, подвергаемых циклическим нагрузкам и частым теплосменам. Из них отливают блоки цилиндров, поршни, гильзы, крышки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, а также изложницы и кокили. При введении в состав чугунов до 1,2 % Ni и 0,4 % Мо они хорошо противостоят изнашиванию и кавитации.

8.3.4. Ковкие чугуны

Ковкими называются чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов. По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит, в отличие от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металлической основы, вследствие чего ковкие чугуны по сравнению с серыми обладают более высокой прочностью и пластичностью.

Отливки из белых чугунов, подвергаемые отжигу на ковкие чугуны, изготовляют тонкостенными. Они не должны иметь сечение более 50 мм; иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для отжига. По этой же причине исходные белые чугуны имеют пониженное содержание углерода и кремния. Их химический состав следующий, %: 2,4–2,9 С; 1,0–1,6 Si; 0,2–1,0 Мп; до 0,2 S и до 0,18 Р.

По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными (рис. 78).

Рис. 78. Микроструктура ковкого чугуна × 300

Отжиг на ферритные чугуны проводят по режиму I (рис. 79), обеспечивающему графитизацию всех видов цементита белых чугунов. Отливки из такого чугуна загружают в специальные ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно (20-25 ч) нагревают до температуры несколько ниже эвтектической 950-1000 °С. В процессе продолжительной (10-15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и вторичного цементита (имеющегося в небольшом количестве при этой температуре). К концу первой стадии графитизации чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига. Затем температуру медленно снижают. При этом происходит промежуточная стадия графитизации - распад выделяющегося вторичного цементита. Вторая стадия графитизации протекает или при весьма медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур, или при длительной выдержке (25-30 ч) несколько ниже температуры эвтектоидного превращения (720-740 °С). В процессе этой выдержки распадается цементит перлита. В результате такого отжига продолжительностью 70-80 ч весь углерод выделяется в свободном состоянии и формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига.

Рис. 79. Схема отжига белого чугуна на ковкий чугун:

I - с ферритной основой; II - с перлитной основой

Перлитный ковкий чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму II ( рис. 79). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 °С. Поскольку графитизация цементита перлита практически не происходит, чугун приобретает структуру, состоящую из перлита и углерода отжига.