Серый и белый чугун. Хим. состав, структура, маркировка и область применения. Урок по дисциплине «Материаловедение» на тему «Чугуны

В машиностроении применяют отливки из серого, ковкого и высокопрочного чугуна. Эти чугуны отличаются от белого чугуна тем, что у них весь углерод или большая его часть находится в сво-бодном состоянии в виде графита (а у белого чугуна весь углерод находится в виде цементита).

Структура указанных чугунов состоит из металлической основы аналогично стали (перлит, феррит) и неметаллических включений — графита.

Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от дру-га в основном формой графитовых включений. Это и определяет раз-личие механических свойств указанных чугунов.

У серого чугуна графит (при рассмотрении под микро-скопом) имеет форму пластинок.

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нару-шает сплошность металлической основы и действует как надрез или мелкая трещина. Чем крупнее и прямолинейнее формы графи-товых включений, тем хуже механические свойства серого чугуна.

Основное отличие высокопрочного чу-гуна заключается в том, что графит в нем имеет шаровидную (ок-ругленную) форму. Такая форма графита лучше пластинчатой, так как при этом значительно меньше нарушается сплошность металли-ческой основы.

Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевид-ной формы — углерод отжига.

Механические свойства рассматриваемых чугунов можно улуч-шить термической обработкой. При этом необходимо помнить, что в чугунах создаются значительные внутренние напряжения, поэто-му нагревать чугунные отливки при термической обработке следу-ет медленно, чтобы избежать образования трещин.

Отливки из чугуна подвергают следующим видам термической обработки.

Низкотемпературный отжиг. Чтобы снять внутренние напря-жения и стабилизовать размеры чугунных отливок из серого чугуна, применяют естественное старение или низкотемпературный от-жиг.

Более старым способом является естественное старе-ние , при котором отливка после полного охлаждения претерпева-ет длительное вылеживание — от 3—5 месяцев до нескольких лет. Естественное старение применяют в том случае, когда нет требуемо-го оборудования для отжига. Этот способ в настоящее время почти не применяют; производят главным образом низкотемпературный отжиг. Для этого отливки после полного затвердевания укладыва-ют в холодную печь (или печь с температурой 100—200° С) и вместе с ней медленно, со скоростью 75—100° С в час нагревают до 500— 550° С, при этой температуре их выдерживают 2—5 часов и охлаж-дают до 200° С со скоростью 30—50° в час, а затем на воздухе.

Графитизирующий отжиг .

При отливке изделий возможен час-тичный отбел серого чугуна с поверхности или даже по всему сечению. Чтобы устранить отбел и улучшить обрабатываемость чугуна, производится высокотемпературный графитизирующий отжиг с вы-держкой при температуре 900—950° С в течение 1—4 часов и охлаж-дением изделий до 250—300° С вместе с печью, а затем на воздухе. При таком отжиге в отбеленных участках цементит Fe 3 Cраспадает-ся на феррит и графит, вследствие чего белый или половинчатый чугун переходит в серый.

Нормализация.

Нормализации подвергают отливки простой фор-мы и небольших сечений. Нормализация проводится при 850—900° С с выдержкой 1—3 часа и последующим охлаждением отливок на воз-духе. При таком нагреве часть углерода-графита растворяется в аустените; после охлаждения на воздухе металлическая основа полу-чает структуру трооститовидного перлита с более высокой твер-достью и лучшей сопротивляемостью износу. Для серого чугуна нормализацию применяют сравнительно редко, более широко приме-няют закалку с отпуском.

Закалка.

Повысить прочность серого чугуна можно его закалкой. Она производится с нагревом до 850—900° С и охлаждением в воде. Закалке можно подвергать как перлитные, так и ферритные чугу-ны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450—500. В структуре закаленного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения графита. Эффек-тивным методом повышения прочности и износоустойчивости серого чугуна является изотермическая закалка, которая производится ана-логично закалке стали.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом можно под-вергать пламенной или высокочастотной поверхностной закалке. Чугунные детали после такой обработки имеют высокую поверхностную твердость, вязкую сердцевину и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и истиранию.

Легированные серые чугуны и высокопрочные магниевые чугуны иногда подвергают азотированию. Поверхностная твердость азоти-рованных чугунных изделий достигает HV600—800° С; такие дета-ли имеют высокую износоустойчивость. Хорошие результаты дает сульфидирование чугуна; так, например, сульфидированные порш-невые кольца быстро прирабатываются, хорошо сопротивляются ис-тиранию, и срок их службы повышается в несколько раз.

Отпуск.

Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истира-ние, проходят низкий отпуск при температуре 200—250° С. Чугун-ные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску при 500—600° С. При отпуске закаленных чугунов твер-дость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в структуре закаленного чугуна большое ко-личество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содержится большое количество кремния, который повышает отпускоустойчивость мартенсита.

Для отжига на ковкий чугун применяют белый чугун примерно следующего химического состава: 2,5—3,2% С; 0,6—0,9% Si; 0,3— 0,4% Μη; 0,1-0,2% Ρ и 0,06-0,1% S.

Существуют два способа отжига на ковкий чугун:

графитизирующий отжиг в нейтральной среде, основанный на разложении цементита на феррит и углерод отжига;

обезуглероживающий отжиг в окислительной среде, основанный на выжигании углерода.

Отжиг на ковкий чугун по второму способу занимает 5—6 суток, поэтому в настоящее время ковкий чугун получают главным обра-зом графитизацией. Отливки, очищенные от песка и литников, упаковывают в металлические ящики либо укладывают на поддоне, а затем подвергают отжигу в методических, камерных и других от-жигательных печах.

Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая стадия заключается в равномерном нагреве отливок до 950—1000° С свыдержкой 10—25 часов; затем температуру понижают до 750— 720° С при скорости охлаждения 70—100° С в час. На второй ста-дии при температуре 750—720° С дается выдержка 15—30 часов, затем отливки охлаждаются вместе с печью до 500—400° С и при этой температуре извлекаются на воздух, где охлаждаются с произ-вольной скоростью. При таком ступенчатом отжиге в области темпе-ратур 950—1000° С идет распад (графитизация) цементита. В ре-зультате отжига по такому режиму структура ковкого чугуна пред-ставляет собой зерна феррита с включениями гнезд углерода отжи-га — графита.

Перлитный ковкий чугун получается в результате неполного от-жига: после графитизации при 950—1000° С чугун охлаждается вместе с печью. Структура перлитного ковкого чугуна состоит из перлита и углерода отжига.

Чтобы повысить вязкость, перлитный ковкий чугун подвергают сфероидизации при температуре 700—750° С, что создает структуру зернистого перлита.

Чтобы ускорить процесс отжига на ковкий чугун, изделия из белого чугуна подвергают закалке, затем проводят графитизацию при 1000—1100° С Ускорение графитизации закаленных чугунов при отжиге объясняется наличием большого количества центров графитизации, образовавшихся при закалке. Это дает возможность сократить время отжига закаленных отливок до 15—7 часов.

Термическая обработка ковкого чугуна.

Чтобы повысить проч-ность и износоустойчивость, ковкие чугуны подвергают нормализа-ции или закалке с отпуском. Нормализация ковкого чугуна произ-водится при 850—900° С с выдержкой при этой температуре 1—1,5 часа и охлаждением на воздухе. Если заготовки имеют повышенную твердость, их следует подвергать высокому отпуску при 650—680° С с выдержкой 1—2 часа.

Введение

Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими более 2,14 % С.

В металлургическом производстве чугуны выплавляют в доменных печах. Получаемые чугуны подразделяют на: передельные, специальные (ферросплавы) и литейные. Передельные и специальные чугуны используют для последующей переработки в сталь. Литейные чугуны (около 20 % всего выплавляемого чугуна) отправляют на машиностроительные заводы для использования при изготовлении литых заготовок деталей (литья).

Нелегированный конструкционный чугун для производства отливок в машиностроении имеет следующий химический состав, %: 2,0 - 4,5 С; 1,0 - 3,5 Si; 0,5-- 1,0 Мп; содержание примесей: не более 0,3 % S; не более 0,15 % S.

Широкое распространение чугуна в промышленности обусловлено оптимальным сочетанием различных свойств: технологических (литейных, обрабатываемости резанием), эксплуатационных (механических и специальных) и технико-экономических показателей.

Белый и серый чугуны

Основной структурной составляющей белых чугунов является хрупкий и твердый цементит. Поэтому белые чугуны обладают высокой твердостью и хрупкостью. Из-за этих свойств их незначительно применяют в технике и совершенно не используют в строительстве. Белые чугуны идут в переделку на сталь и серые чугуны. В доменных печах выплавляют белые чугуны трех типов: литейный коксовый, передельный коксовый и ферросплавы.

Литейный коксовый чугун. (ГОСТ 4832--72) содержит от 3,5 до 4,6% углерода и применяется для производства серых чугунов.

Передельный коксовый чугун используется для выплавки стали и производства отливок.

Ферросплавы применяют как добавки при выплавке стали. Они содержат повышенное количество марганца и кремния. Так, один из видов ферросплавов-- зеркальный" чугун содержит 10--25% марганца, ферромарганец - 70--80% марганца, а ферросилиций - 9--12% кремния.

Серый чугун. Такое название серые чугуны получили по серому цвету излома в отличие от серебристого цвета излома белых чугунов. Серый цвет излому придает угле род, входящий в состав серого чугуна в свободном со стоянии в виде графита. Графит образуется в серых чугунах в результате распада хрупкого цементита. Этот процесс называют графитизацией. Распад цементита вызывают искусственно путем введения кремния или специальной термической обработки белого чугуна.

Структура серых чугунов состоит из металлической основы и несвязанных с нею включений графита. Механические свойства серых чугунов зависят от структуры металлической основы, количества углерода и конфигурации включений графита.

Металлическая основа в серых чугунах состоит из одного феррита, или одного перлита, или их смеси. Наиболее прочным, но в то же время, наименее пластичным, является чугун на перлитной основе.

Чугун на ферритной основе обладает наивысшей пластичностью при наименьшей прочности. Структура металлической основы зависит от режима термической обработки или от количества кремния. При увеличении количества вводимого кремния возрастает степень графитизации. При введении около 5% кремния в структуре серого чугуна цементит, полностью отсутствует в металлическая основа состоит из одного феррита. Выплавляют серые чугуны на всех трех металлических основах.

Графитовые включения в чугуне не связаны с металлической основой. Поэтому при увеличении содержания углерода повышается объем графитовых включений, что снижает их прочность. Этим обусловлено сравнительно небольшое содержание углерода (от 3,5 до 4,5%) в пере дельных коксовых чугунах, применяемых для производства отливок из серых чугунов.

Конфигурация графитовых включений значительно влияет на механические свойства серых чугунов. Наихудшими свойствами обладают чугуны с пластинчатыми включениями графита, наилучшими - с глобулярными (шаровидными) или хлопьевидными включениями, сред ними - чугуны с точечными включениями графита. Кон фигурация включения графита зависит от способа получения серого чугуна.

Промышленность выпускает серые, высокопрочные, легированные и ковкие чугуны.

Серые чугуны с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412--79) выпускают марок от СЧ 10 до СЧ 45. В марках, буквы означают наименование чугуна, цифры - предел прочности чугуна, Н/мм 2, при растяжении. Графитизация в серых чугунах достигается введением в их состав от 1 до 2,9% кремния. При этом образуются пластинчатые графитовые включения.

Для получения более высоких механических свойств производят модификацию серого чугуна. В расплавленный чугун вводят 0,3--0,8% модификаторов, в качестве которых применяют ферросилиций или силикокальций, содержащий 70--65% кремния и 30--35% кальция. При такой модификации графит распределяется в виде точечных включений;

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293--79) - разновидность серых чугунов, которые получают при модификации их магнием или церием. Графитовые включения в этих чугунах имеют шаровидную форму. Такие чугуны при высоком пределе прочности до 12 МПа обладают и относительно высоким удлинением до 17%. Высокопрочные чугуны выпускают марок от ВЧ 38-17 до ВЧ 120-2. Буквы означают наименование чугуна, первые две цифры - предел прочности при растяжении чугуна, кгс/мм 2, вторые - относительное удлинение при растяжении, %.

Легированные чугуны получают введением в серый чугун небольшого количества легирующих добавок: хрома, никеля, меди, титана, которые улучшают механические свойства металлической основы чугуна и способствуют получению благоприятной формы графита.

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215--79) - разновидность серых чугунов, получаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания белых чугунов при высокой температуре. Такая термическая обработка называется томлением. При этом цементит распадается и выделившийся при его распаде графит образует хлопьевидные включения. В зависимости от температуры и длительности выдерживания ковкие чугуны получают на ферритной и ферритно-перлитной основах. Такие чугуны - наиболее пластичные из всех видов чугуна. Относительное удлинение ферритного ковкого чугуна до 12% при прочности на растяжение 3,7 МПа, а ферритно-перлитного 5% при прочности до 5 МПа. Ковкие чугуны выпуска ют марок от КЧЗО-6 до КЧ 50-5. Расшифровка марки такая же, как и у высокопрочного чугуна.

Все виды чугуна обладают хорошими литейными свойствами, а также хорошо противостоят коррозии. Из серых чугунов изготовляют элементы строительных конструкций, в том числе и таких ответственных, как опорные части железобетонных балок, ферм, башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей метрополитена.

Тема урока: Чугуны

Тип урока : Урок усвоения нового материала.

Вид урока : Лекция.

Оборудование урока : учебник, компьютер, мультимедийный проектор.

Цели урока:

учебные: изучить классификацию чугунов и влияние на качество и свойства чугунов углерода и примесей;
развивающие: развивать способность выделять главное и записывать это в виде конспекта, уметь самостоятельно усваивать знания; развивать творческое мышление, внимание;
воспитательные: воспитывать культуру общения, чувство коллективизма и сопереживания успехам и неудачам товарищей, умение работать в коллективе, формировать техническую грамотность студентов.

На уроке у обучающихся формируются основные общие и профессиональные компетенции, отвечающие требованиям ФГОС СПО по специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»:

1. Общие компетенции:

способность понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес (ОК 1);
способность организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество (ОК 2);
способность осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития (ОК 4);

2. Профессиональные компетенции:

способность разрабатывать мероприятия по комплексному использованию сырья, по замене дефицитных материалов и изысканию способов утилизации отходов производства (ПК 1.3).

Ход урока

1. Организационный момент -3 мин.

Приветствие преподавателя, проверка готовности к уроку, организация внимания.

2. Актуализация опорных знаний - 5 мин.

В ходе фронтальной беседы студентам напоминаются основные понятия предыдущей темы, задаются следующие вопросы:

Расскажите о классификации сталей.
Какие постоянные примеси содержатся в сталях?
Что называется чугуном?

3. Формулировка темы и целей урока.

Тема: Чугуны.

Цель: в конце урока студенты должны знать классификацию чугунов и маркировку по ГОСТу, уметь расшифровывать марки чугунов.

4. Объяснение нового материала.

5. Закрепление нового материала.

Вопросы для закрепления

Расскажите о классификации чугунов.
Для изготовления каких деталей используют белый и серый чугуны?
Какие детали изготовляют из высокопрочного и ковкого чугунов?
Как обозначаются высокопрочные и ковкие чугуны?

6. Домашнее задание.

Конспект лекции, составить таблицу «Чугуны»

Классификация чугунов
Белый чугун. Его структура, свойства, применение
Серый чугун, его структура, свойства, маркировка по ГОСТу и применение
Ковкий чугун
Высокопрочный чугун
Антифрикционные чугуны, маркировка, и применение

1. Классификация чугунов

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой. В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

В зависимости от назначения выплавляемые в доменных печах чугуны разделяют на три основных вида: передельный, идущий на передел в сталь; литейный, предназначенный для получения отливок из чугуна в машиностроении; доменные ферросплавы, используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

По структуре чугуны можно разделить на следующие группы:

серый - чугун, в котором углерод находится в виде графита.
белый - чугун, в котором углерод находится в виде цементита и перлита.

По назначению чугуны можно классифицировать так:

Ковкие
Жаростойкие
Высокопрочные
Антифрикционные.

2. Белый чугун. Его структура, свойства, применение

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет.

Белые чугуны (передельные) редко используются в народном хозяйстве в качестве конструкционных материалов, так как из-за большого содержания цементита очень хрупкие и твердые, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. Из них делают детали гидромашин, пескометов и других конструкций, работающие в условиях повышенного абразивного изнашивания. Белый чугун применяется для изготовления деталей повышенной усталостной прочности: коленчатых и распределительных валов, седел клапанов, шестерен масляного насоса, суппортов дискового тормоза ВАЗ и др. Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют хромом, ванадием, молибденом и другими карбидообразующими элементами. Маркировка белых чугунов не установлена.

Разновидностью белых чугунов является отбеленные чугуны. Поверхностные слои изделий из таких чугунов имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина - серого чугуна. Отбел на некоторую глубину (12...30 мм) получают путем быстрого охлаждения поверхности (например, отливка чугуна в металлические или песчаные формы).

Для снятия структурных напряжений, которые могут привести к образованию трещин, отливки подвергают нагреву. Высокая износостойкость отбеленных чугунов обусловлена твердостью поверхности. Из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и др.

3. Серый чугун, его структура, свойства, маркировка по ГОСТу и применение

Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в отливке в соответствии с диаграммой состояния системы Fe-С (стабильной). Причем, чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по этой диаграмме с образованием графитной эвтектики. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий).

Модифицирование металлов - введение в металлические расплавы модификаторов, то есть веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долей %) способствуют созданию дополнительных искусственных центров кристаллизации, и следовательно, образованию структурных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.

Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков.

Металлическая основа серых чугунов формируется из аустенита при эвтектоидном распаде и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Образование перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости.

Марки серых чугунов согласно ГОСТ 1412 - 85 состоят из букв «СЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении. Чугун СЧ15 - ферритный; СЧ25, СЧ30, СЧ35 - ферритно-перлитные чугуны, начиная с СЧ40- перлитные чугуны.

Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов - блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена.

4. Ковкий чугун

Ковким чугун называется потому, что его можно подвергать обработке давлением, хотя чугуны не куют, а детали из чугуна получают лишь методом литья в связи с тем, что ковкий чугун имеет более высокую пластичность по сравнению с серым.

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их специальному графитизирующему отжигу. Графитизирующий отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий (рисунок)

Рисунок. Схема отжига белого чугуна в ковкий

Первая стадия (930...1050°С) подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс графитообразования облегчается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным.

На второй стадии графитизирущего отжига при температуре эвтектоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в интервале 700...760°С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного превращения.

Ковкие чугуны с перлитной металлической основой обладают высокими твердостью и прочностью в сочетании с небольшой пластичностью. Ковкий ферритный чугун характеризуется высокой пластичностью и относительно низкой прочностью.

Ковкий чугун согласно ГОСТ 1215 – 79 маркируется буквами "КЧ" и двумя числами: первое указывает временное сопротивление при растяжении; второе - относительное удлинение (%).

Ковкий чугун идет на изготовление деталей повышенной прочности и вязкости: картеров, редукторов, коробок передач, кронштейнов рессор и др.

5. Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун - чугун с шаровидным графитом, получают модифицированием жидкими присадками магния от массы обрабатываемой порции чугуна, церия, иттрия и некоторых других элементов. При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы.

Чтобы избежать образования в высокопрочных чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Продолжительность такого отжига благодаря повышенному содержанию графитизирующих элементов (углерода, кремния) значительно короче, чем при отжиге белого чугуна.

Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической основы (феррит, перлит) и включений графита шаровидной формы. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений.

Марки высокопрочных чугунов согласно ГОСТ 7293-85 состоят из букв «ВЧ» и цифр, первые указывают величину временного сопротивления, вторые - относительное удлинение (%). Стандарт предусматривает следующие марки чугунов: ВЧ35-22; ВЧ40-15; ВЧ45-10; ВЧ50-7; ВЧ60-3; ВЧ70-2; ВЧ80-2; ВЧ100-2.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и др.) свойствами. Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей - цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

6. Антифрикционные чугуны, маркировка, и применение

Антифрикционными чугунами являются серые и высокопрочные чугуны специальных марок.

Антифрикционные серые чугуны - перлитные чугуны АЧС-1 и АЧС-2 и перлитно-ферритный чугун АЧС-3. Эти чугуны обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Антифрикционные серые чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготавливают из чугунов АЧС-1 и АЧС-2, а для работы в паре с термически необработанными валами применяют чугун АЧС-3.

Антифрикционные высокопрочные (с шаровидным графитом) чугуны изготовляют с перлитной структурой - АЧВ-1 и ферритно-перлитной (50 % перлита) - АЧВ-2. Чугун АЧВ-1 используется для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленным или нормализованным валом.

Главное достоинство антифрикционных чугунов по сравнению с баббитами и антифрикционными бронзами - низкая стоимость, а основной недостаток - плохая прирабатываемость, что требует точного сопряжения трущихся поверхностей.

Маркировка чугунов осуществляется путем сочетания букв и цифр.

Приняты следующие обозначения:

Пpимеp: АЧС1; АЧС2; АЧС3; АЧВ1; АЧВ2; АЧК1; АЧК2.

Буквы "АЧС" обозначают антифрикционный серый чугун; "АЧВ" - Антифрикционный высокопрочный чугун; "АЧК" - антифрикционный ковкий чугун.

Список используемой литературы

Колесник П. А. Материаловедение на автомобильном транспорте: учебник для студ. высш. учеб. заведений / П. А. Колесник, В. С. Кланица. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 320 с.
Рогачева Л.В. Материаловедение.- М.: Колос- Пресс, 2002.- 136 с.: ил. (Учебники и учеб. пособия для среднего профессионального образования).
Стуканов В.А. Материаловедение: учебное пособие – М.: ИД «Форум»: ИНФРА – М, 2008. – 368 с.: ил. – (Профессиональное образование)
ГОСТ 1412-85 Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки
ГОСТ 1585-85 Чугун антифрикционный для отливок. Марки
ГОСТ 7769-82 Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки

Сплавы железа с углеродом (> 2,14% С) называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск, поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

Серый чугун. Серый чугун (технический) представляет собой по существу сплав Fe -- Si -- С, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 -- 3,8% С. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Серый чугун маркируется буквами С -- серый и Ч -- чугун (ГОСТ 1412 -- 70). После букв следуют цифры. Первые цифры указывают среднюю величину предела прочности при растяжении, а вторые -- среднюю величину предела прочности при испытании на изгиб. Предел прочности при изгибе используют для оценки пластичности чугуна, так как относительное удлинение у всех серых чугунов практически равно нулю.

Белый и отбеленный чугун. Белый чугун вследствие присутствия в нем цементита обладает высокой твердостью, хрупок и практически не поддается обработке резанием, поэтому имеет ограниченное применение. Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина -- серого чугуна. Между этими зонами может быть переходный слой. Отбел на некоторую глубину (12 -- 30 мм) является следствием быстрого охлаждения поверхности, возникающего в результате отливки чугуна в металлические формы (кокиль) или в песчаную форму. Высокая твердость поверхности (НВ 400-500) обусловливает хорошую сопротивляемость против износа, особенно абразивного, полому из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и т. д. В этом случае применяют чугун с пониженным содержанием кремния, который склонен к отбеливанию. Его примерный состав: 2,8-3,6% С; 0,5-0,8% Si; 0.4-0,6% Мп. Вследствие различной скорости охлаждения по сечению и получения разных структур отливка имеет большие внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Для снятия напряжений отливки подвергают термической обработке, т. е. их нагревают при 500-550 С.

Отличается от стали по составу более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали.

Чугуны классифицируют по следующим показателям:

состоянию углерода:

- белый чугун - весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;

- серый чугун - углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого или волокнистого (завихренного) графита;

- высокопрочный чугун - углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;

- ковкий чугун - получают в результате отжига отливок из белого чугуна. Весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига);

структуре:

- ферритный ;

- ферритно-перлитный ;

- перлитный ;

химическому составу:

- нелегированный ;

- легированный - специального назначения.

Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений (рис. 1), а между собой чугуны различаются по форме этих включений.

Рис. 1. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитовых включений: а - феррит; б - феррит и перлит; в - перлит; / - пластинчатая; 2- завихренная; 3 - хлопьевидная; 4- шаровидная.

Механические свойства чугунов зависят от структуры и в основном от формы, количества, размеров и характера распределений графитовых включений. Графитовые включения определяют технологические и эксплуатационные свойства чугунов. Наличие графитовых включений облегчает обработку деталей из чугуна резанием вследствие ломкой стружки. Графит повышает износостойкость и придает хорошие антифрикционные свойства чугуну путем собственного «смазывающего» действия. Чугун обладает низкой чувствительностью к различным поверхностным дефектам, надрезам, проточкам и т. п., так как графитовые включения сами являются концентраторами напряжений, и добавление к ним еще нескольких не оказывает существенного влияния на общую прочность материала. В отличие от металлической основы графит плохо передает упругие колебания, поэтому чугун обладает высокой демпфирующей способностью, что позволяет гасить вибрацию и резонансные колебания.

Твердость чугунов мало зависит от формы графитовых включений и определяется структурой металлической основы. У ферритных чугунов твердость составляет ~150 НВ, у феррито-перлитных ~200 НВ; перлитных ~250 НВ.

Примеси в чугуне

Обычный промышленный чугун содержит те же примеси , что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Кремнии особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3-0,5 до 3-5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре - от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).

Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации, или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает его литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть). Поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья - 0,08 %; для более крупного (когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть) - до 0,1-0,12% S.

Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор - полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть.

Белый чугун

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны в зависимости от содержания углерода могут быть доэвтектическими (перлит + ледебурит), эвтектическими (ледебурит) и заэвтектиче-скими (первичный цементит + ледебурит). Эти чугуны отличаются большой твердостью (450-550 НВ) из-за присутствия в них большого количества цементита. Поэтому они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для последующего изготовления ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. В дальнейшем он применяется для изготовления деталей повышенной усталостной прочности: коленчатых и распределительных валов, седел клапанов, зубчатых колес масляного насоса, суппортов дискового тормозного механизма и др.

Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12-30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевину - со структурой серого чугуна. Высокая твердость поверхности такой отливки повышает ее стойкость к истиранию. Поэтому отбеленный чугун применяют для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, тормозных колодок и многих других деталей, работающих в условиях повышенного изнашивания.

Серый чугун

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Структура чугуна состоит из металлической основы и графита (в форме пластин), и свойства его зависят от этих двух составляющих.

Графит по сравнению со статью имеет низкие механические свойства, поэтому в некотором приближении можно считать, что места, которые он занимает, - это пустоты и трещины. С увеличением числа пустот механические свойства чугуна резко ухудшаются. При растягивающих напряжениях легко образуются центры разрушения на концах графитных включений. Значительно лучше ведет себя чугун при сжатии и изгибах.

Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими железо, углерод, кремний, марганец и примеси, такие, как сера и фосфор. Последний частично растворяется в феррите (~0,3 %) и, кроме того, входит в тройную эвтектику (Fe-С-Р) с температурой плавления 950 °С. Это существенно улучшает литейные свойства чугуна.

Сера - вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугунов и повышает склонность к образованию в них трещин.

Кремний входит в состав серых чугунов (1-3 %) как основной химический элемент и увеличивает выделение графита при затвердевании и разложении выделившегося цементита.

Марганец (0,2-1,1 %) положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию. Таким образом, можно сказать, что степень графитизации напрямую зависит от количества углерода (2,2-3,7 %) и кремния (1-3 %) в чугуне.

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды хром, никель и медь, которые тоже влияют на условие графитизации. Количество графитных включений и структура основы влияют на свойства серого чугуна.

По структуре металлической основы серые чугуны делят на три группы:

1) серый перлитный со структурой перлит + графит (количество связанного углерода составляет ~0,8 %.);

2) серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит + графит (количество связанного углерода меньше 0,8);

3) серый ферритный со структурой феррит + графит (весь углерод в виде графита).

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и ее количества, формы и размеров графитных включений (пустот).

Маркировка серого чугуна

По ГОСТ 1412-85 в обозначение чугуна входит сочетание букв и цифр, например СЧ15. СЧ обозначает серый чугун, цифры показывают значение временного сопротивления при растяжении. Стандарт предусматривает следующие марки чугуна: СЧ10; СЧ15; СЧ18; СЧ20; СЧ21; СЧ24; СЧ25; СЧ30; СЧ35; СЧ40; СЧ45.

Значения показателей некоторых серых чугунов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Механические показатели некоторых серых чугунов

Наличие графита способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна.

Ферритные серые чугуны марок СЧ10 и СЧ15 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, суппортов, тормозных барабанов, ведущих дисков сцепления и т. д.

Ферритно-перлитные серые чугуны марок СЧ20 и СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоков цилиндров двигателя, поршней цилиндров, барабанов сцепления, станин станков и др.

Перлитный чугун применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны. Такие чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок - ферросилиция (0,3-0,6 % от массы шихты) или силикокальция (0,3-0,5 % от массы шихты). К таким чугунам относят чугуны марок СЧ40 и СЧ45, которые обладают более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений. Эти чугуны применяют для изготовления корпусов насосов, компрессоров и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны, которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают путем графитизируюшего отжига отливок из белого доэвтектического чугуна. В составе ковкого чугуна не должно быть большого количества марганца, так как он при отжиге препятствует процессу графитизации, а также большого количества углерода и кремния, что приводит к затруднению получения отливок из белого чугуна, потому что при кристаллизации графит начинает выделяться в виде пластинок. Поэтому химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий чугун, имеет ограничения по содержанию: 2,5-3,0 % С; 0,7-1,5 % Si; 0,3-1,0% Mn; менее 0,12 % S; менее 0,18% Р.

Толщина сечения отливки не должна превышать 40-50 мм, так как при большей толщине в сердцевине образуется пластинчатый графит, что делает чугун непригодным для отжига.

Отжиг проводится в две стадии. На первой стадии отливки из белого чугуна медленно нагревают до температуры 930-1050 °С и выдерживают в течение 15 ч при этой температуре. При этом происходит распад цементита, входящего в высокотемпературный ледебурит, и из выделившегося углерода образуется хлопьевидный графит.

На второй стадии отливки охлаждают до температуры 700-760 °С, соответствующей эвтектоидному превращению, и выдерживают при этой температуре до 30 ч, либо очень медленно охлаждают. При этом происходит распад цементита, входящего в перлит. После окончания второй стадии структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита. Такой чугун называют ферритным ковким чугуном.

Если охлаждение было недостаточно медленным в районе температур, соответствующих эвтектоидному превращению, или недостаточной была выдержка на второй стадии графитизации, то распад цементита, входящего в перлит, произойдет не полностью. При этом структура чугуна будет состоять из феррита, перлита и хлопьевидного графита. Такой чугун называют феррито-перлитным ковким чугуном.

Если охлаждение в интервале температур было ускоренным, то распада цементита, входящего в перлит, не произойдет. При этом структура чугуна будет состоять из перлита и хлопьевидного графита. Такой чугун называется перлитным ковким чугуном.

Маркировка. Ковкий чугун согласно ГОСТ 1215-79 маркируется буквами «КЧ» и двумя числами: первое указывает временное сопротивление при растяжении; второе - относительное удлинение (в %).

Значения механических показателей некоторых ковких чугунов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Механические показатели некоторых ковких чугунов

Высокопрочный чугун

Высокопрочным называют чугун с шаровидной формой графита, получаемой в процессе кристаллизации отливки. Такая форма графитовых включений имеет меньшую поверхность по сравнению с пластинчатой и хлопьевидной при одинаковом объеме, уменьшает концентрацию напряжений.

Шаровидную форму графита получают введением в жидкий чугун магния, или магния с никелем, или ферросилиция.

Под действием модификаторов графит в процессе кристаллизации принимает шаровидную форму. Чугуны с шаровидной формой графита имеют более высокие механические свойства по сравнению с другими чугунами. Высокопрочные чугуны близки по свойствам к литой углеродистой стали, но ооладают лучшими литейными свойствами, хорошо обрабатываются резанием, сохраняют высокую износостойкость. Для повышения пластичности и вязкости отливки из высокопрочного чугуна подвергают термической обработке: отжигу, нормализации, закачке и отпуску. Одновременно с повышением пластичности при термической обработке снижаются остаточные напряжения в отливках, что повышает их работоспособность.

Маркировка. Высокопрочный чугун согласно ГОСТ 7293-85 обозначается аналогично ковким чугунам: буквами «ВЧ» и числами: первое указывает величину временного сопротивления, второе - относительное удлинение (в %).

Стандарт предусматривает следующие марки чугунов: ВЧ35-22; ВЧ40-15; ВЧ45-10; ВЧ50-7; ВЧ60-3; ВЧ70-2; ВЧ80-2; ВЧ 100-2. Химический состав высокопрочного чугуна: 3,2-3,6 % С; 1,6-2,9 % Si; 0,3-0,7 % Mn; не более 0,02 % S; не более 0,1 % Р. Высокопрочные чугуны на ферритной основе (ВЧ35-22, ВЧ40-15, ВЧ45-10) имеют δ от 22 до 10%, 140-225 НВ; на перлитной основе (ВЧ50-7, ВЧ60-3, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ100-2)- δ от 7 до 2%, 153-360 НВ.

Высокая прочность и пластичность высокопрочных чугунов позволяют использовать их для изготовления коленчатых валов автомобильных дизелей и других деталей, работающих в узлах трения при повышенных нагрузках.

Антифрикционные чугуны

Антифрикционные чугуны - специальные серые и высокопрочные чугуны с повышенными антифрикционными свойствами. Эти чугуны обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Отливки из антифрикционного чугуна (ГОСТ 1585-85) применяют для изготовления деталей, работающих в подшипниковых узлах трения.

Маркировка. Существуют следующие марки антифрикционного чугуна: АЧС1; АЧС2; АЧСЗ; АЧС1; АЧВ2; АЧК1; АЧК2. Буквы «АЧС» обозначают антифрикционный серый чугун; «АЧВ» - антифрикционный высокопрочный чугун; «АЧК» - антифрикционный ковкий чугун.

Антифрикционные серые чугуны - перлитные чугуны АЧС-1 и АЧС-2 и перлитно-ферритный чугун АЧС-3 - обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Антифрикционные серые чугуны используют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготовляют из чугунов марок АЧС-1 и АЧС-2, а для работы в паре с термически необработанными валами применяют чугун АЧС-3.

Антифрикционные высокопрочные (с шаровидным графитом) чугуны изготовляют с перлитной структурой - АЧВ-1 и ферритно-перлитной (50 % перлита) - АЧВ-2. Чугун АЧВ-1 используют для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленным или нормализованным валом.

Главное достоинство антифрикционных чугунов по сравнению с антифрикционными бронзами - низкая стоимость, а основной недостаток - плохая прирабатываемость, что требует точного сопряжения трущихся поверхностей.