Высокопрочный чугун применение в автомобиле

Высокопрочный чугун

Изучение микроструктур Чугунов

По химическому составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода и постоянных примесей.

Чугунами называется железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %.

Свойства чугуна определяются его структурой. По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в частности, более низкими температурами плавления, и имеют меньшую осадку, характеризуются малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаются ковке) Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики. Структура и основные свойства чугунов зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки ирежима термической обработки. В зависимости от скорости охлаждения, добавочного легирования и последующей термообработки различают следующие типы чугунов: белые, серые, высокопрочные, ковкие и половинчатые.

Белый чугун

Своё название белый чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет, что обусловлено присутствием в структуре большого количества цементита.

Белым чугуном называют чугун, у которого весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита – Fe₃C.

Получают его при быстром охлаждении. Структура белых чугунов определяется метастабильной диаграммой Fe – Fe₃C (рис. 1). В их структуре при комнатной температуре присутствует эвтектика – ледебурит, которая позволяет микроскопически отличать белые чугуны от углеродистых сталей.

Ледебурит – эвтектическая смесь, образующаяся при температуре 1147 °С из жидкости, содержащей 4.3 %С. В интервале от 1147 до 727 °С ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температуре ниже 727 °С из перлита и цементита.

В соответствии с диаграммой Fe – Fe₃C белые чугуны делятся на доэвтектические, содержащие углерода от 2,14 до 4,3 % С;эвтектические, с содержанием углерода 4,3 %;заэвтектические, содержание углерода в которых от 4,3 до 6,67 %.

Микроструктура белого доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (рис. 2, а).

Эвтектический белый чугун состоит из одного ледебурита (рис. 2, б).

Заэвтектический белый чугун имеет структуру, состоящую из ледебурита и цементита первичного (рис. 2, в).

Белые чугуны характеризуются высокой хрупкостью, твердостью (практически не поддаются обработке режущим инструментом) и имеют ограниченное применение как конструкционные материалы. Они обычно идут на передел в сталь либо используются для получения ковкого чугуна. В машиностроении белый чугун главным образом применяется для отливки валков прокатных станов, мукомольных валков, которые должны быть твердыми и износостойкими.

В зависимости от назначения передельный чугун выплавляют различных марок: П1 и П2 – для сталеплавильного производства; ПЛ1 и ПЛ2 – для литья отливок. Исходя из содержания примесей, различают передельный фосфористый чугун ПФ1, ПФ2 и ПФЗ и высококачественный – ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ. Цифра в марке передельного чугуна дана для условной нумерации; химический состав приведен в ГОСТ 805 – 80; передельный чугун поставляют в чушках.

Серый чугун

Серые чугуны получили такое название по виду излома, который имеет серый цвет.

Отличительным признаком этих чугунов является присутствие в структуре свободного углерода в виде графита (рис. 3, а). Выделению углерода способствуют такие элементы, как кремний, никель, алюминий. Необходимо знать, что получают серые чугуны путем медленного охлаждения при кристаллизации по стабильной диаграмме (пунктирные линии, рис. 1). Графит, образующийся из жидкой фазы, растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков (рис. 3, б). В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой различные сечения графитных лепестков.

Чугун, в структуре которого отсутствует эвтектический цементит, а включения гранита имеют форму пластинок, называется серым.

В зависимости от скорости охлаждения металлическая основа серых чугунов может быть ферритной, феррито-перлитной, перлитной (рис. 4). При весьма медленном охлаждении и большом количестве графитообразующих элементов образуется ферритный серый чугун(рис. 5, а). В этом случае весь углерод находится в виде графита.

Некоторое увеличение скорости охлаждения или наличие элементов (марганца, хрома), тормозящих графитизацию, способствует образовании перлитного цементита. В зависимости от количества образовавшегося перлита может быть подучен феррито-перлитный чугун (рис. 5, б) или перлитный (рис. 5, в).

Графитные включения в сером чугуне можно рассматривать как трещины, поры, нарушающие целостность металлической матрицы. Чем больше графита в структуре чугуна, тем ниже его качество. Серый чугун отличается низкой пластичностью. Относительное удлинение образцов из серого чугуна на ферритной основе при растяжении составит 0,3 ¸ 0,8 %,перлитного – 0,2 ¸ 0,4 %.

Плохо воспринимает серый чугун и динамические нагрузки. Вместе с тем присутствие графитных включений оказывает благоприятное влияние на ряд других свойств чугуна – обрабатываемость, антифрикционные свойства. Прочностные свойства серого чугуна зависят от прочности металлической матрицы. Серый чугун рекомендуется использовать преимущественно для деталей, работающих на сжатие (станины станков, поршни, цилиндры и т.д.).

При сжатии чугун претерпевает значительные деформации, и разрушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая нагрузка при сжатии, в зависимости от качества чугуна и его структуры, в 3 – 5 раз больше, чем при растяжении. Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным к всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т. д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхностью, и сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой.

Маркируются серые чугуны буквами СЧ и цифрами (ГОСТ 1412 – 85), характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение: СЧ 30 (где 30 обозначает s_в = 300 МПа).

Примерный химический состав серых чугунов: 2,9 ¸ 3,6 % С; 1,1 ¸ 3,5 % Si; 0,6 ¸ 1,2 % Mn; £ 0,3 ¸ 0,6 % P; £ 0,15 % S.

Свойства и области применения серых чугунов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Свойства и применение серых чугунов

Источник

ИЛЗ Сплав

Поставщик ООО «Нефтепром-Энерго»

info@isplav.ru

ЧУГУН В ТЯЖЕЛОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

Одним из основных потребителей продукции литейного производства является тяжелое машиностроение. К данной отрасли относится предприятия, занимающиеся изготовлением оборудования для горнодобывающей и металлургической промышленности, производством морских и речных судов, вагонов, локомотивов, а также тяжелое станкостроение. Самым востребованным материалом в данной области, наряду со сталью, являются всевозможные сплавы чугунов, отличающиеся друг от друга механическими и физическими свойствами.

Серый чугун

Серый чугун представляет собой один из наиболее популярных сплавов, обладающий прекрасными литейными свойствам, высокими антифрикционными показателями и достаточной твердостью.

Основными компонентами сплава являются железо и углерод. Графит в серых чугунах содержится в виде включений пластинчатой формы. Наряду с углеродом и железом в состав серого чугуна входит кремний, марганец и фосфор.

Эти компоненты оказывают существенное воздействие на свойства сплавов и характеристики выполненных из них литейных заготовок.

По своей структуре серый чугун может быть ферритным, ферритно-перлитным или перлитным, что следует учитывать при выборе типа сплава для производства отливки.

Применение в тяжелом машиностроении

Структура серого чугуна несколько сужает сферу его использования. Из-за достаточно высокой хрупкости его редко применяют для изготовления деталей, подвергающихся системным растяжениям или изгибам. Идеальным вариантом сплав является для производства элементов конструкций, работающих на сжатие. Чаще всего серый чугун используется в станкостроении для производства самых разнообразных деталей:

конструкционных деталей вагонов

Высокопрочный чугун

Является разновидностью серого чугуна, обладающей улучшенными показателями прочности и пластичности.

Особенности и преимущества сплава

Высокопрочный чугун представляет собой модифицированный серый чугун, графитные включения в котором имеют шаровидную форму. Это гарантирует металлу однородность, высокую стойкость к воздействиям различного рода, прочность на растяжение и изгиб. Кроме этого, благодаря шаровидной форме графита, прочность чугунов данного типа меньше зависит от изменений в содержании в них углерода. Получить высокопрочный чугун удается за счет введения в сплав специальных присадок, содержащих магний или церий. По своим литейным показателям металлы данного типа уступают серому чугуну. Усадка литейных заготовок может достигать 1,3-1,8%.

Применение в тяжелом машиностроении

Сфера применения высокопрочного чугуна достаточно обширна. Он становится прекрасной альтернативой как серому чугуну, так и литейной стали. В первом случае он позволяет существенно улучшить технические характеристики изделий и увеличить срок их службы, а во втором – снизить себестоимость крупногабаритных конструкционных деталей. В тяжелом машиностроении высокопрочный чугун чаще всего используется для производства наиболее ответственных деталей: станин станков, тяжелых оснований, втулок, деталей турбин и т.д.

Источник

Чугун. Марки, свойства и применение чугунов

Чугун — самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3÷3,5% углерода.

Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Специально обработанный чугун (высокопрочный) по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.

Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объясняются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита.

Введение в жидкий чугун небольшого количества магния и церия изменили форму графита, он стал шаровидным. Чугун приобрел прочность и утратил хрупкость. Такой чугун (его называют высокопрочным) по-своему качеству не уступает конструкционным углеродистым сталям. Стойкость деталей, изготовленных из этого чугуна, увеличилась почти в три раза.

Углерод в чугунах может находиться в виде химического соединения — цементита (такие чугуны называют белыми) или частично или полностью в свободном состоянии в виде графита — (такие чугуны называют серыми).

Чугуны состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются главным образом формой графитовых включений. Белый чугун имеет ограниченное применение. Некоторые отливки, от которых требуется повышенная твердость поверхностного слоя, изготовляют из отбеленного чугуна. Поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а сердцевина — из серого. Величину и твердость отбеленного слоя регулируют путем изменения химического состава чугуна и скорости затвердевания отливки.

Чугун серый

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. По виду металлической основы различают серые чугуны перлитные, перлитно-ферритные и ферритные.

Таблица 1. Чугуны серые литейные, их основные свойства и применение

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает целостность металлической основы. Располагаясь между зернами металлической основы, графит ослабляет связь между ними. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкую пластичность и вязкость. Чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства чугуна. Твердость серого чугуна, а также его сопротивление сжатию близки к показателям стали, имеющей такую же структуру, как у металлической основы чугуна.

Графит оказывает и некоторое положительное влияние на свойства чугуна, в частности, он повышает его износостойкость, действуя аналогично смазке, повышает обрабатываемость резанием, так как делает стружку ломкой, способствует гашению вибраций изделий, уменьшает усадку при изготовлении отливок.

Механические свойства серого чугуна могут быть улучшены равномерным распределением мелкопластинчатого графита в отливке. Это достигается путем специальной обработки — модифицирования, когда в жидкий чугун перед его разливкой вводят добавки, которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит. Чугун с таким графитом называют модифицированным. От обычного серого чугуна он отличается более высоким сопротивлением разрыву, однако пластичность и вязкость его при модифицировании не улучшаются.

По ГОСТ 1412-85 буквы СЧ в обозначении марки чугуна означают — серый чугун. Двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σ_в МПа. Стандарт нормирует предел прочности серых чугунов σ_в = 274÷637 МПа, твердость — 143÷637 НВ и химический состав.

Основные свойства серого чугуна и его применение приведены в таблице 1.

Чугун высокопрочный с шаровидным графитом

Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. Основная часть этих модификаторов испаряется, окисляется и переходит в шлак, так что в твердом металле обнаруживается не более 0,01% этих элементов. Магний и церий активно удаляют из чугуна серу. Но главная роль их заключается в том, чтобы изменить чешуйчато-пластинчатую форму графита на шаровидную. После модифицирования чугуна магнием или церием в ковш добавляют 75%-ный ферросилиций (сплав железа с кремнием). В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца.

Металлическая основа высокопрочного чугуна состоит из феррита и перлита или только из перлита. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения. Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400°С (серый чугун выдерживает температуру до 250°С).

ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σ_в, предел текучести σ_т, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией. Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа — первое указывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удлинение. Например, марка чугуна ВЧ 42-12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σ_в = 412 Н/мм 2 (42 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =12%.

Стандарт предусматривает 10 марок высокопрочных чугунов: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 45-5, ВЧ 50-7, ВЧ 50-2, ВЧ 602, ВЧ 70-2, ВЧ 80-2, ВЧ 100-2, ВЧ 120-2. Стандарт или справочник дает дополнительные сведения об этом чугуне: предел текучести σ_т = 274 Н/мм 2 (28 кгс/мм 2 ), твердость-140÷200 НВ.

Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали Сталь 20Л, 25Л, ЗОЛ и 35Л.

Чугун ковкий

В структуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит называют углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Свое название он получил потому, что имеет повышенную пластичность. Ковке в прямом понимании этого слова чугун не подвергается.

Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две стадии: изготовление фасонных отливок из белого чугуна и отжиг полученных отливок с целью графитизации цементита. При отжиге происходит разложение цементита белого чугуна с образованием графита хлопьевидной формы. В результате этого хрупкие и твердые отливки становятся пластичными и более мягкими. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную (Ф), перлитную (П) и ферритно-перлитную металлическую основу. Наибольшее распространение получил пластичный ферритный ковкий чугун. Отжиг ковкого чугуна-весьма продолжительный процесс, занимающий 70-80 ч. Однако его можно ускорить путем закалки отливок из белого чугуна перед графитизацией, а также модифицированием чугуна алюминием, бором, висмутом или титаном. Существуют и другие способы ускорения процесса отжига. Использование указанных способов позволяет сократить продолжительность отжига до 35-40 ч.

Таблица 2. Чугуны ковкие, их основные свойства и применение

По ГОСТ 1215-79 маркируется ковкий чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Например, марка чугуна КЧ 33-8 означает, что данный чугун имеет предел прочности σ_в = 32.4 Н/мм 2 (33 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =8 %.

Отливки из ковкого чугуна можно получить с сечением до 55 мм. При большем сечении в сердцевине отливок образуется пластинчатый графит и чугун становится не пригодным для отжига. В машиностроении чаще применяют высокопрочный чугун, который получают при менее сложных и более дешевых технологических процессах, чем процессы производства ковкого чугуна.

Основные свойства ковкого чугуна и его применение приведены в таблице 2.

Чугун легированный

Свойства чугуна можно улучшить путем введения в его расплав легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на его металлическую основу, но также на форму и размеры графитных включений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.

Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. По основному легирующему элементу чугуны со специальными свойствами подразделяют на пять видов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, маркируется легированный чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Буква Ч означает чугун, буква Ш — шаровидная форма графита, буквы русского алфавита, соответствующие легирующим химическим элементам, и цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. Например, марка чугуна ЧХ16 означает, что данный легированный чугун содержит хрома 16%.

Основные свойства легированного чугуна и его применение приведены в таблице 3.

Таблица 3. Чугуны легированные, их основные свойства и применение

Источник