ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Глава 6

Чугуны

Чугуны, как конструкционные материалы (кроме легированных и высоколегированных специального назначения), подразделяются на: серые, ковкие и высокопрочные.

Обозначение серых чугунов включает буквы СЧ и далее двузначная цифра, соответствующая минимальному значению предела прочности при растяжении для данной марки, выраженная в кГ/мм² (таблица 5.5).

 

Таблица 5.5 - Марки и механические свойства серого чугуна

Марки чугуна	Предел прочности при растяжении, σв, МПа (кГ/мм2), не менее	Твердость, НВ
СЧ 10	100 (10)	120-205
СЧ 15	150 (15)	130-241
СЧ 20	200 (20)	143-255
СЧ 25	250 (25)	156-260
СЧ 30	300 (30)	163-270
СЧ 35	350 (35)	179-280
СЧ 40	400 (40)	207-285
СЧ 45	450 (45)	229-289

 

Серые чугуны СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20 применяют для литья строительных колонн, фундаментных плит, малонагруженных деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственной техники. Марки СЧ 25 - СЧ 45 используют для отливок ответственного назначения, в том числе станин станков, деталей двигателей внутреннего сгорания и др.

Для получения высших марок серого чугуна применяют модифицирование чугуна силикокальцием, ферросилицием, что измельчает строение графитных включений, уменьшает склонность к хрупкому разрушению, повышает весь комплекс механических свойств.

Обозначение ковких чугунов включает буквы КЧ, двузначную цифру, аналогично обозначению серого чугуна, и через тире одну или две цифры, соответствующие минимальному значению относительного удлинения при испытании на растяжение (таблица 5.6).

 

Таблица 5.6. Марки и механические свойства ковкого чугуна

Марки чугуна	Предел прочности при растяжении, σв, МПа (кГ/мм2), не менее	Относительное удлинение, δ,%, не менее	Твердость, НВ, не более
КЧ 33-8	330 (33)
КЧ 37-12	370 (37)
КЧ 50-4	500 (50)
КЧ 60-3	600 (60)

 

Для получения ковкого чугуна используют исходный белый чугун специального химического состава с содержанием: углерода - 2,2 - 3,0%, кремния 0,7 - 1,5%, марганца - 0,3 - 1,0% и хрома - до 0,08%.

Технология отжига отливок для получения ковкого чугуна предусматривает упаковку их в металлические ящики с песком, медленный нагрев в печи упакованных таким образом отливок до температур 900 - 1050 °С, длительную выдержку при этих температурах (15 - 20 ч), медленное охлаждение от 900 - 1050 °С до 720 °С, повторную изотермическую выдержку при этой температуре 10 - 15ч с дальнейшим охлаждением отливок в ящиках с песком до комнатной температуры (рисунок 5.1).

Нагрев до температуры первой стадии графитизации (900 - 1050°С) необходим для получения аустенито-цементитного фазового состояния чугуна (схема в) и повышения скорости диффузионных процессов, лежащих в основе графитизации. Как было показано выше, нагрев отливок проводится с весьма малыми скоростями (10 - 30°/ч). Выдержка при этих температурах в течение 15 - 20 ч приводит к полной графитизации всего цементита в чугуне. По окончании высокотемпературной выдержки оказывается аустенитная основа и относительно равномерно распределенные по объему компактные достаточно крупные слаборазветвленные графитные включения (схема г).

Рисунок 5.1. График режима отжига на ковкий чугун (а) и изменение структуры по ходу процесса: б- исходная структура доэвтектического белого чугуна; в - структура белого чугуна при высокой температуре (900 - 1050 ˚С) до начала процесса графитизации (в начальном этапе выдержки); г - по окончании выдержки при температуре 900 - 1050 ˚С; д - после окончания второй стадии графитизации (конечная структура)

Медленное охлаждение от 900 - 1050 °С до 720 °С со скоростью 20 - 30°/ч вызывает развитие промежуточной стадии графитизации (2 на рисунке 5.1), которая заключается в графитизации вторичного цементита, выделяющегося из аустенита при охлаждении в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

Вторая низкотемпературная выдержка при температуре 720 °С в течение 10 - 15 ч обеспечивает развитие второй стадии графитизации, при которой графитизируется эвтектоидный цементит. При этом графитизация происходит путем образования многочисленных мелких включений по всей бывшей аустенитной основе, в связи с чем по окончании второй стадии графитизации структура чугуна отличается от предыдущего этапа наличием новых мелких графитных включений наряду с крупными, образовавшимися на предыдущих стадиях графитизации (схема д). В качестве металлической матрицы в таком случае выступает феррит, поскольку он оказывается остаточной фазовой составляющей после графитизации цементита в составе перлита. Дальнейшее охлаждение до комнатной температуры не приводит к структурным изменениям в чугуне. Полученный по такому варианту чугун получил название ферритного ковкого чугуна.

Для получения ковкого чугуна на перлитной основе достаточно в основном режиме отжига лишь отменить вторую стадию графитизации, продолжая медленное охлаждение отливок с печью, либо в ящиках с песком непрерывно от 900 - 1050 °С до комнатной температуры. Это повышает твердость, износостойкость чугуна. Например, твердость ковкого чугуна на ферритной основе составляет 120 НВ, тогда как перлитный ковкий чугун может иметь твердость в два раза выше (240 НВ). Однако чугун на перлитной основе характеризуется пониженной пластичностью. Поэтому на практике часто реализуют вариант технологии отжига для получения структуры феррито-перлитного ковкого чугуна. Такая структура может быть получена не при полном исключении второй стадии графитизации, а при ее осуществлении с неполной длительностью выдержки при температуре 720 °С (3 - 5 ч вместо 10 - 15 ч по основному режиму Такой чугун имеет твердость, ниже чем у перлитного, однако характеризуется более высокой пластичностью.

Ковкий чугун применяют для изготовления муфт, фланцев, гаек, втулок, тонкостенных корпусов редукторов и других деталей, для которых есть опасность хрупкого разрушения при эксплуатации.

Как уже указывалось выше, высокопрочный чугун получают путем модифицирования серого чугуна магнием. Марки высокопрочного чугуна и его механические свойства приведены в таблице 5.7.

Таблица 5.7 - Марки и механические свойства высокопрочного чугуна

Марки чугуна	Предел прочности при растяжении, σв, МПа (кГ/мм2), не менее	Относительное удлинение, δ,%, не менее	Твердость, НВ
ВЧ 35	350 (35)		140-170
ВЧ 40	400 (40)		140-202
ВЧ 45	450 (45)		140-225
ВЧ 50	500 (50)		153-245
ВЧ 60	600 (60)		192-277
ВЧ 70	700 (70)		228-302
ВЧ 80	800 (80)		248-351
ВЧ 100	1000 (100)		270-360

 

Высокопрочные чугуны используются часто взамен сталей для деталей ответственного назначения, работающих в условиях больших статических и динамических нагрузок, например, для коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания автомобилей, тракторов, а также для деталей, испытывающих многократные циклические тепловые нагрузки (например, конфорки электроплиток).