Влияние химического состава чугуна на его механические свойства

Влияние примесей на свойства чугунов

Промышленное значение имеет чугун с содержанием угле­рода от 2 до 4,3 % •

Углерод, являющийся важной составляющей, может нахо­диться в чугуне в двух состояниях: в связанном с железом в виде цементита, в свободном в виде пластинчатого графита.

В чугуне содержатся также постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора.

Кремний увеличивает жидкотекучесть, способствует разло­жению цементита (с выделением углерода в виде графита) и получению серого чугуна. В белом чугуне кремния содержится не более 2 %, а в сером от 1 до 4 %.

Марганец препятствует графитизации, образуя с углеродом карбиды Мп3С, способствует получению белого чугуна. По­этому в белых чугунах марганца содержится от 1 до 3 %, а в серых не более 1,3 %

Сера является вредной примесью. Она понижает прочность, увеличивает хрупкость, ухудшает литейные свойства чугуна, так как придает ему пузырчатость и густотекучесть. Повышен­ное содержание серы вызывает красноломкость. Сера перехо­дит в чугун в основном из топлива и в небольших количествах из руды. В чугуне серы должно быть не более 0,08%.

Фосфор понижает прочность и увеличивает хрупкость чу­гуна. Повышенное содержание фосфора вызывает хладнолом­кость металла. Содержание фосфора в чугунах, предназначен­ных для изготовления ответственных отливок, должно быть не более 0,2%. Одновременно фосфор улучшает литейные свой­ства чугуна, так как уменьшает усадку и увеличивает жидко­текучесть металла, а следовательно, способствует лучшему за­полнению формы. Это позволяет получить из чугуна с повы­шенным содержанием фосфора тонкие отливки с чистой и гладкой поверхностью, что очень важно для художественного литья.

Белый и серый чугуны

Выплавленный в доменных печах чугун в зависимости от вида содержащегося углерода делится на белый , (передель­ный) и серый (литейный). Белым {передельным)

называется чугун, в котором угле­род находится в виде цементита, он имеет в изломе белый цвет (поэтому его называют белым), обладает высокой твер­достью и хрупкостью, не поддается механической обра­ботке.
Серым, (литейным)
называется чугун, в котором углерод находится в виде пластинчатого графита, он имеет в изломе серый цвет (поэтому его называют серым), обладает меньшей твердостью и хрупкостью, чем белый чугун, поддается механи­ческой обработке.

Белый чугун составляет около 80 % всех выплавляемых чугунов и идет в основном для переделки в сталь. По назначе­нию он делится на три класса: мартеновский, предназнача­ется для переделки в сталь в мартеновских печах, бессеме­ровский— для переделки в сталь в бессемеровских конвер­терах, томасовский переплавляют в сталь в томасовских конвертерах.

Серый чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагруз­кам, нечувствителен к поверхностным дефектам и удовлетвори­тельно сопротивляется усталостному разрушению, но из-за низкой пластичности и ударной вязкости его использование в качестве конструкционного материала ограничено.

В соответствии с ГОСТ 1412—79 различают следующие марки серого чугуна: СЧ00, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56, СЧ40-60, СЧ44-64.

Буквы в марке обозначают серый чугун, две первые циф­ры—-предел прочности на растяжение (кгс/мм2), две послед­ние цифры — предел прочности при изгибе (кгс/мм2). В марке СЧ00 показатели прочности и твердости не определяются.

Механические свойства серого чугуна приведены в табл.12.

Все серые чугуны по содержанию фосфора делятся на гематитовые, обыкновенные и фосфористые.

Гематитовые чугуны выплавляются из чистых гематитовых руд, содержащих незначительное количество вредных примесей. Они содержат не более 0,1 % фосфора и применя­ются для ответственного литья.

Обыкновенные чугуны содержат до 0,3% фосфора и используются для менее ответственного литья, чем гематитовые.

Фосфористые чугуны содержат до 1,2% фосфора и применяются для литья, требующего тонкой, чистой и гладкой поверхности.

В судостроении из серого чугуна изготовляют гребные винты, дейдвудные трубы, детали арматуры, кнехты, киповые планки, роульсы и т. п.

Разновидностью серого чугуна является ковкий чугун. Это условное название более мягкого и вязкого чугуна, чем серый, получаемого из белого чугуна в результате длительного от­жига. Ковкий чугун, как и другие чугуны, не куется. Суще­ствуют следующие марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215—79: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.
Буквы в марке означают сокращенное название ковкий чу­гун, две первые цифры — предел прочности на растяжение (кгс/мм2), одна или две последние цифры — относительное удлинение (%).

Ковкий чугун обладает хорошими механическими свой­ствами и высокой стойкостью к коррозии. В судостроении из него изготовляют малонапряженные детали судового оборудо­вания, дельные вещи и арматуру (детали клапанов и задви­жек, иллюминаторы, дверные ручки и т. п.).

Модифицированный чугун получают путем введе­ния в жидкий серый чугун перед разливкой специальных эле­ментов, называемых модификаторами, например алюминия, кремния, кальция и др. Они увеличивают количество центров кристаллизации и, следовательно, измельчают графит. . По­этому модифицированный чугун имеет повышенную прочность, лучшую стойкость против образования трещин и меньшую . хрупкость, чем обычные серые. Все высшие марки серого чу­гуна, начиная с СЧ28-48, получают методом модифицирования.

Высокопрочным называется серый чугун, содержащий шаровидный графит. Его получают введением в серый чугун магния, церия и висмута. Добавка их в расплавленный серый чугун, содержащий пластинчатый графит, превращает его в шаровидный. Высокопрочный чугун имеет более высокие ме­ханические свойства, чем обычный серый, модифицированный и ковкий чугуны, а также среднеуглеродистая сталь (табл. 13). В настоящее время выплавляют следующие марки высоко­прочного чугуна по ГОСТ 7293—79: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4 и ВЧ120-4.
Буквы обозначают высокопрочный чугун, первые две циф­ры— предел прочности на растяжение (кгс/мм2), последние одна или две цифры — относительное удлинение (%).

В судостроении высокопрочные чугуны широко применяют вместо ковкого чугуна и среднеуглеродистой стали. Из них изготовляют различные судовые устройства, механизмы, дель­ные вещи и т. д. Наиболее распространен магниевый чугун, обладающий высокими механическими свойствами, что позво­ляет использовать его вместо ковкого чугуна при изготовлении ответственных деталей машин: коленчатых валов, картеров, шатунов и т. п., а также грузовых, зачистных, обогревающих и охлаждающих трубопроводов, дейдвудных труб, винтов регу­лируемого шага (ВРШ) и т. п.

Легированные чугуны

Легированными

называются чугуны, в которые введены ле­гирующие (облагораживающие) примеси, например хром, ва­надий, молибден, никель, титан и др.

Легирующие элементы повышают прочность, твердость, из­носостойкость, коррозионную стойкость и другие механические, технологические и химические свойства чугунов.

Все легированные чугуны в зависимости от суммарного со­держания легирующих элементов делятся на низколегирован­ные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).

Разновидности легированных чугунов имеют разные марки. Входящие в марку легирующие элементы обозначают буквами: Н—никель, X — хром, М — молибден, Т — титан, К — кобальт, В — вольфрам, Б — ниобий, Г — марганец, С — кремний, Ф — ванадий, Ю — алюминий, Д — медь. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее содержание легирующих элементов в процентах. Если цифры нет, то данного легирующего эле­мента содержится около 1 %. Например, марка ЧН15Д7Х означает, что это высоколегированный чугун, в котором содер­жится никеля—15%, меди — 7% и хрома — около 1 %.

Изготовление легированных чугунов, обладающих целым рядом ценных свойств, относительно недорого, и поэтому об­ласть их применения непрерывно расширяется.

В зависимости от свойств легированные чугуны делятся на износостойкие, коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаро­стойкие и др.

Износостойкими называются чугуны, обладающие вы­соким сопротивлением износу (истиранию), которое возникает при трении поверхностей, находящихся под нагрузкой. К изно­состойким чугунам относятся антифрикционные и фрикционные чугуны.

Антифрикционными называются износостойкие чу­гуны, обладающие низким коэффициентом трения. Из них из­готовляют детали, работающие в условиях трения скольжения: подшипники скольжения и их вкладыши, грундбуксы, саль­ники и другие подобные детали.

Антифрикционные чугуны имеют марки по ГОСТ 1585—79: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧК-1, АЧК-2, АЧВ-1, АЧВ-2 и др.

Буквы АЧ означают антифрикционный чугун, а буквы С, К и В — базовый чугун (серый, ковкий и высокопрочный), на основе которого он получен. Цифра — условный номер.

Кроме перечисленных марок применяют специальный ан­тифрикционный пористый чугун марки АПЧ, получаемый вве­дением в расплавленный чугун при его выплавке свинца, фос­фора и углекислого калия (поташа). В результате затвердевший чугун становится пористым, что улучшает его антифрик­ционные свойства.

В качестве антифрикционных чугунов применяют также медистый чугун марок ЧМ-1,3, ЧМ-1,8 и др., в которых цифра указывает на содержание меди в процентах. Эти чугуны имеют хорошие антифрикционные свойства и выдерживают большие нагрузки.

Фрикционными называются износостойкие чугуны, имеющие высокий коэффициент трения. Из них делают тор­мозные устройства различных механизмов:

Все большее распространение в судостроении получают коррозионнно-стойкие чугуны (ГОСТ 11849—76), так как даже обычные чугуны обладают более высокой коррози­онной стойкостью в атмосфере и морской воде, чем углероди­стые стали. Вводя в чугун более 12 % хрома и снижая содер­жание углерода, получают нержавеющий чугун. Высокой кор­розионной стойкостью в агрессивных средах, стойкостью к кавитации и износу в пароводяных средах обладают коррози-онно-стойкие чугуны марок ЧНХТ,ЧН1ХМД, ЧН15Д7Х2 и др.

Жаростойкими называются чугуны, стойкие против окисления и сохраняющие механические свойства при высоких температурах нагрева (свыше 750 К).

Многие высоколегированные жаростойкие чугуны являются одновременно и коррозионно-стойкими. Детали, работающие при высокой температуре нагрева без больших нагрузок, вы­годнее изготовлять из жаростойких чугунов, чем из жаростой­ких сталей, так как стоимость их получения меньше.

В марках жаростойких чугунов (ГОСТ 7769—75) буквы ЖЧ обозначают жаростойкий чугун, последующие буквы обозна­чают легирующие элементы, а цифры.—среднее содержание ле­гирующих элементов в процентах. Например, ЖЧНДХ-15-7-2 — это жаростойкий чугун, содержит никеля 15%, меди 7% и хрома 2 %, а остальное железо, углерод и другие примеси.

Существуют жаростойкие алюминиевые чугуны — чугаль и пирофераль. Они содержат большое количество алюминия и модифицированы магнием для получения шаровидного гра­фита, коррозионно-стойки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется чугуном?

2. Какое влияние на свойства чугуна оказывают углерод, кремний, мар­ганец, сера и фосфор?

3. Почему чугун для художественного литья должен иметь повышенное содержание фосфора?

4. Как делятся белые (передельные) чугуны и где их применяют?

5. Как делятся серые чугуны и где их применяют?

6. Почему одна из разновидностей серого чугуна получила название «ковкий чугун»?

7. Какими особыми свойствами обладают легированные чугуны?

Задание

Расшифруйте марки: СЧ32-52, КЧ50-4, ВЧ45-5, АЧС-2, АЧВ-1, АЧК-1, ЧМ-1,3, АПЧ, ЧН15Д7Х2, ЖЧС-5,5. Укажите области применения этих чу-гунов.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Белый и серый чугун

Серый и белый чугуны резко различаются но свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатываются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ковкого чугуна.

Серые чугуны – это литейный чугун. Серый чугун поступает в производство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкционным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называют демпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2-4 раза выше, чем стали. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др. В соответствии с ГОСТ 1412-80 выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): СЧ 10 (143-229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180—250), СЧ 30 (181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).

Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введении в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически полностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная структура с включениями графита. При дальнейшем уменьшении содержания кремния формируется структура серого чугуна на перлитной основе с включениями графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными – серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связи с (.металлической основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пластичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызывают включения графита (рис. 25, а) в виде пластинок, наименьшее – включения точечной или шарообразной формы.

Рис. 25. Микроструктура чугуна с различной формой графита: а – пластинчатый графит в сером чугуне, б – шаровидный графит в высокопрочном чугуне, в – хлопьевидный графит в ковком чугуне

По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить па четыре группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами. Серый чугун малой прочности имеет в основе микроструктуру феррита или феррита и перлита с пластинчатым графитом (рис. 25, а). Такой чугун обладает прочностью на растяжение 300 МПа и соответствует маркам до СЧ 30. В марке буквы сокращенно обозначают наименование чугуна, а следующая за ними двухзначная цифра – предел прочности на растяжение.

Серый чугун повышенной прочности имеет перлитную основу и более мелкое, завихренное строение графита. Он соответствует маркам от СЧ 35 до СЧ 40. Прочность этих чугунов обеспечивается легированием и модифицированием чугуна.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена, а иногда титана или меди.

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный немодифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т. е. белым или половинчатым). Модификаторы – ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. – добавляют в количестве 0,1-0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедленно разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10-15 мин.