Термическая обработка

Чугуны

1.4.3.1 Общие сведения

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, количество которого превышает 2,14%. Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь, однако не менее чем 20% выплавляемого чугуна используют для изготовления литых деталей.

Чугуны отличаются высокими литейными свойствами и являются одними из основных современных литейных материалов. Около 75% всех отливок изготавливают из чугуна. Более низкая по сравнению со сталями температура плавления и завершение кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают более высокие литейные характеристики: жидкотекучесть и заполняемость формы, усадку и меньшую склонность к образованию усадочных трещин.

Из-за низкой пластичности чугуны не подвергаются обработке давлением.

В зависимости от химического состава и условий кристаллизации углерод в чугунах может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В соответствии с этим различают белые чугуны (углерод находится в виде цементита) и серые (углерод находится в виде графитных включений).

В белых чугунах фазовые превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃C. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические (2,14…4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3…6,67%С).

В доэвтектических чугунах структурными составляющими при комнатной температуре являются перлит, ледебурит и цементит; в эвтектических – ледебурит; в заэвтектических – ледебурит и цементит.

Белые чугуны имеют высокую твердость (450…550НВ и выше), обусловленную наличием в них большого количества цементита. Одновременно с высокой твердостью для белых чугунов характерна высокая хрупкость, что исключает их использование для изготовления деталей машин. Находят применение отливки из белых чугунов, которые служат для получения деталей из ковкого чугуна путем проведения графитизирующего отжига. Также находят применение отливки с поверхностным слоем (12…30 мм) из белого чугуна и сердцевиной из серого чугуна. Наличие «отбеленного» поверхностного слоя обеспечивает высокую изностойкость такой отливки.

Промышленное значение имеют серые чугуны, в которых углерод находится в виде графитных включений, и поэтому важное значение приобретают условия их образования, т. е. процесс графитизации.

Графит содержит 100% углерода, а концентрация углерода в цементите составляет всего 6,67%. Кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются, в то время, как кристаллические структуры аустенита и цементита более подобны по своему строению. Поэтому образование цементита из жидкой фазы и из аустенита должно протекать легче, чем графита, поскольку работа образования зародыша и необходимые для этого диффузионные процессы не столь значительны.

Однако смесь феррит + графит или аустенит + графит обладает меньшой свободной энергией, чем смесь феррит + цементит или аустенит + цементит, следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.

В силу перечисленных обстоятельств при быстром охлаждении и затруднении диффузионных процессов происходит образование цементита, а при медленном охлаждении определяющим является стремление к минимизации свободной энергии, что приводит к образованию графита.

Серые чугуны различаются по форме графитных включений. Графит, который образуется в чугунах в процессе кристаллизации и последующего охлаждения имеет пластинчатую форму, а чугуны с таким графитом называются собственно серыми.

Образование графита вследствие распада цементита имеет место не только при кристаллизации и охлаждении, но и при нагреве белого чугуна до высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образуются графитные включения хлопьевидной формы. Чугун с таким графитом называют ковким чугуном.

Чугун с шаровидной формой графита, которую получают вследствие модификации магнием и церием, называют высокопрочным чугуном.

Чугуны, так же как и стали, являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят Fe, C, Si, Mn, P и S.

Углерод оказывает определяющее значение на качество чугунов, изменяя литейные свойства и количество графитных включений. Чем выше его концентрация, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, поэтому содержание углерода в промышленных чугунах не превышает 3,8%. Нижний предел содержания углерода составляет 2,4% и лимитируется необходимостью обеспечения достаточных литейных свойств.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием, он способствует выделению графита в процессе затвердевания и разложению уже образовавшегося цементита. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3 до 5%.

Марганец затрудняет протекание процессов графитизации и незначительно улучшает механические свойства чугунов. Количество марганца в чугунах может изменяться в пределах 0,5…1%.

Сера по своей отбеливающей способности в 5 - 6 раз превосходит марганец. Кроме этого, сера снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Поэтому сера является вредной примесью и её содержание в чугунах не превышает 0,15%.

Фосфор практически не влияет на графитизацию. Его предельная растворимость в феррите составляет 0,3%. При большем содержании фосфор образует с железом и углеродом тройную фосфидную эвтектику с температурой плавления 950^оС, что увеличивает жидкотекучесть чугунов. Однако эта эвтектика имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому повышенное содержание фосфора в отливках до 0,7% допускается лишь при необходимости обеспечения высокой изностойкости. Для художественного литья используются чугуны с содержанием фосфора до 1%.

Из легирующих элементов степень графитизации увеличивают никель и медь, а хром затрудняет процесс образования графита.

Графитные включения влияют на механические свойства отливок, поскольку могут рассматриваться как пустоты соответствующей формы, возле которых концентрируются напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем острее дефект, поэтому в наибольшей мере разупрочняется металл при наличии графитных включений пластинчатой формы, менее опасной является хлопьевидная форма графита, а наиболее приемлемой – шаровидная форма графита. Наибольшее влияние графитные включения оказывают на сопротивление материалов разрушению при жестких способах нагрузки (ударных и растягивающих) и практически не влияют при действии сжимающих нагрузок. Наименьшую пластичность имеют чугуны с пластинчатым графитом (δ = 0,2...0,5%), промежуточную (δ = 5...10%) – с хлопьевидным графитом и наибольшую – с шаровидным графитом (δ £ 15%).

По структуре металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.

Металлическая основа в чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает серый ферритный чугун.

Как конструкционный материал чугуны обладают следующими положительными свойствами. Наличие графита улучшает обработку резанием, поскольку стружка ломается на графитных включениях. По сравнению со сталью чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства, в силу того, что графитные включения сами являются смазкой. Чугун прекрасно гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость благодаря микропустотам, которые заполнены графитом. Детали из чугуна не столь чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям и т. п.) по сравнению со стальными деталями. Чугуны дешевле сталей из-за более простой технологии производства.

1.4.3.2 Серые чугуны

Для изготовления отливок предусматриваются следующие марки чугуна: СЧ10; СЧ15; СЧ20; СЧ25; СЧ30; СЧ35. Возможно изготовление чугуна марок СЧ18, СЧ21, СЧ24. Условное обозначение марки включает буквы СЧ – серый чугун и цифры, которые указывают наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении в МПа, уменьшенное в 10 раз.

Химический состав серых чугунов приведен в таблице 3. Структура металлической основы серых чугунов зависит от количества углерода и кремния. С повышением содержания этих элементов увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритной структуры металлической основы. Другим фактором, влияющим на структуру, есть скорость охлаждения чугуна, которая зависит от толщины стенки отливок и материала формы.

Модифицирование в значительной степени уменьшает влияние толщины стенок отливок на структуру и свойства чугуна. При модифицировании устраняется цементитная фаза и образуется небольшое количество изолированных графитных включений средней величины. Для модифицирования используют чугуны с пониженным содержанием углерода и кремния (С = 2,8...3,2%, Si = 1...1,5%). В качестве модификаторов используют ферросилиций, силикокальций, алюминий.

Таблица 3 – Механические свойства и химический состав

серых чугунов

Марка чугуна	sв, МПа	НВ	С, %	Si, %	Mn,%	P, %	S, %
СЧ10	³ 100	£ 190	3,5 - 3,7	2,2 -2,6	0,5 -0,8	£ 0,3	£0,15
СЧ15	³ 150	£ 210	3,5 - 3,7	2,0 -2,4	0,5 -0,8	£0,2	£0,15
СЧ20	³ 200	£ 230	3,3 - 3,5	1,4 -2,4	0,7 -1,0	£0,2	£0,15
СЧ25	³ 250	£ 245	3,2 - 3,4	1,4 -2,4	0,7 -1,0	£0,2	£0,15
СЧ30	³ 300	£ 260	3,0 - 3,2	1,3 -1,9	0,7 -1,0	£0,2	£0,12
СЧ35	³ 350	£ 275	2,9 - 3,0	1,2 -1,5	0,7 -1,1	£0,2	£0,12

Примечание. Значения временного сопротивления при растяжении и твердости приведены для отливок с толщиной стенки 15 мм.

Серые чугуны используются в станкостроении для изготовления корпусных деталей, зубчатых колес, станин, а в автомобилестроении – для блоков цилиндров, гильз, поршневых колец, распределительных валов, головок цилиндров, дисков сцепления. Из серых чугунов изготавливают сантехнические и бытовые приборы, радиаторы отопления, элементы печной арматуры и т.п.

1.4.3.3 Высокопрочные чугуны

В их маркировке буквы "ВЧ" обозначают высокопрочный чугун, цифры – наименьшее значение предела прочности при растяжении в МПа, уменьшенное в десять раз. Чем больше прочность высокопрочных чугунов, тем ниже их пластичность.

Механические свойства высокопрочных чугунов представлены в таблице 4. Химический состав высокопрочных чугунов приблизительно следующий: 3,1...3,2% С, 2,6...2,9% Si, 0,6...0,8% Mn, 0,12% Р, 0,03% S, 0.02..0.03% Мg или Си.

Таблица 4 –Механические свойства высокопрочных чугунов

Марка чугуна	sв, МПа	s0,2, МПа	δ, %	Твердость, НВ
ВЧ35				140 - 170
ВЧ40				140 - 202
ВЧ45				140 - 225
ВЧ50				153 - 345
ВЧ60				192 - 277
ВЧ70				228 - 302
ВЧ80				248 - 351
ВЧ100				270 - 360

У высокопрочных, по сравнению с серыми чугунами, наблюдаются более высокая жидкотекучесть, низкая усадка (до 1%), более высокий модуль упругости. Обрабатываемость резанием высокопрочного чугуна при эквивалентной твердости выше, чем отливок из серого чугуна. Высокопрочные чугуны имеют удовлетворительную свариваемость.

Чугунные валы из высокопрочных чугунов по сравнению со стальными имеют более высокую циклическую вязкость и лучшие антифрикционные свойства. Они малочувствительны к внешним концентраторам напряжений и более дешевые, чем стальные. Из высокопрочного чугуна изготовляют также валки прокатных станов, детали турбин и др.

1.4.3.4 Ковкие чугуны

Ковкий чугун получают отжигом отливок из белого чугуна, в структуре которых не должно быть следов графитизации. Для обеспечения этого условия белые чугуны в своем составе имеют пониженное количество углерода и кремния по сравнению с серыми и высокопрочными чугунами.

Формирование конечной структуры и свойств отливок из ковкого чугуна проиcходит во время отжига (рис.7). Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000^оС в течение 15-20 часов. При этом происходит превращение цементита в графит и структура после выдержки состоит из аустенита и графита. Этот этап называется первой стадией графитизации.

При последующем медленном охлаждении или выдержке при температурах 700...720°С происходит превращение в графит цементита, входящего в состав перлита, образовавшегося в результате эвтектоидного превращения аустенита (вторая стадия графитизации). Структура чугуна после отжига состоит из феррита и графитных включений и, таким образом, получается ковкий ферритный чугун.

Рисунок 7 – График графитизирующего отжига отливок из белого чугуна для получения ковкого чугуна

В случае быстрого охлаждения с температуры отжига полностью устраняется вторая стадия графитизации и получается ковкий перлитный чугун. Отжиг является продолжительной и дорогой операцией технологического процесса производства отливок из ковкого чугуна.

Существует 11 марок ковких чугунов (табл. 5). Первые четыре марки – с ферритной, последующие семь марок – с перлитной металлической основой. В маркировке буквы КЧ обозначают ковкий чугун, первая цифра определяет минимальное значение предела прочности в МПа, уменьшенное в 10 раз, а вторая – минимальное значение относительного удлинения в процентах.

Недостатком ковкого чугуна, по сравнению с высокопрочным чугуном, является ограничение толщины стенок для отливок из ковкого чугуна и необходимость проведения дорогостоящего отжига.

Таблица 5 – Механические свойства и химический состав ковких чугунов

Марка чугуна	sв, МПа	δ, %	Твердость, НВ	С, %	Si, %	Mn, %	P,%	S,%
КЧ30-6			100 - 163	2,6-2,9	1,0-1,6	0,4-0,6	0,18	0,20
КЧ33-8			100 - 163	2,6-2,9	1,0-1,6	0,4-0,6	0,18	0,20
КЧ35-10			100 - 163	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-0,6	0,12	0,20
КЧ37-12			110 - 163	2,4-2,7	1,2-1,4	0,2-0,4	0,12	0,06
КЧ45-7			150 - 207	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,10	0,20
КЧ50-5			170 - 230	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,10	0,20
КЧ55-4			192 - 241	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,10	0,20
КЧ60-3			200 - 269	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,10	0,20
КЧ65- 3			212 – 269	2,4-2,7	1,2-1,4	0,3-1,0	0,10	0,06
КЧ 70-2			241 - 285	2,4-2,7	1,2-1,4	0,3-1,0	0,10	0,06
КЧ80-1,5		1,5	270 - 320	2,4-2,7	1,2-1,4	0,3-1,0	0,10	0,06

1.4.3.5 Чугуны с вермикулярным графитом

Рассматриваемый чугун разработан и внедрен в 70-х годах прошлого столетия. Соединяет в себе высокие литейные, механические и теплофизические свойства и поэтому применяется для изготовления тонкостенных отливок сложной конфигурации, которые выдерживают значительные тепловые и силовые нагрузки.

В чугунах с вермикулярным графитом структура формируется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до 40%) и вермикулярную – в виде мелких тонких прожилок – форму.

Чугуны с вермикулярным графитом маркируются следующим образом: сначала идут буквы ЧВГ (чугун, вермикулярный графит), затем первое число, которое указывает минимальное значение временного сопротивления прочности при растяжении в мегапаскалях, далее второе число, определяющее минимальное значение относительного удлинения в процентах. Например, марка ЧВГ 400-4 означает, что чугун с вермикулярным графитом имеет s_в ≥ 400 МПа и δ ≥ 4%.

По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами (табл.6). Они прочнее серых чугунов, особенно при циклических нагрузках, отличаются хорошей теплопроводностью, что обеспечивает их стойкость к теплосменам.

Таблица 6 – Механические свойства чугунов с вермикулярным графитом

Марка чугуна	ЧВГ 300-3	ЧВГ 350-2	ЧВГ 400-1,5	ЧВГ 450-1
sв, МПа
δ, %	3,0	2,0	1,5	0,9

1.4.3.6 Антифрикционные и легированные чугуны

Серые, ковкие и высокопрочные чугуны используются как антифрикционные материалы. Находят применение следующие марки чугунов: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-4 (перлитная основа, поддаются закалке и нормализации); АСЧ-3 (феррито-перлитная основа, используется без обработки); АСЧ-5 (основа аустенитная, поддается закалке и нормализации); АСЧ-6 (перлитная пористая основа, без обработки); АЧВ-1 (перлитная основа, поддается закалке и нормализация); АЧВ-2 (феррито-перлитная основа, без обработки), АЧК-1 (перлитная основа, поддается закалке и нормализации); АЧК-2 (феррито-перлитная основа, без обработки).

При легировании хромом, кремнием и алюминием чугуны имеют большую жаростойкость. Из легированных чугунов распространены хромистые чугуны ЧХ1, ЧХ2, ЧХ16, 4X28, 4Х32, кремнистые чугуны ЧС5, ЧС13 и алюминиевые чугуны ЧЮХШ, ЧЮ6С5, ЧЮ22Ш, ЧЮ30 (табл. 7).

Таблица 7 – Химический состав легированных чугунов

Марка чугуна	C, %	Si, %	Cr, %	Другие элементы	Примечание
ЧХ22	2,4 – 3,6	0,2 – 1,0	19,0-25,0	0,15 - 0,35%Ti
ЧХ32	1,6 - 3,2	1,5 - 2,5	30,0 - 34,0	0,1 - 0,3% Ti	Эксп. до 1150оС
ЧХ22С	0,6 - 1,0	3,0 - 4,0	19,0 - 25,0
ЧС5Ш (силан)	2,7 - 3,3	4,5 - 5,5			Эксп. до 800оС, стоек в атмосферах, содержащих сернистый газ и пары воды
ЧС15 (ферросилид)	0,3 – 0,8	14,1–16,0			Для изготовления деталей химической аппаратуры
ЧЮ22Ш (чугаль)	1,6 – 2,5	1,0 – 2,0		19,0–25,0% Al	Эксп. до 1100оС
ЧН15Д7 (нирезист)	2,2 - 3,0	2,0 - 3,0	1,5 - 3,0	14,0 - 16,0 %Ni, 5,0 - 5,8 %Cu	Для изготовления деталей химической аппаратуры

Маркируются чугуны буквой Ч, за которой идут буквы, указывающие название легирующих элементов, а затем цифры, определяющие количество этих элементов в процентах. Буква Ш в конце обозначает наличие шаровидного графита.