Какая форма графита обеспечивает наиболее высоких свойств у чугуна
В промышленности широкое применение нашли чугуны с графитом. Чугуны — литейные сплавы, их используют для производства отливок. Чугуны обладают хорошей жидкотекучестью, а также малой усадкой за счет наличия в структуре свободного углерода — графита (см. разд. 18.1), температура их затвердевания ниже, чем у сталей.
Процесс образования графита в чугунах называется графитизацией. Образование графита может происходить при его непосредственном выделении из жидкой фазы при очень медленном охлаждении, когда степень переохлаждения не превышает 5 °С (при более быстром охлаждении образуется цементит), или в результате распада цементита при длительных выдержках.
Цементит (Ц) распадается на свободный углерод в виде графита (Г) и твердый раствор углерода в железе:
• при температуре свыше 727 °С — на аустенит (А) и графит (Г):
• при температуре ниже 727 °С — на феррит (Ф) и графит (Г):
В зависимости от формы графитовых включений различают несколько видов чугунов (рис. 13.1, а):
- • серые — графит имеет пластинчатую форму;
- • высокопрочные — форма графита шаровидная (глобулярная);
- • ковкие — графит имеет хлопьевидную форму.
Распад цементита может проходить полностью или частично. При неполном распаде цементита он присутствует в структуре наряду с графитом. В зависимости от количества углерода, связанного в цементите (Ссвяз), меняется структура металлической основы чугуна:
- • при ССВяз до 0,02 % — матрица ферритная. Это чугуны на ферритной основе, их структура феррит + графит;
- • при Ссвяз = 0,8 % структура матрицы —- перлит. Это перлитные чугуны со структурой перлит + графит;
- • при Ссвяз от 0,02 до 0,8 % ферритно-перлитовые — чугуны, со структурой феррит + перлит + графит.
Таким образом, по структурному признаку различают девять видов чугу- нов: три по форме графита — серый, высокопрочный и ковкий, причем каждый из них может иметь ферритную, ферритно-перлитную или перлитную матрицу (рис. 13.1). Твердость и прочность перлита выше, чем феррита. Поэтому наибольшей прочностью и износостойкостью обладают чугуны (с одинаковой формой графита) на перлитной основе, наименьшей — на ферритовой.
Серый чугун получил название по виду излома, имеющего серый цвет. Серые чугуны получают непосредственно литьем. Это доэвтектические чугуны, содержащие 2,4.. .3,8 % углерода, 1.. .4 % кремния (графитизатор), 1,25… 1,4 % марганца (повышает прочность).
Структура металлической основы определяется химическим составом чугуна и скоростью охлаждения отливки (рис. 13.1, б, в). Увеличение в чугуне содержания кремния и углерода способствует более полной графитизации. Аналогично влияние замедленного охлаждения. Графитизация — процесс диффузионный, поэтому он развивается тем полнее, чем дольше отливка находится при высоких температурах, т. е. чем медленнее она охлаждается. Скорость охлаждения отливки определяется ее сечением — чем больше сечение (толщина), тем больше время охлаждения.
Серые чугуны обладают меньшей прочностью, чем ковкие и высокопрочные. Чем крупнее пластинки графита (они играют роль трещин) и менее равномерно они распределены по объему, тем ниже прочность чугуна при растяжении. Минимальной прочностью обладает серый чугун на ферритовой основе. Вместе с тем включения графита не оказывают практического влияния на прочность при сжатии (при сжатии трещины закрываются). Предел прочности при сжатии в 3-5 раз больше, чем при растяжении (примерно такой же, как у низкоуглеродистой стали, например, Ст. 3).
Вместе с тем наличие в структуре свободного графита определяет ряд преимуществ чугуна перед сталью:
- • лучшая обрабатываемость резанием; обеспечивается хорошее стружкоот- деление — стружка при обработке чугуна сыпучая, а не сливная, как у стали;
- • более высокие антифрикционные свойства благодаря смазывающему действию графита;
- • наличие демпфирующих свойств, поскольку графитовые включения гасят вибрации;
Рис. 13.1. Структуры чугунов с графитом: а — по форме графита и металлической основе; б — по химическому составу; в — по скорости охлаждения; I — белый чугун; II — отбеленный чугун;
III — перлитный чугун; VI — перлито-ферритный; V — ферритный
• практически отсутствие чувствительности к поверхностным дефектам (надрезам и т. п.);
Серые чугуны обозначаются буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм2. Например, СЧ20 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 20 кгс/мм2 (200 МПа).
Серые чугуны применяют для изготовления отливок станин, поршней цилиндров, зубчатых колес и др.; ферритные (СЧ10, СЧ15) и ферритно-перлитные (СЧ20, СЧ25), обладающие меньшей прочностью, — для менее нагруженных деталей; перлитные (СЧ30, СЧ35) — для более нагруженных.
Серый чугун с повышенным содержанием фосфора (до 1,6%), обладающий хорошей жидкотекучестью, используют при производстве художественного литья.
Высокопрочный чугун получают при модифицировании магнием или церием перед его заливкой в формы. Под воздействием магния графит приобретает шаровидную (глобулярную) форму. Шаровидная форма графита обеспечивает высокие механические свойства чугуна (прочность на растяжение и пластичность). Это объясняется тем, что шаровидный графит значительно меньше, чем пластинчатый, ослабляет металлическую основу. Среди всех чугунов максимальная прочность у высокопрочного на перлитной основе.
Маркируют чугуны буквами ВЧ — высокопрочный чугун и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм2. Например, ВЧ60 — высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 60 кгс/мм2 (600 МПа).
Наибольшую прочность имеют чугуны на перлитной основе (ВЧ80, ВЧ60), она снижается у чугунов с ферритно-перлитной основой (ВЧ50, ВЧ45) и минимальна у чугунов с ферритной основой (ВЧ42, ВЧ38).
В целях получения особых свойств (жаростойкости, антифрикционнности, коррозионной стойкости) высокопрочные чугуны легируют хромом, никелем, молибденом, титаном, алюминием.
Высокопрочные чугуны эффективно заменяют сталь. Из них изготавливают валки прокатных станов, коленчатые валы автомобилей и др.
Ковкий чугун получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига. Его проводят в две стадии (рис. 13.2), что обеспечивает необходимый распад цементита.
Рис. 13.2. Режим отжига белого чугуна для получения ковкого чугуна
Первая стадия отжига заключается в нагреве отливок до температуры
950… 1000 °С и длительной изотермической выдержке при этой температуре (10… 15 ч). При этом цементит распадется на аустенит и графит (Ц —? А -ь Г). Затем осуществляется медленное охлаждение (5… 12 ч) до температуры, лежащей немного ниже линии PSK (см. рис. 10.1), в процессе которого происходит выделение из аустенита вторичного цементита (линия SE на диаграмме Fe — Fe3C, см. рис. 10.1) и его распад (Ц —» А + Г) с образованием хлопьевидного графита.
Вторая стадия отжига—изотермическая выдержка при температуре немного ниже температуры эвтектоидного превращения в течение 25.. .30 ч. При этом происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит (А —» П[Ф + Ц]) и распад цементита, входящего в перлит, на феррит и графит (Ц —> Ф + Г).
В результате такого отжига, когда распался весь цементит, получают ковкий ферритный чугун (излом бархатисто-черный). При сокращении выдержки на второй стадии графитизация происходит не до конца, и получают ковкий феррито-перлитный чугун, а если исключить вторую стадию, — ковкий перлитный чугун (излом светлый).
Хлопьевидный графит ослабляет металлическую основу в меньшей степени, чем пластинчатый. Отсутствие литейных напряжений, которые полностью устраняются во время отжига, обусловливает высокие механические свойства ковких чугунов. Они, уступая высокопрочным чугунам в прочности, существенно превосходят по прочности серые чугуны, а по пластичности — серые чугуны. Именно благодаря своей высокой (для чугунов) пластичности они получили название — ковкие. Однако, это название является условным. Пластичность ковких чугунов недостаточна для проведения пластической деформации. Ковкие чугуны не куют.
Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ — ковкий чугун и цифрами. Первые цифры это предел прочности при растяжении (кгс/мм2), вторые — относительное удлинение (%). Например: КЧ45-6 означает — ковкий чугун, с пределом прочности при растяжении а„ = 45 кгс/мм2 (450 МПа) и относительным удлинением при испытаниях на растяжение 5 = 6%.
Из ковкого чугуна можно получить заготовки только небольших размеров — толщиной не более 40.. .50 мм. Это связано с тем, что получение крупногабаритных отливок из белого чугуна невозможно (при их замедленном охлаждении будет происходить графитизация), а именно отжигом белого чугуна получают ковкий.
Из ковких чугунов изготавливают детали относительно небольших размеров, работающие при статических и динамических нагрузках (картер заднего моста, чашки дифференциала, тормозные колодки, ступицы колес для автомобилей и др.).
Графит имеет гексагональную слоистую решетку с небольшой энергией связи между атомами в разных слоях (силы Ван-дер-Ваальса), вследствие чего он обладает очень низкими твердостью, прочностью и пластичностью, значительно более низкими, чем у металлической основы. Графитные включения фактически представляют собой своеобразные трещины или пустоты, заполненные графитом. Чугун в связи с этим можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством таких трещин и пустот (графитных включений), ослабляющих металлическую основу. Чем больше графитных включений, чем они грубее, тем больше они разобщают металлическую основу и тем ниже механические свойства чугуна.
Графитные включения в чугунах имеют пластинчатую, вермикулярную, шаровидную или хлопьевидную форму (рис. 7.2).
Пластинчатый графит, играющий роль острых трещин и надрезов, является резким концентратором напряжений. Под действием нормальных напряжений по концам таких графитных включений легко формируются очаги разруше-
Рис. 7.2. Структуры чугунов с разной металлической основой и формой графитовых включений
ния. По этой причине чугуны с пластинчатым графитом имеют самую низкую прочность при растяжении и изгибе.
Вермикулярный графит отличается от пластинчатого значительно меньшими размерами частиц – это очень мелкие и тонкие прожилки со скругленными концами. Скругленные графитные включения выполняют роль уже не трещин, а пустот и являются менее резкими концентраторами напряжений.
Наименьшая концентрация напряжений отмечается в чугунах с шаровидным графитом. Такие чугуны имеют самую высокую прочность при растяжении и изгибе.
Чугуны с хлопьевидным графитом уступают им по своим прочностным характеристикам, но превосходят чугуны с пластинчатым графитом.
Таким образом, прочность чугунов с графитом определяется строением металлической основы и формой графитных включений. При меньшей степени графитизации (например, в ферритно-перлитном и особенно в перлитном чугунах по сравнению с ферритным) количество (объем) и размеры графитных включений будут меньше.
Уровень пластичности чугунов определяется формой графита (табл. 7.2). Самую низкую пластичность имеет чугун с пластинчатым графитом.
Таблица 7.2
Влияние формы графитных включений на пластичность чугунов
Графит | Пластинчатый | Вермикулярный | Хлопьевидный | Шаровидный |
Относительное удлинение δ, % | <0,5 | 1…3 | 3…12 | 2…17 |
Чугуны с графитом широко применяются в промышленности. Наличие графита в структуре, определяющее низкую прочность чугунов, придает им ряд высоких технологических и эксплуатационных свойств:
- – графит улучшает литейные свойства, уменьшая усадку чугунов при кристаллизации (см. 11.2.1);
- – мягкий и хрупкий графит улучшает обрабатываемость чугунов резанием, способствуя образованию стружки надлома (стружка ломается на графитовых включениях);
- – графит обеспечивает чугунам хорошие антифрикционные свойства, он играет роль смазки в парах трения;
- – графит гасит вибрации и резонансные колебания;
- – чугуны с графитом мало чувствительны к надрезам и другим дефектам поверхности деталей, поскольку подобные дефекты в виде графитных включений уже имеются в самом чугуне.
Главное меню a> |
Учебная работа
Графитизированные чугуны
В зависимости от формы графитных включений различают серые, высокопрочные, ковкие чугуны и чугуны с вермикулярным графитом.
Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения отливок, чем белые. Они содержат 1–3 %Si, обладающего сильным графитизирующим действием.
Серый чугун широко применяется в машиностроении. Он хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки, поршни и т.д.
Серые чугуны согласно ГОСТ 1412–85 маркируются буквами «СЧ» и далее следует величина предела прочности при растяжении (в кГ/мм2 ), например СЧ 15, CЧ 20, СЧ 35 (табл. 1).
Графит в сером чугуне наблюдается в виде темных включений на светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят механические свойства серого чугуна.
Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации.
Степень или полноту графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося (несвязанного) углерода.
Полнота графитизации зависит от многих факторов, из которых главными являются скорость охлаждения и состав сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. Чем медленнее охлаждение, тем больше степень графитизации. Кремний способствует графитизации, а марганец – карбидообразующий элемент – затрудняет графитизацию.
Рис. 3. Схемы микроструктур графитизированных чугунов:
а) серые; б) высокопрочные; в) ковкие; г) с вермикулярным графитом
Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит. Такой сплав называется серым чугуном на ферритной основе (рис. 3, а). Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой
то структура чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе. Наконец, возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные составляющие – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на феррито-перлитной основе.
Феррит и перлит в металлической основе чугуна имеют те же микроструктурные признаки, что и в сталях. Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, увеличивающего жидкотекучесть и дающего тройную эвтектику.
В металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика обнаруживается в виде светлых, хорошо очерченных участков.
Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом получают модифицированием серого чугуна щелочно-земельными элементами. Чаще для этого используют магний, вводя его в жидкий расплав в количестве 0,02–0,03 %. Под действием магния графит кристаллизуется в шаровидной форме (рис. 3, б). Шаровидные включения графита в металлической матрице не являются такими сильными концентраторами напряжений, как пластинки графита в сером чугуне. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали.
Маркируют высокопрочный чугун согласно ГОСТ 7293–85 буквами «ВЧ» и далее следует величина предела прочности при растяжении (в кГ/мм2), например ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 80 (табл. 2). Так же, как и серые чугуны, они подразделяются по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации и могут быть ферритными, феррито-перлитными и перлитными. Высокопрочный чугун используется во многих областях техники взамен литой и кованой стали, серого и ковкого чугунов. Высокие механические свойства дают возможность широко применять его для производства отливок ответственного назначения, в том числе и в судовом машиностроении: головок цилиндров, турбокомпрессоров, напорных труб, коленчатых и распределительных валов и т.п.
Ковкие чугуны получают путем отжига отливок из белого чугуна. Получение ковкого чугуна основано на том, что вместо неустойчивого цементита белого чугуна при повышенных температурах образуется графит отжига белого чугуна. Мелкие изделия сложной конфигурации, отлитые из белого чугуна, отжигают (получают ковкий чугун) для придания достаточной пластичности, необходимой при их использовании в работе. Ковкий чугун согласно ГОСТ 1215–79 маркируют буквами «КЧ» и далее следуют величина предела прочности при растяжении (в кГ/мм2) и относительного удлинения (в %), например, КЧ 35-10, КЧ 60-3 (табл. 3).
Графитизация идет путем растворения метастабильного цементита в аустените и одновременного выделения из аустенита более стабильного графита. Чем больше время выдержки при отжиге и меньше скорость охлаждения, тем полнее проходит графитизация. В зависимости от графитизации встречаются те же три основные типа структур, что и в сером чугуне: ковкие чугуны на ферритной, феррито-перлитной и перлитной основах (рис. 3, в). От серых (литейных) чугунов ковкие чугуны отличаются по микроструктуре только формой графита.
Если на шлифах (рис. 3, а) серых чугунов графит имеет форму извилистых прожилок, то в ковких чугунах графит, называемый углеродом отжига, находится в форме более компактных хлопьевидных включений с рваными краями. Более компактная форма графита обеспечивает повышение механических свойств ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном с пластинчатым графитом. Обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и высокопрочному чугуну, высоким сопротивлением ударным нагрузкам, износостойкостью, обрабатываемостью резанием, ковкий чугун находит свое применение во многих отраслях промышленности. Из него изготавливают поршни, шестерни, шатуны, скобы, иллюминаторные кольца и др.
Чугуны с вермикулярным графитом получают, как и высокопрочные чугуны, модифицированием, только в расплав при этом вводится комплексный модификатор, содержащий магний и редкоземельные металлы. Маркируют чугуны с вермикулярным графитом согласно ГОСТ 28394–89 буквами «ЧВГ» и далее следует цифра, обозначающая величину предела прочности при растяжении (кГ/мм2), например, ЧВГ 30, ЧВГ 45 (табл. 4). Вермикулярный графит подобно пластинчатому графиту виден на металлографическом шлифе в форме прожилок, но они меньшего размера, утолщенные, с округлыми краями (рис. 3, г). Микроструктура металлической основы ЧВГ также как у других графитизированных чугунов может быть ферритной, перлитной и феррито-перлитной.
По механическим свойствам чугуны с вермикулярным графитом превосходят серые чугуны и близки к высокопрочным чугунам, а демпфирующая способность и теплофизические свойства ЧВГ выше, чем у высокопрочных чугунов. Чугуны с вермикулярным графитом более технологичны, чем высокопрочные, и соперничают с серыми чугунами. Для них характерны высокая жидкотекучесть, хорошая обрабатываемость резанием, малая усадка. Чугуны с вермикулярньм графитом широко используются в мировом и отечественном автомобилестроении, тракторостроении, судостроении, дизелестроении, энергетическом и металлургическом машиностроении для деталей, работающих при значительных механических нагрузках в условиях износа, гидрокавитации, переменном повышении температуры. Например, ЧВГ используется для производства цилиндровых крышек и втулок, поршней судовых и тепловозных двигателей, корпусов газовых турбин и компрессоров.
Начало страницы