Глава 7 ЧУГУНЫ И СТАЛЬНОЕ ЛИТЬЕ
Назад: 6.2 Способы нагрева и
оборудование для термообработки.
7.1 Состав, структуры и основные свойства
чугунов
Согласно
диаграмме состояния железо-углерод, область чугунов охватывает сплавы железа,
содержащие свыше 2,14 % углерода.
В
процессе кристаллизации и последующего охлаждения чугуна (пунктирные линии SE,
ECF, CD – см. ч.1,
гл.3.3, рис. 3.8) избыточный углерод выделяется в виде включений
графита или цементита (карбида железа). Количество выделившегося графита,
форма, размеры и характер распределения его в металлической матрице оказывает
существенное влияние на механические свойства чугунов. По этим признакам
чугуны, как известно, разделяются на следующие группы: серый, белый, ковкий высокопрочный
и легированный. Наиболее широкое применение получили в технике серые доэвтектические
чугуны, содержащие 2,4...3,8 % С, как обладающие благоприятным комплексом
литейных и механических свойств.
На
структуру чугуна и его свойства оказывает большое влияние кремний, которого в
сером чугуне обычно содержится 1,2...3,5 %. Поэтому, при изучении структурообразования
в техническом (сером) чугуне удобнее пользоваться тройной диаграммой состояния
Fe-C-Si, анализ которой подробно представлен в работе. [1]
В
реальных условиях неравновесного (ускоренного) охлаждения структура чугунов
отличается от равновесной и поэтому удобнее рассматривать структурное строение
чугунов в зависимости от химического состава (содержания Si) и скорости
охлаждения (толщины отливки), показанной на рис. 7.1. Как видно, при постоянном
содержании углерода увеличение количества кремния и снижение скорости
охлаждения приводит к более полному протеканию процессов графитизации.
а б
Рис. 7.1 – Влияние
состава (а) и скорости охлаждения (б) на структуру чугуна.
Содержание
марганца в чугуне не превышает 1,25...1,4 %. Он препятствует графитизации и
способствует отбеливанию. Сера заметно тормозит процесс графитизации и является
вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна. Поэтому
ее ограничивают в пределах 0,1...0,12 %. Содержание фосфора в сером чугуне
составляет 
0,2 %, хотя допускают
и до 0,4...0,5 %. Улучшая жидкотекучесть, фосфор вызывает образование двойной
(Fe3P-аустенит) или тройной (Fe3C-Fe3P-аустенит)
эвтектики, охрупчивающей чугун. По структуре серые чугуны, как видно из рис.
7.1, могут быть ферритными, феррито-перлитными и перлитными. К последним относятся
так называемые сталистые и модифицированные чугуны. Скорость охлаждения во
многом определяет размеры структурных составляющих: чем меньше скорость
охлаждения, тем крупнее графитные включения, крупнее зерно металлической
основы, а, следовательно, меньше прочность и твердость.
В
соответствии с ГОСТ 1412-85 серые чугуны маркируются буквами СЧ и двузначными
цифрами, обозначающими величину предела прочности в 10-1МПа при растяжении:
СЧ10, СЧ15, СЧ45. Из белого чугуна путем отжига получают ковкий чугун,
характеризующийся повышенной прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.
Такие свойства обеспечиваются образованием хлопьевидной формы включений
графита. По структуре эти чугуны являются ферритными и перлитными. По ГОСТ
1215-79 они обозначаются: КЧ 30-6, КЧ 37-12, КЧ 95-6 и т.д.
Высокопрочные
чугуны – это серые чугуны, в которых за счет добавок магния (0,03...0,07 %) в
процессе кристаллизации графит принимает не пластинчатую, а шарообразную форму,
что меньше ослабляет металлическую основу чугуна и повышает его механические свойства.
Высокопрочные чугуны в соответствии с ГОСТ 7293-85 разделяются по структуре на
ферритные, перлито-ферритные, перлитные и бейнитные. Они обозначаются двумя
буквами и следующими за ними двумя цифрами, обозначающими среднее значение
временного сопротивления на разрыв (ранее обозначалось и относительное
удлинение): ВЧ35, ВЧ40, ВЧ50 (ранее ВЧ38-7, ВЧ42-12, ВЧ50-2).
Указанные
выше составы, структуры и свойства различных марок чугунов определили различные
области применения чугунов от фундаментных плит и литых малонагруженных деталей
сельскохозяйственных машин и автомобилей до станин мощных станков, прессов,
деталей турбин и металлургического оборудования, работающих в условиях износа и
ударного нагружения и т.д.
Литые стали
по химическому составу классифицируются на конструкционные углеродистые и
легированные по ГОСТ 977-75 и высоколегированные со специальными свойствами по
ГОСТ 2176-77. По назначению они разделяются на три группы:
для
отливок общего назначения;
для отливок
ответственного назначения;
для
отливок особо ответственного назначения.
К
конструкционным углеродистым относятся стали 15Л, 20Л, 25Л, 30Л, 40Л, 50Л и
55Л, а к конструкционным легированным 35ГЛ, 30ГСЛ, 35ХМЛ, 35ХГСЛ, 08ГДНФЛ. К
литым высоколегированным сталям со специальными свойствами относятся 20Х13Л,
10Х14НДЛ (мартенситного класса), 08Х14Н7МЛ, 14Х18НЧГЧЛ
(аустенитно-мартенситного класса), 12Х25Н5ТМФЛ, 20Х20Н1ЧС2Л (аустенитно-ферритного
класса) и 10Х18Н9Л, 18Х25Н9сл (аустенитного класса).
Для
литых сталей нормируемыми показателями механических свойств являются предел текучести
или временное сопротивление на разрыв, относительное удлинение и ударная
вязкость.
Как
правило, литейные свойства сталей хуже, чем у чугуна. Они характеризуются
большой литейной усадкой (2,3...2,8 %), что существенно сказывается на точности
литых деталей. Стали весьма чувствительны к термическим циклам обработки. Все
это является причиной образования в сварных соединениях из литых стальных
деталей таких дефектов, как раковины, пористость, трещины, коробление и т.п.).