Основные свойства и области применения серого чугуна
Основные свойства и области применения серого чугуна
В основу стандартизации серого чугуна заложен принцип регламентирования минимально допустимого значения временного сопротивления разрыву при растяжении (В). В соответствии с этим принципом обозначение марки чугуна содержит минимально допустимое значение В определенного в стандартной пробной литой заготовке. Механические свойства серого чугуна регламентируются ГОСТ 1412-85 и приведены в табл.1.2. Необходимо учитывать, что порядок подготовки и проведения механических испытаний серого и других чугунов отличаются от методов испытания стали. Например, для чугунных отливок контроль свойств проводят по ГОСТ 27208-87 «Отливки из чугуна. Методы механических испытаний», а способы получения заготовок для образцов из каждого чугуна регламентированы соответствующим стандартом (для серого – ГОСТ 24648 –81).
Таблица 1.2 — Механические свойства и рекомендуемые составы серого чугуна (ГОСТ 1412-85)
K большинству чугунных отливок в силу особенностей их эксплуатации часто предъявляются различные условия, включающие другие (не предусмотренные ГОСТ 1412-85) требования по механическим свойствам, а также по физическим и теплофизическим показателям. На практике достаточно часто удается проследить связь между определенной группой физико-механических и теплофизических свойств чугуна и эксплуатационными показателями конкретного изделия. Наиболее часто встречающиеся показатели механических свойств серого чугуна, часть из которых не регламентируется ГОСТ 1412-85, приведены в табл.1.3-1.5.
Большое влияние на механические свойства чугуна имеет скорость охлаждения металла, а, следовательно, и толщина стенок отливок. В этом случае при оценке реальной прочности отливок рекомендуется изготавливать различного рода тестовые заготовки, которые соответствуют толщине отливок, и из них вырезать образцы для испытаний. Определенные представления о влиянии толщины стенки отливки на прочность и твердость чугуна можно получить, воспользовавшись данными табл.1.6.
Таблица 1.3 – Механические свойства серого чугуна при растяжении и изгибе
Основные показатели, характеризующие физические свойства чугуна (плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность и коэффициент линейного расширения), приведены в табл.1.7 в соответствии с приложением № 2 ГОСТ 1412-85. Данные такого рода имеются также в стандартах других стран, например, Британский стандарт BS 1452 1977.
Модуль упругости чугуна зависит от размеров графитных пластин и уменьшается с увеличением их размера. Более высокий уровень пластичности серый чугун с пластинчатым графитом показывает при сжатии. Например, осадка серого чугуна в холодном состоянии при сжатии может составлять 20 – 40 %. При растяжении пластичность, как видно из табл. 1.3, не достигает и 1 % удлинения.
Таблица 1.4 – Механические свойства серого чугуна при сжатии
Таблица 1.5 – Механические свойства серого чугуна при кручении
Обобщая имеющиеся в литературе данные, необходимо заметить, что плотность чугуна тем выше, чем ниже содержания в нем углерода и кремния. Коэффициенты теплового расширения и удельной теплоемкости зависят не столько от химического состава чугуна, сколько от его структуры. При этом легирующие элементы слабо влияют на эти коэффициенты. Исключение составляет только медь. Теплопроводность чугуна, связанная с теплопроводностью структурных составляющих, оказывается наибольшей при максимальном содержании графита.
Таблица 1.6 — Зависимость прочности (В) и твердости (НВ) серого чугуна от толщины стенок отливок
Таблица 1.7 – Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85)
Как конструкционный материал серый чугун используются для широкого спектра изделий практически во всех отраслях машиностроительного комплекса. К числу наиболее крупных потребителей чугунного литья следует отнести автомобилестроение, станкостроение, тяжелое и металлургическое машиностроение, санитарно-техническую промышленность и пр.
В конструкции автомобилей и тракторов масса литых деталей из серого чугуна, например, составляет 15-25% от общей массы. Преимущественное применение серого чугуна обусловлено тем фактом, что в нем сочетаются высокая износостойкость и противозадирные свойства при трении с ограниченной смазкой, демпфирующая способность. Основная номенклатура изделий — это блоки, головки и гильзы цилиндров, крышки коренных подшипников двигателей, тормозные диски и диски сцепления, тормозные барабаны и другие детали, для которых серый чугун яв-ляется оптимально технологичным и экономичным конструкционным материалом.
Блоки цилиндров карбюраторных и дизельных двигателей изготавливают из низколегированных чугунов марки СЧ20, СЧ25, которые обеспечивают в стенках отливок толщиной 15-25 мм В =200-250 Н/мм2, а в более тонких стенках до 270 Н/мм2. Такого же типа чугуны обычно применяют для головок цилиндров дизельных двигателей и гильз цилиндров карбюраторных и дизельных двигателей. Основными требованиями к чугуну для гильз являются: перлитная структура матрицы (не более 5% феррита), графит среднепластинчатый неориентированный, твердость в пределах 200-250 НВ. В конструкции автомобильных дизельных, карбюраторных, а также тракторных двигателей широко применяют гильзы цилиндров из специальных легированных чугунов, чаще всего — фосфористые.
Для блоков и головок цилиндров тяжело нагруженных дизельных двигателей (автомобильных и судовых) применяют специальные легированные чугуны, а для головок цилиндров — высокоуглеродистые (более 3,5% С) легированные термостойкие чугуны. Эти требования выполняются при использовании для отливки гильз низколегированных чугунов, химический состав которых выбирают с учетом технологии формы, метода плавки, сечения отливки.
Чугунные распределительные валы дизельных и карбюраторных двигателей (легированные чугуны марки СЧ 25 и СЧ 30) имеют высокую износостойкость и широко применяются в автомобилестроении. Легирование молибденом, хромом, никелем обеспечивает хорошую закаливаемость и прокаливаемость чугуна, и заданную глубину отбеленного слоя (в отбеленных кулачках). Высокая твердость и износостойкость кулачков достигаются либо за счет поверхностной закалки чугуна, в структуре которого (в носике кулачков) имеются игольчатые карбиды, либо за счет поверхностного отбела чугуна в кулачках при кристаллизации в контакте с холодильником. Отбеленные кулачки предпочтительны в тяжелых условиях работы.
Тормозные диски, барабаны и нажимные диски сцепления, работающие в условиях сухого трения с высокими скоростями скольжения должны обеспечивать в паре с фрикционной пластмассой стабильный коэффициент трения и износостойкость. При многократных циклах торможения, во время которых в контакте фрикционной пары выделяется тепло, а затем быстро отводится, на поверхности чугунной детали образуются термические трещины, снижающие прочность. Для тормозных барабанов и дисков средней нагруженности чаще всего применяют серый чугун марки СЧ20 или СЧ25. В условиях высокой нагруженности деталей, когда на поверхности трения образуются термические трещины, применяют специальные высокоуглеродистые термостойкие чугуны с повышенным уровнем легирования. Для наиболее тяжелых условий работы рекомендуется использовать перлитные чугуны с вермикулярным графитом.
Маховики в процессе работы вращаются с частотой порядка 2500-8000 об/мин. Соответственно, в них возникают большие растягивающие напряжения, а поверхность маховика периодически трется о сопряженную рабочую поверхность. Трение с большими скоростями приводит к выделению тепла на поверхности трения, образованию усталостных термических трещин, снижающих прочность маховика. Требования повышенной прочности с учетом большой массы маховиков и толщины сечения обусловили применение для их изготовления серых чугунов марки СЧ25, СЧ30, СЧ35 (чем больше сечение отливки, тем выше марка). Выбранная марка чугуна должна обеспечивать получение в теле отливки прочности не ниже 200-250 Н/мм
Крышки коренных подшипников из серого чугуна применяют в основном в карбюраторных двигателях легковых автомобилей. Для обеспечения перлитной структуры и твердости не менее 200 НВ крышки подшипников отливают из серого чугуна марки СЧ25. Для тяжело нагруженных карбюраторных двигателей и для дизельных двигателей применяют крышки подшипников из ковкого чугуна или чугуна с шаровидным графитом.
Выпускные коллекторы подвергаются воздействию горячих агрессивных выхлопных газов и в процессе работы подвержены окислению, термическим деформациям, а иногда — растрескиванию. Во многих случаях серый чугун является экономичным и достаточно долговечным материалом для этих деталей. Учитывая, что коллекторы имеют тонкие стенки (3-7 мм), их отливают из чугунов марки СЧ15, СЧ20, которые для повышения жаростойкости легируют небольшими добавками хрома и никеля. Для термически нагруженных коллекторов применяют ковкий чугун, чугун с шаровидным графитом, а иногда — аустенитный чугун с шаровидным графитом, имеющим высокую термостойкость и стойкость против окисления.
В станкостроении серый чугун применяют для широкой номенклатуры литых деталей с массой от 0,1 кг до 100 тонн с толщиной стенок от 4 до 200 мм, работающих в самых разнообразных условиях. Классификация станкостроительных литых деталей из серого чугуна с учетом этого разнообразия конструкций и условий работы осуществляется в соответствии с ОСТ 2 МТ 21-2-83. При выборе марки чугуна конструктор в зависимости от класса, группы детали и приведенной толщины стенки отливки определяет необходимый минимальный уровень твердости и микроструктуры.
С учетом специфики большинства станкостроительных деталей, работающих преимущественно на жесткость, а не на прочность, предпочтение отдают чугунам, обладающим повышенной твердостью и пониженной пластичностью. Такие чугуны по химическому составу отличаются повышенным (против рекомендаций ГОСТ 1412-85) содержанием кремния и марганца при пониженном содержании углерода. Если невозможно получить необходимый уровень твердости чугуна, в направляющих применяют легирование, формовку с холодильниками и др.
Отливки из серого чугуна весьма широко и успешно используются для определенной номенклатуры деталей сменного металлургического оборудования: сорто- и листопрокатные валки, всевозможные изложницы для разливки слитков, шлаковые чаши и т.п.
Серый чугун применение | Справочник конструктора-машиностроителя
Серый чугун, широко применяется в машиностроении и представляет собой не сплошной металл, а пористую металлическую губку — сплав железа с графитом, поры которой наполнены рыхлым неметаллическим веществом — графитом.
Чугун очень хрупок.
Его относительное удлинение при разрыве крайне далеко.
Он разбивается на куски ударом.
Микроструктура отливок развесом до 4000 кг при толщине направляющих до 60 мм должна заключаться из мелкопластинчатого высокодисперсного перлита в числе не менее 98% и тонких пластинок графита размером от 10 до 125 мкм\ графитовые включения, отделенные или в виде колоний небольшой степени изолированности.
При весе отливок от 4000 до 10 000 кг или при толщине литых направляющих от 60 до 100 мм перлита должно быть не менее 95%.
Для особо тяжелых станочных отливок более 10 000 кГ или при толщине направляющих более 100 мм перлит может быть от среднепластинчатого до мелкопластинчатого с содержанием в структуре более 90%, а графит размером от 10 до 250 мкм.
При подобранном соотношении бора и кремния в обширном пределе толщин стен и эвтектичности чугуна получается своеобразная половинчатая структура с равномерно распределенной цементитной сеткой на перлитной основе.
В зависимости от числа введенного бора возможно получение твердости до 260 НВ.
Серый чугун с тонкой цементитной сеткой хорошо обрабатывается.
Сходное действие на свойства чугуна оказывают комплексные добавки бора и алюминия.
Путем легирования бором можно много повысить износостойкость чугуна без опасения понизить его обрабатываемость.
Чугун, у которого немалая часть углерода находится в пустом состоянии в виде графита, называется серым чугуном.
Серый чугун мягкий, хорошо обрабатывается режущим инструментом.
В изломе имеет серый тон.
Серый чугун обладает малой пластичностью, его нельзя ковать, так как присутствующий в нем графит способствует раскалыванию металла.
Серый чугун куда здорово действует на сжатие, чем на растяжение.
Получается серый чугун путем медленного охлаждения после плавления или нагревания.
Температура плавления серого чугуна 1100 — — 1250° С.
К главному классу относят детали, требующие повышенной крепости и износостойкости : базы и корпуса станков.
Крепость и жесткость всей конструкции определяется свойствами чугуна в доминирующих по толщине деталях, которые необходимы обладать пределом крепости на растяжение порядка 25 — 30 кГ/мм, а также высоким модулем упругости — около 1, 15 — 1, 30.
Включая, что по производственным резонам могут быть изготавливаться детали разной толщины стен, рекомендуется использовать марки чугуна СЧ 21 — 40, СЧ 28 — 48, СЧ 32 — 52.
Серый чугун является дешевейшим из литейных материалов.
Механические свойства чугуна зависят от величины зерна металла, от размера и характера распределения включений графита, а также от соотношения между общественным, объединенным и свободным углеродом ( графитом ).
В обыкновенном сером чугуне графит кристаллизуется в виде пластин.
Сии пластины в чугуне расчленяют основную металлическую массу и действуют как духовные трещины.
По этой причине серый чугун с пластинчатым графитом обладает низкой прочностью и лишен пластичности.
Однако наличие графита в чугуне придает ему меньшую чувствительность к внешним надрезам.
Антифрикционные свойства, учитывающие износостойкость, прирабатывае — мость, износ сопряженной детали и прочие факторы, являются оптимальными для ковкого чугуна с перлито — ферритной структурой, включающей 70 — 80% перлита.
Такой чугун имеет не только высокую износостойкость, но и должную в ряде случаев пластичность.
Коэффициент трения перлитного ковкого чугуна по стали равен при жидкостном трении 0, 05 — 0, 10 и при худощавом 0, 30 — 0, 45.
ГОСТ 1585 — 57 предусматривает специальные марки антифрикционного ковкого чугуна ( см.
раздел « Износостойкие и антифрикционные чугуны » ).
Дефекты сечением более 30 см 2 целесообразно заваривать сварочным автоматом.
Предварительный подогрев осуществляют шлаковым процессом с применением нерасходуемых неплавящихся электродов.
В некоторых событиях можно использовать заварку всего сечения нерасходуемым электродом с периодической засыпкой в шлаковую ванну шихты небольшими дозами, чтобы избежать опасности переохлаждения шлаковой ванны.
В таблице ниже приведены результаты механических испытаний моделей, созданных из сварного соединения.
Легирующие элементы изменяют как машинальные, так и материальные свойства стали.
Так, например, хром увеличивает крепость, твердость и износостойкость стали, но снижает ее пластичность 2 ;
никель повышает прочность, твердость и сопротивление коррозии ;
вольфрам повышает твердость.
Однако при выборе легированных сталей надо располагать в облику и экономические соображения.
Известно, что марганец, кремний и хром удорожают сталь незначительно, а никель повышает ее стоимость заметно.
При добавлении кобальта, вольфрама и молибдена сталь становится дорогой.
Химический состав чугунов ГОСТ не ограничивает.
Это объясняется тем, что механические свойства чугунов зависят от многих факторов.
Так, например, чугун одинакового состава в стенках отливки различной толщины имеет разные механические свойства ;
две одни отливки, одна из которых пблучена в песчаной, а остальная в металлической фигуре, а также отливки, приобретенные в одних формах, но охлажденные с различной скоростью, будут обладать различными свойствами.
3. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие. Материаловедение: конспект лекций [litres]
3. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие
Чугун – первичный продукт переработки железных руд путем плавки в доменных печах. В структуре чугунов могут быть разные составляющие в зависимости от того, какая часть углерода оказывается в структурно—свободном состоянии. Это же определяет название чугунов: белый, серый, высокопрочный, ковкий.
Чугун – самый распространенный железоуглеродистый литейный материал, содержащий свыше 2 % углерода, до 4,5 % – кремния, до 1,5 % – марганца, до 1,8 % – фосфора и до 0,08 % – серы. Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения.
Белый чугун представляет собой сплав железа с углеродом в виде карбида железа Fe 3 C, т. е. углерод находится в связанном состоянии в виде химического соединения – цементита. Содержание углерода в белом чугуне колеблется в пределах от 2,14 до 6,67 %, причем первичная структура белых чугунов может содержать ледебурит, аустенит и первичный цементит. Кроме того, в микроструктуру белых доэвтектических чугу—нов входят перлит, вторичный цементит и ледебурит – при комнатных температурах. При содержании от 2,14 до 4,3 % углерода белые чугуны называются доэвтектическими, при 4,3 % – эвтектическими и при 4,3–6,67 % – заэвтектическими.
Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. Металлургическая промышленность выпускает одиннадцать марок серых чугунов: СЧ 10 – из него изготавливают детали, для которых прочностная характеристика не является обязательной, – запорную арматуру (вентили, клапаны, задвижки), сковороды, крышки и так далее; СЧ 15, СЧ 18 – из них изготавливают рычаги, шкивы, фланцы, звездочки, корпусные малонагруженные детали.
Высокопрочный чугун получают путем введения магния – до 0,9 % и церия – до 0,05 % в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы.
Высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. В обозначение их марок входят два числа – первое указывает предел прочности на разрыв, второе – относительное удлинение.
Всего выпускают десять марок высокопрочного чугуна.
Например: ВЧ 38–17, ВЧ 42–12, ВЧ 45–5, ВЧ 50–7, ВЧ 100–2, ВЧ 120–2. Из высокопрочных чугунов изготавливают многие детали, в том числе фасонные, корпуса и станины станков, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса и т. д.
Выпуска 11 марок ковкого чугуна, причем маркируется он по тому же принципу, что и высокопрочный. Ковкие чугуны могут иметь ферритную, перлитную и ферритил—перлитную металлическую основу.
Чугуны ферритного класса КЧ 35–10 и КЧ 37–12 используют для производства деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках, – картеров, редукторов, ступиц и т. д., а чугуны марок КЧ 30–6 и КЧ 33–8 – для изготовления менее ответственных деталей – хомутов, гаек, вентилей, колодок и т. д.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.Читать книгу целиком
Поделитесь на страничкеЧугуны (белый, серый, высокопрочный, ковкий). Получение, структура, маркировка, область применения
Белые чугуны: состав, свойства, область применения.
Углерод находится в виде цементита Fe3C. Излом будет белый, если сломать. В структуре доэвтектического чугуна HB 550 наряду с перлитом и вторичным цементитом присутствует хрупкая эвтектика (ледебурит), количество которой достигает 100% в эвтектическом чугуне. Структура заэвтектического чугуна состоит из эвтектики (Лп) и первичного цементита, выделяющегося при кристаллизации из жидкости в виде крупных пластин. Высокая твёрдость, трудно обрабатывается резанием. Гл. свойство: высокая износостойкость. Чугун хрупкий. Редко применяется в машиностроении. Используется при изготовлении жерновов на мельнице, прокатные валки на прокатных станках, изгороди делают из этого чугуна. Если отливка небольшая (до 10 кг), то образуется белый чугун при быстром охлаждении.
Получение: В доменных печах выплавляют белые чугуны трех типов: литейный коксовый, передельный коксовый и ферросплавы.
Серый чугун.
Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.
Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.
В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).
Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.
Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.
Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритвой структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности.
Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.
Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.
Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 10-1СЧ 15.
Получение: Графит образуется в серых чугунах в результате распада хрупкого цементита. Этот процесс называют графитизацией. Распад цементита вызывают искусственно путем введения кремния или специальной термической обработки белого чугуна.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.
Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу.
Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.
Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов — обратное.
Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести,
,
что выше предела текучести стальных отливок. Также характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность,
,
при перлитной основе.
Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.
Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.
Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.
Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.
Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на ВЧ 100.
Получение: Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293—79) — разновидность серых чугунов, которые получают при модификации их магнием или церием. Графитовые включения в этих чугунах имеют шаровидную форму.
Ковкий чугун
Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.
Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.
Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.
Формирование окончательной структуры и свойств отливок происходит в процессе отжига, схема которого представлена на рис. 11.4. Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000С в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита:Fe3C→Fey(C)+C.
Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига).При медленном охлаждении в интервале 760…720oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).
При относительно быстром охлаждении (режим б, рис. 11.3) вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.
Структура чугуна, отожженного по режиму в, состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)
По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.
Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.
Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.
Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числми, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на , а второе – относительное удлинение — КЧ 30 — 6.
Получение: Ковкие чугуны— разновидность серых чугунов, получаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания белых чугунов при высокой температуре. Такая термическая обработка называется томлением. При этом цементит распадается и выделившийся при его распаде графит образует хлопьевидные включения. В зависимости от температуры и длительности выдерживания ковкие чугуны получают на ферритной и ферритно-перлитной основах.
Серый чугун | Научно-исследовательский институт чугунного литья, Inc.
Серый чугун — уникальный инженерный материал
от
D.E. Краузе, исполнительный директор, 1940–1973
(Научно-исследовательский институт серого чугуна)
Научно-исследовательский институт чугунного литья
ССЫЛКА: Краузе Д. Э., «Серый чугун — уникальный технический материал» Отливки из серого, ковкого и ковкого чугуна — текущие возможности, ASTM STP 455, Американское общество испытаний и материалов, Филадельфия, 1969, стр.3-28.
РЕФЕРАТ: Серый чугун — самый универсальный из всех литейных металлов. Высокое содержание углерода обеспечивает легкость плавки и литья в литейном производстве, а также легкость обработки при последующем производстве. Низкая степень усадки или ее отсутствие и высокая текучесть обеспечивают максимальную свободу проектирования для инженера. Путем соответствующей корректировки состава и выбора метода литья предел прочности при растяжении можно изменять от менее 20000 фунтов на квадратный дюйм до более 60000 фунтов на квадратный дюйм, а твердость — от 100 до 300 BHN в литом состоянии.Посредством последующей термообработки твердость может быть увеличена до H g. Следует тщательно проверить, прежде чем указывать более высокую степень прочности и твердости железа. Излишнее увеличение прочности и твердости может увеличить стоимость отливки, а также увеличить стоимость обработки за счет более низких скоростей обработки. Хотя соотношение между твердостью по Бринеллю и пределом прочности на разрыв для серого чугуна не является постоянным, показаны данные, которые позволят использовать испытание на твердость по Бринеллю для оценки минимального предела прочности чугуна в отливке.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: отливки из серого чугуна, проектирование отливок, методы литья, отливки из ковкого чугуна, отливки из ковкого чугуна, металлы, испытания, оценка
7 сентября 1990 г.
Кому: Всем читателям отчета Д.Э. Краузе о сером чугуне
Хотя этот краткий технический документ, первоначально представленный в 1969 году, по-прежнему является одним из лучших обзоров металлургии и свойств серого чугуна, мы обращаем ваше внимание на один пункт, на который недавние исследования и опыт литейного производства пролили больше света.Дело в эффектах марганца и серы.
В отличие от традиционного взгляда на эти элементарные эффекты, отмеченного здесь, работы 1980-х годов подтверждают, что во многих случаях уровни марганца сверх этого количества в сочетании с серой (примерно в 1,7 раза выше уровня серы) имеют тенденцию к снижению прочности и твердости за счет стимулирования большего феррит. Однако низкие уровни, слишком близкие к этому «сбалансированному соотношению» 1,7, как правило, способствуют более высокой и более неустойчивой твердости и / или карбидов.
Следовательно, для большинства приложений оптимальный рабочий уровень марганца составляет примерно (1.7 x% серы), от + 0,3% до 0,5%. Например, для чугуна с содержанием серы 0,10% оптимальный диапазон для марганца будет от 0,47% до 0,67%. При приближении к нижнему пределу диапазона обычно сохраняется более высокая твердость и прочность на разрыв, а при приближении к верхнему пределу — оба показателя. На этот эффект также влияют другие металлургические условия, характерные для каждого основного чугуна, поэтому необходимо определять оптимальный диапазон для каждой конкретной операции плавки.
Мы надеемся, что это разъяснение будет информативным и полезным как для производителей литья, так и для пользователей.
Уильям Ф. Шоу, исполнительный директор, Исследовательский институт чугунного литья
Серый чугун — один из старейших черных металлов. Несмотря на конкуренцию со стороны новых материалов и их активное продвижение, серый чугун по-прежнему используется в тех областях, где его свойства доказали, что он является наиболее подходящим из имеющихся материалов. После кованой стали серый чугун является наиболее широко используемым металлическим материалом для инженерных целей. В 1967 году производство отливок из серого чугуна превысило 14 миллионов тонн, что примерно в два с половиной раза превышает объемы всех других типов отливок вместе взятых.Его популярность и широкое распространение объясняются несколькими причинами. Он имеет ряд желательных характеристик, которыми не обладает ни один другой металл, и при этом является одним из самых дешевых из черных металлов, доступных инженеру. Отливки из серого чугуна легко доступны почти во всех промышленных областях и могут быть произведены в литейных цехах, что требует сравнительно небольших инвестиций. Цель данной статьи — привлечь ваше внимание к характеристикам серого чугуна, которые делают этот материал столь полезным.
Серый чугун — один из металлов, которые легче всего лить в литейном производстве.У него самая низкая температура разливки среди черных металлов, что отражается в его высокой текучести и его способности принимать сложные формы. В результате особенности на заключительных стадиях затвердевания он имеет очень низкую, а в некоторых случаях вовсе не усадку от жидкости к твердому телу, так что легко получить надежные отливки. В большинстве случаев серый чугун используется в литом состоянии, что упрощает производство. Серый чугун обладает отличными обрабатывающими свойствами, легко удаляет стружку и дает поверхность с превосходными характеристиками износа.Стойкость серого чугуна к задирам и истиранию при правильной матрице и структуре графита является общепризнанной.
Отливки из серого чугуна можно производить практически любым известным литейным способом. Как ни странно, несмотря на то, что серый чугун является старым материалом и широко используется в инженерном строительстве, его металлургия не была полностью изучена до сравнительно недавнего времени. Механические свойства серого чугуна определяются не только составом, но также сильно зависят от литейной практики, особенно от скорости охлаждения отливки.Весь углерод в сером чугуне, кроме того, который соединен с железом с образованием перлита в матрице, присутствует в виде графита в форме чешуек различного размера и формы. Наличие этих хлопьев, образовавшихся при затвердевании, характеризует серый чугун. Присутствие этих хлопьев также придает серому чугуну большинство желаемых свойств.
Металлургия серого чугуна
Маккензи [1] в своей лекции в память о Хау в 1944 году назвал чугун «сталью плюс графит».Хотя это простое определение все еще применимо, на свойства серого чугуна влияет количество графита, а также форма, размер и распределение чешуек графита. Хотя матрица напоминает сталь, содержание кремния обычно выше, чем в литых сталях, и более высокое содержание кремния вместе со скоростью охлаждения влияет на количество углерода в матрице. Серый чугун относится к семейству высокоуглеродистых кремниевых сплавов, которые включают ковкий и шаровидный чугун. За исключением магния или других шаровидных элементов в чугуне с шаровидным графитом, за счет различных методов плавки и литья можно производить все три материала из одного и того же состава.Несмотря на широкое использование серого чугуна, многие пользователи и даже производители этого материала не понимают его металлургию. Одно из первых и наиболее полных обсуждений механизма затвердевания чугунов было представлено в 1946 г. Бойлсом [2]. Подробные обсуждения металлургии серого чугуна можно найти в легко доступных справочниках [3-7]. Самый последний обзор металлургии чугуна и образования графита сделан Визером и др. [8]. Чтобы избежать ненужного дублирования информации, здесь будут обсуждаться только наиболее важные особенности металлургии серого чугуна.
Состав
Серый чугун коммерчески производится с широким диапазоном составов. Литейные заводы, отвечающие одним и тем же требованиям, могут использовать различные составы, чтобы использовать более дешевое сырье, доступное на месте, и общий характер отливок, производимых в литейном цехе. По этим причинам следует избегать включения химического состава в спецификации для отливок, если только это не является существенным для применения. Диапазон составов, которые можно найти в отливках из серого чугуна, следующий: общий углерод, 2.От 75 до 4,00 процентов; кремний от 0,75 до 3,00 процентов; марганец от 0,25 до 1,50 процента; сера от 0,02 до 0,20 процента; фосфор от 0,02 до 0,75 процента. Один или несколько из следующих легирующих элементов могут присутствовать в различных количествах: молибден, медь, никель, ванадий, титан, олово, сурьма и хром. Азот обычно присутствует в диапазоне от 20 до 92 частей на миллион.
Концентрация некоторых элементов может превышать указанные выше пределы, но обычно диапазоны меньше указанных.
Углерод — безусловно, самый важный элемент серого чугуна.За исключением углерода в перлите матрицы, углерод присутствует в виде графита. Графит присутствует в виде чешуек и как таковой значительно снижает предел прочности матрицы на разрыв. Можно производить все марки чугуна согласно спецификации ASTM для отливок из серого чугуна (A 48-64), просто регулируя содержание углерода и кремния в чугуне. Было бы невозможно производить серый чугун без соответствующего количества кремния. Добавление кремния снижает растворимость углерода в железе, а также снижает содержание углерода в эвтектике.Эвтектика железа и углерода составляет около 4,3%. Добавление каждого 1,00% кремния снижает количество углерода в эвтектике на 0,33%. Поскольку углерод и кремний являются двумя основными элементами в сером чугуне, совокупное действие этих элементов в виде процента углерода плюс 1 / с процента кремния называется углеродным эквивалентом (CE). Серый чугун, имеющий значение углеродного эквивалента менее 4,3%, называется доэвтектическим чугуном, а чугун с углеродным эквивалентом более 4,3% называется заэвтектическим чугуном.Для доэвтектического железа в автомобильной и смежных отраслях каждое увеличение значения углеродного эквивалента на 0,10% снижает предел прочности на разрыв примерно на 2700 фунтов на квадратный дюйм.
Если скорость охлаждения или затвердевания слишком велика для выбранного значения углеродного эквивалента. железо может замерзнуть в метастабильной системе железо-карбид железа, а не в стабильной системе железо-графит, что приводит к твердым или закаленным краям отливок. Значение углеродного эквивалента может быть изменено путем изменения содержания углерода и кремния или их обоих.Увеличение содержания кремния в большей степени влияет на уменьшение твердых кромок, чем увеличение содержания углерода до того же значения углеродного эквивалента. Кремний имеет другие эффекты, кроме изменения содержания углерода в эвтектике. Увеличение содержания кремния снижает содержание углерода в перлите и повышает температуру превращения феррита плюс перлит в аустенит. Это влияние кремния на критические интервалы обсуждалось Редером [9].
Наиболее распространенный диапазон содержания марганца в сером чугуне от 0.55 до 0,75 процента. Повышение содержания марганца способствует образованию перлита при охлаждении до критического диапазона. Следует признать, что эффективна только та часть марганца, которая не сочетается с серой. Фактически вся сера в сером чугуне присутствует в виде сульфида марганца, а количество марганца, необходимого для этой цели, в 1,7 раза превышает содержание серы. Содержание марганца часто превышает 1,00%, но в некоторых типах отливок из сырого песка могут встречаться небольшие поры.
Сера редко преднамеренно добавляется в серый чугун и обычно поступает из кокса в процессе вагранки. До 0,15% сера способствует образованию графита типа А. Где-то выше 0,17 процента сера может привести к образованию раковин в отливках из сырого песка. Большинство литейных заводов поддерживают содержание серы ниже 0,15 процента, при этом от 0,09 до 0,12 процента является обычным диапазоном для вагранок. Колло и Тим [10] сообщают, что если содержание серы будет снижено до очень низкого значения вместе с низким содержанием фосфора и кремния, в результате получится более прочное железо, получившее обозначение «TG», или чугун с твердым графитом.
Содержание фосфора в отливках из серого чугуна с высокой производительностью составляет менее 0,15 процента, при нынешней тенденции к увеличению количества стали в шихте; содержание фосфора ниже 0,10% является обычным явлением. Фосфор обычно встречается в виде эвтектики железо-железо-фосфид, хотя в некоторых чугунах с более высоким содержанием углерода может образовываться тройная эвтектика железа, фосфида железа, карбида железа. Эта эвтектика будет находиться на границах эвтектических ячеек, и при содержании фосфора выше 0,20% может наблюдаться снижение обрабатываемости.Содержание фосфора более 0,10% нежелательно в чугунах с низким углеродным эквивалентом, используемых для головок и блоков двигателей и других применений, требующих герметичности. Для повышения устойчивости к износу содержание фосфора часто увеличивается до 0,50 процента и выше, как в автомобильных поршневых кольцах. На этом уровне фосфор также улучшает текучесть чугуна и увеличивает жесткость окончательной отливки.
Медь и никель ведут себя в чугуне аналогичным образом. Они укрепляют матрицу и уменьшают склонность к образованию твердых кромок на отливках.Поскольку они являются мягкими графитизаторами, они часто заменяют часть кремния в сером чугуне. Аустенитный серый чугун может быть получен путем увеличения содержания никеля примерно до 15 процентов вместе с примерно 6 процентами меди или до 20 процентов без меди, как показано в Спецификации ASTM для отливок из аустенитного серого чугуна (A 436-63).
Хром обычно присутствует в количествах ниже 0,10% в качестве остаточного элемента, перенесенного из шихтовых материалов. Хром часто добавляют для повышения твердости и прочности серого чугуна, и для этого уровень хрома повышается до 0.От 20 до 0,35 процента. За пределами этого диапазона необходимо добавить графитизатор, чтобы избежать образования карбидов и твердых кромок. Хром улучшает свойства серого чугуна при повышенных температурах.
Одним из наиболее широко используемых легирующих элементов с целью повышения прочности является молибден. Его добавляют в количестве от 0,20 до 0,75 процента, хотя наиболее распространенный диапазон составляет от 0,35 до 0,55 процента. Наилучшие результаты достигаются при содержании фосфора ниже 0,10 процента, поскольку молибден образует сложную эвтектику с фосфором и, таким образом, снижает его легирующий эффект.Молибден широко используется для улучшения свойств серого чугуна при повышенных температурах. Поскольку модуль упругости молибдена достаточно высок, добавки молибдена к серому чугуну увеличивают его модуль упругости.
Ванадий действует на серое чугун так же, как и молибден, но концентрация должна быть ограничена до менее 0,15 процента, чтобы избежать карбидов. Даже в таких небольших количествах ванадий благотворно влияет на свойства серого чугуна при повышенных температурах.
О положительном влиянии относительно небольших добавок олова (менее 0,10%) на стабильность перлита в сером чугуне сообщили Davis et al [11]. О результатах широкого использования олова в автомобильных двигателях сообщили Таш и Кейдж [12]. Его использование особенно полезно в сложных отливках, в которых некоторые секции довольно медленно охлаждаются в температурном интервале Ar3. Было обнаружено, что добавление до 0,05% сурьмы имеет аналогичный эффект. В больших количествах эти элементы имеют тенденцию снижать ударную вязкость и ударную вязкость серого чугуна, поэтому необходим тщательный контроль за их использованием.
Хотя большинство серого чугуна содержат некоторое количество титана, и влияние титана на механические свойства исследовалось много раз, только недавно Сиссенер и Эрикссон [13] сообщили о влиянии титана, восстановленного из титансодержащего шлака в электрической дуге. печь. При содержании титана от 0,15 до 0,20 процента чешуйки графита имеют тенденцию возникать как графит типа D, а не преимущественно типа A, что обычно считается желательным. Они обнаружили, что для чугунов с углеродным эквивалентом менее 3.9 процентов, добавка титана имеет тенденцию к снижению прочности на разрыв. но для чугунов с более высоким углеродным эквивалентом прочность на разрыв повышается. Увеличение содержания титана в сером чугуне с примерно 0,05 до 0,14 процента за счет использования чугуна, содержащего титан, увеличило прочность заэвтектического чугуна в соответствии со спецификацией ASTM A 48 для испытательного стержня A (диаметр 7/8 дюйма) с 22000 до 34000.
.