Какие механические свойства чугуна наиболее сильно ослабляет графит

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.

Источник

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующией формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение для серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.

Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.

Положительные стороны наличия графита:

– графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;

– чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;

– из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;

– детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);

– чугун значительно дешевле стали;

– производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.

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 ферритовой 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 15.

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 цезием (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 100.

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. Отливки выдерживаются в печи при температуре 950…1000 оС в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита.

Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига). При медленном охлаждении в интервале 760…720 оС, 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 вторая стадия полностью устраняется, и получается перлитный ковкий чугун.

Структура отожженного чугуна состоит из перлита, феррита и графита отжига (получается феррито-перлитный ковкий чугун)

Отжиг является длительной 70…80 часов и дорогостоящей операцией. В последнее время, в результате усовершенствований, длительность сократилась до 40 часов.

Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 – 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 – 3) основой (ГОСТ 1215).

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 числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на 100, а второе – относительное удлинение – КЧ 30 – 6.

Отбеленные и другие чугуны

Отбеленные – отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун.

В составе чугуна 2,8…3,6 % углерода, и пониженное содержание кремния – 0,5…0,8 %.

Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.

Для чугунов также можно применять термическую обработку.

Тесты для самоконтроля

Источник

Металлическая основа	Твердость, НВ	Форма графитовых включений
		Пластинчатая (серые чугуны)	Хлопьевидная (ковкие чугуны)	Шаровидная (высокопрочные чугуны)
П	250
Ф+П	200
Ф	150

Чем более дисперсны графитные включения, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Наиболее высокую прочность обеспечивает шаровидная форма графитной составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства

Рис. 2.52. Структурная диаграмма для чугунов в зависимости от содержания углерода и кремния (а) и толщины стенки (скорости кристаллизации) (б):

I – белые чугуны; I – половинчатые чугуны; II , III , IV – серый чугуны соответственно с перлитной, феррито-перлитной и ферритной металлической основой

На рис. 2.52 показано, каким образом можно регулировать структуру металлической составляющей чугунов, изменяя содержание углерода и кремния, а также скорость охлаждения (через изменение толщины стенки отливки). При пониженной скорости охлаждения фазовые превращения идут в соответствии с равновесной диаграммой, и образуется графит. При повышенной скорости охлаждения углерод частично выделяется в виде цементита. Половинчатым называется чугун, в котором эвтектическая реакция протекает и с образованием графита, и с образованием цементита. Механические свойства чугунов могут быть изменены при использовании следующих способов: специальное легирование (хромом, никелем, молибденом, медью – для серых чугунов); химико-термическая обработка (азотирование); упрочняющая термическая обработка (для высокопрочных чугунов).

Серые чугуны .

Графит в серых чугунах присутствует в форме пластинчатых включений.

Свойства. Особенность серых чугунов как машиностроительного материала состоит в том, что их целесообразно применять при работе деталей в условиях преимущественно сжимающих напряжений. Причина в том, что пластины графита располагаются в полостях металлической части, которые имеют остроугольную форму. Острые надрезы этих полостей являются своеобразными концентраторы напряжений, в которых при растягивающей нагрузке легко формируются очаги разрушения. В связи с этим временное сопротивление разрыву при растяжении серых чугунов в 2 – 4 раза ниже, чем предел прочности при сжатии: σВ не превышает 350 МПа Влияние остроугольной формы полостей, в которых расположены пластины графита, на прочность чугунов значительно меньше проявляется при более «мягких» способах нагружения (изгиб, кручение).

Серые чугуны из-за пластинчатой формы включений имеют такой технологический недостаток как зависимость фазового состава от скорости охлаждения, что проявляется в чувствительности уровня механических свойств к толщине стенки отливки. Чем тоньше стенка, тем быстрее происходит в ней процесс кристаллизации, тем меньше размеры графитовых включений, больше количество перлита, что приводит к повышению временного сопротивления разрыву. В толстостенных отливках образуются более крупные включения графита, что снижает прочность.

При диаметре отливки, например, 20 и 60 мм различие в значениях σВ может составить до 100 МПа. В связи с этим серые чугуны ограничено применяют для изготовления разностенных отливок.

Термообработка отливок из серых чугунов состоит в длительном отжиге при температурах 520 – 600 оС для снятия напряжений, возникших при кристаллизации. Применяют также отжиг для улучшения обрабатываемости резанием при 680 – 750°С.

Марки. Чугун маркируют буквами СЧ и числом, равным минимальному временному сопротивлению при разрыве , уменьшенному в 10 раз (ГОСТ 1412-85): так, чугун марки СЧ20 имеет σВ = 200 МПа. Применение серых чугунов определяется уровнем прочности. Прочность, а также предел выносливости возрастают с увеличением перлитной составляющей, что позволяет применять серые чугуны для особо ответственных деталей (табл. 2.28).

Таблица 2.28

Условия работы литых деталей	Примеры деталей	Марка	Метал-лическая часть
Небольшие нагрузки	Крышки, фланцы, маховики, тормозные барабаны	СЧ10, СЧ15	Ф
Повышенные статические и динамические нагрузки	Головки и блоки цилиндров карбюраторных двигателей, картеры, маховики	СЧ20, СЧ25	Ф+П
Высокие нагрузки, износ	Поршни, блоки и гильзы цилиндров, корпуса компрессоров	СЧ30, СЧ 35	П

Применение серых чугунов

Чугун марки СЧ35 обладает наибольшей из всех серых чугунов герметичностью, он предназначены для корпусов компрессоров, насосов, арматуры, тормозной пневматики. Из менее прочных сплавов изготовляют головки и блоки цилиндров, а также различные литые детали в авто- и тракторостроении, а также в сельскохозяйственном машиностроении.

Высокопрочные чугуны .

В высокопрочных чугунах частицы графита имеют шаровидную форму. Шаровидная форма графита получается за счет модифицирования чугунов, путем введения в расплав солей магния. Магний изменяет поверхностное натяжение графитовых частиц, в связи с чем они приобретают форму с минимальной поверхностью при данном объеме – форму шара.

Высокопрочные чугуны отличаются более высоким содержанием углерода, чем серые, – 3,0 – 3,6 %.

Шаровидные частицы графита значительно меньше ослабляют прочность чугунов при жестких способах нагружения, чем пластинчатые. По комплексу характеристик конструкционной прочности высокопрочные чугуны выгодно отличаются от других конструкционных материалов:

– лучшей износостойкостью, антифрикционностью и обрабатываемостью резанием – от сталей;

– большей прочностью (в 3 – 5 раз) и пластичностью – от серых чугунов;

– возможностью уменьшить толщину отливки и, тем самым, снизить массу детали при одновременном повышении надёжности – по сравнению с серыми чугунами;

– возможностью применения всех видов упрочняющей термической обработки, как и для сталей.

Марки. Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом маркируются буквами ВЧШГ (для краткости – ВЧ) (ГОСТ 7293–85) и числом, равным временному сопротивлению разрыву (МПа), уменьшенному в 10 раз.

Термообработка высокопрочных чугунов может быть разнообразной: закалка с отпуском, изотермическая закалка, сфероидизирующий отжиг. Частицы шаровидной формы не создают в сплаве концентраторов напряжений. Такая благоприятная форма позволяет применять к высокопрочным чугунам не только отжиг, но и упрочняющую термическую обработку, без опасения образования трещин от внутренних напряжений. После сфероидизирующего отжига, без дополнительной термообработки получают чугуны марок ВЧ35, ВЧ40. Применение изотермической закалки приводит к получению бейнитного чугуна. Это обеспечивает почти равную прочность с легированными сталями. Так, например, перлитный чугун в литом состоянии имеет σв = 600 – 700 МПа, а после изотермической закалки – 1100 – 1200 МПа. Чугуны ВЧ80, ВЧ100 применяют после закалки с отпуском.

Применение. Такие свойства позволяют применять высокопрочные чугуны не только для малоответственных литых деталей (марки ВЧ35 и ВЧ40), но и для деталей, работающих в условиях повышенных статических и динамических нагрузок (табл. 2.29).

Таблица 2.29

Источник