Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

1,6—2,9 % SI; 0,3—0,7 % Mn; до

0,02 % S и до 0,1 % P. По ГОСТ

7293—79

высокопрочный чугун

маркируется буквами ВЧ,

затем следуют цифры. Первые

цифры марки показывают минимальное значение временного

сопротивления (в 10

-1

МПа (кгс/мм

)), вторые — относительное

удлинение (в %). Чугуны ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 70-3, ВЧ 80-3;

ВЧ 100-4; ВЧ 120-4 имеют перлитную металлическую основу

(рис. 102, б), чугуны ВЧ 45-5 — перлитно-ферритную и ВЧ 38-

17, ВЧ 42-12 — ферритную (рис. 102, в). В 1985 г. введен новый

ГОСТ 7293—85

где высокопрочный чугун маркируется только

цифрой, указывающей величину временного сопротивления

(ВЧ 85, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50,

В учебнике приведены два ГОСТа (ГОСТ 7293—79 и ГОСТ 7293—85), так как ГОСТ

7293—79 широко используется в чертежах и технологических картах на литье из

высокопрочного чугуна.

151

ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100). Ферритные чугуны ВЧ 35, ВЧ 40,

ВЧ 45 имеют σ

0,2

= 220÷310 МПа; δ = 22÷10 м, 140—225 НВ

(чем выше цифры марки, тем больше σ

0,2

и НВ). Перлитные чугуны

ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100 имеют σ

0,2

= 370÷700, δ = 7÷2

% и 153—360 НВ. Вязкость разрушения перлитных чугунов

составляет 180—250 Н·мм

3/2

и ферритных — 300— 380 Н·мм

3/2

Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в

различных отраслях народного хозяйства; в автостроении и

дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и

других деталей; в тяжелом машиностроении — для многих деталей

прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании

(например, для шабот-молотов, траверс прессов, прокатных

валков); в химической и нефтяной промышленности — для

корпусов

насосов, вентилей и т. д.

Высокопрочные чугуны применяют и для изготовления деталей

станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в

подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких

давлениях (до 1200 МПа).

Для повышения механических свойств (пластичности и

вязкости) и снятия внутренних напряжений, отливки ЧШГ

подвергают термической обработке (отжигу, нормализации,

закалке и отпуску).

Наиболее трудоемкий вид термической обработки —

высокотемпературный графитизирующий отжиг при 850—980 °С,

который проводится для устранения в металлической матрице

структурно свободного цементита. Для получения перлитной

основы охлаждение проводят на воздухе (нормализация), а для

получения ферритной основы дают добавочную выдержку при

680— 750 °С для распада эвтектоидного цементита. Закалка в

масле температурой 850—930 °С с последующим

отпуском и

особенно изотермическая закалка на нижний бейнит (температура

изотермической выдержки 350—400 °С) позволяют получать

высокие механические свойства. Чугун со структурой нижнего

бейнита имеет σ

= 1500÷1600 МПа, σ

0,2

= 970÷990 МПа, δ =

1÷2 % и 360—380 НВ.

Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585—85) с шаровидным

графитом изготовляют двух марок: АЧВ-1 (2,8—3,5 % С; 1,8—

2,7 % Si; 0,6—1,2 % Μn; ≤0,7 % Си) с перлитной структурой

и АЧВ-2 с повышенным содержанием кремния (2,2—2,7 % Si)

и ферритно-перлитной структурой (~50 % перлита).

Перлитный высокопрочный чугун АЧВ-1 предназначен для

работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями

в паре с закаленным или нормализованным валом.

Антифрикционный чугун АЧВ-2 применяют в паре с «сырым»

(в состоянии поставки) валом.

В последние годы развивается производство отливок из

чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ), который по

свойствам

152

занимает промежуточное положение между чугунами с

шаровидным и пластинчатым графитом. Вермикулярный графит

имеет форму отдельных продолговатых включений, получается

путем уменьшения количества магния (глобуляризатора) при

модифицировании. Механические свойства ЧВГ в зависимости от

структуры: σ

= 320÷510 МПа, δ = l÷8 %, 143—241 НВ. Чугун

обладает хорошими литейными свойствами.

3. КОВКИЙ ЧУГУН

Ковкий чугун получают длительным нагревом при

высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна.

В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы

(см. рис. 102). Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше

снижает прочность и пластичность металлической основы

структуры чугуна. Металлическая основа ковкого чугуна: феррит

(ферритный ковкий чугун, рис. 102, II а) и реже

перлит

(перлитный чугук, рис. 102, II б). Наибольшей пластичностью

обладает ферритный ковкий чугун, который применяют в

машиностроении.

Химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий

чугун, выбирают в пределах: 2,5—3,0 % С; 0,7—1,5 % Si; 0,3—

1,0 % Μn; ≤0,12 % S и ≤0,18 % Ρ (в зависимости от требуемой

структуры металлической основы). Чугун имеет пониженное

содержание углерода и кремния. Более низкое содержание

углерода способствует повышению пластичности, так как при этом

уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге,

а пониженное содержание кремния исключает выделение

пластинчатого графита в структуре отливок при охлаждении.

Толщина сечения отливки не должна превышать 40—50 мм,

При большем размере отливок в сердцевине образуется

пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для

отжига.

Отжиг проводят в две стадии (рис. 103). Первоначально

отливки выдерживают при 950—970 °С. В этот период протекает

стадия I графитизации, т. е. распад цементита, входящего в

состав ледебурита (А + Fe

C), и установление стабильного

равновесия аустенит + графит. В результате распада цементита

диффузионным путем образуется хлопьевидный графит (углерод

отжига).

Затем отливки охлаждают до

температур, соответствующих

интервалу эвтектоидного

превращения. При охлаждении

происходят выделение из

аустенита вторичного цементита,

его распад и в итоге рост

графитных включений. При

достижении эвтектоид-

ного интервала температур охлаждение резко замедляют или дают

длительную выдержку при температуре несколько ниже этого

интервала. В этот период протекает стадия II графитизации: распад

аустенита с образованием ферритно-графитной структуры или

распад цементита, входящего в состав перлита, с образованием

феррита и графита (в процессе выдержки ниже эвтектоидной

температуры). После оконча 'ия стадии

II графитизации структура

чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита.

Излом ферритного чугуна бархатисто-черный вследствие

большого количества графита. Если не проводить выдержку

ниже эвтектоидной температуры (или если в этом интервале

температур скорость охлаждения повышенная), то образуется

перлитный ковкий чугун (П + Г), имеющий светлый (сталистый)

излом.

Для ускорения отжига применяют различные меры: чугун

модифицируют алюминием (реже бором, висмутом и другими

элементами), повышают температуру нагрева чугуна перед

разливкой, применяют перед отжигом старение, чаще в процессе

нагрева до температуры отжига при 350—400 °С, повышают

температуру стадии I графитизации (но не выше 1080 °С) или же

выполняют отжиг в защитной атмосфере. В этом

случае

длительность отжига составляет 24—60 ч.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами

(ГОСТ 1215—79). Первые две цифры указывают временное сопро-

тивление (в 10

-1

МПа (кгс/мм

)), вторые — относительное

удлинение (в %). Из отливок ковкого чугуна изготовляют детали,

работающие при ударных и вибрационных нагрузках. Так,

феррит-ные ковкие чугуны КЧ 37-12 и КЧ 35-10 используют для

изготовления деталей, эксплуатируемых при высоких динамических

и статических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки,

скобы и т. д.), а КЧ 30-6 и КЧ 33-8 — для менее ответственных

деталей (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфты

и т. д.). Твердость ферритного чугуна 163 НВ. Перлитные ковкие

чугуны КЧ 50-5 и КЧ 55-4 обладают высокой прочностью,

умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными

свойствами. Твердость перлитного чугуна 241—269 НВ. Из

перлитного ковкого чугуна изготовляют вилки карданных валов,

звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные

колодки и

т. д. Ковкий чугун применяют главным образом для

изготовления тонкостенных деталей в отличие от

высокопрочного магниевого чугуна, который используют для

деталей большого сечения. Некоторое применение нашли

антифрикционные ферритно-перлитные чугуны АЧК-1 и АЧК-2.

Для повышения твердости, износостойкости и прочности

ковкого чугуна иногда применяют нормализацию при 800—850 °С

или закалку от 850—900 °С и отпуск при 450—700 °С. Закалка с

последующим высоким отпуском позволяет получить структуру

зернистого перлита.

154

4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЧУГУНЫ

К этой группе чугунов (ГОСТ 7769—82) относятся

жаростойкие, которые обладают окалиностойкостью,

ростоустойчивостью и трещиноустойчивостыо, жаропрочные,

обладающие высокой длительной прочностью и ползучестью при

высоких температурах и коррозионно-стойкие чугуны.

Жаростойкость серых чугунов и ЧШГ может быть повышена

легированием кремнием (ЧС5) и хромом (ЧХ28, ЧХ32)

, Эти

чугуны характеризуются высокой жаростойкостью

(окалиностойкостью) до 700—800 °С на воздухе, в топочных и

генераторных газах. Высокой термостойкостью и

сопротивляемостью окалино-образованию обладают аустенитные

чугуны: высоколегированный никелевый серый 4Н15Д7 и с

шаровидным графитом ЧН15ДЗШ. В качестве жаропрочных

чугунов используют аустенитные чугуны с шаровидным

графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г

7Ш.

Для повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу

при 1020—1050 °С с охлаждением на воздухе и последующему

отпуску при 550—600 °С. После отжига легированные карбиды

приобретают форму мелких округлых включений, а карбид М

растворяется в аустените. В качестве коррозионностойких

применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) —

ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом — ЧХ22, ЧХ28, 4X32. Они обладают

высокой коррозионной стойкостью в серной, азотной и ряде

органических кислот. Для повышения коррозионной стойкости

кремнистых чугунов их легируют молибденом 4С15М4, 4С17МЗ

(антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щелочах

обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун

ЧН15Д7.

Аустенитные чугуны применяют также в качестве

парамагнитных. Немагнитные чугуны используют в тех случаях,

когда требуется минимальная потеря мощности (крышки масляных

выключателей, концевые коробки трансформаторов и т. д.) или

когда нужно избежать искажений магнитного поля (стойки для

магнитов).

Вопросы для самопроверки

1. Какие формы графита существуют в чугунах? Как влияет графит на

механические свойства чугуна?

2. Для каких деталей рекомендуется серый чугун?

3. Какую структуру будет иметь отливка толщиной 50 мм из серого чугуна,

содержащего 4,5 % С + Si?

4. Какую структуру будет иметь серый чугун, содержащий 3,2 % С и 1,5%

Si?

5. Когда рекомендуется применять отбеленный чугун?

6. Какой чугун рекомендуется для изготовления подшипника скольжения,

работающего в паре с упрочненным валом?

7. Какой чугун рекомендуется для поршневых колец?

Ч — чугун, С — кремний, X — хром, Н — никель, Д — медь. Цифры после букв

указывают

содержание легирующего элемента (в %).

155

8. Какой чугун рекомендуется для ответственных отливок (станины

станков, поршней, цилиндров и др.)?

9. Как получается в чугуне шаровидный графит? Почему чугуны с

шаровидным графитом называются высокопрочными?

10. Где используют высокопрочные чугуны с шаровидным графитом?

11. Как различаются по металлической основе ковкие чугуны? Где

применяются эти чугуны?

12. Какие чугуны используют для литья деталей, работающих при высоких

температурах или в коррозионной среде?

ГЛАВА X. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ

ЖЕЛЕЗА (ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

СТАЛИ)

1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ФЕРРИТНО-КАРБИДНОЙ

СТРУКТУРЫ В АУСТЕНИТ ПРИ НАГРЕВЕ

При многих видах термической обработки сталь

нагревают до температур, соответствующих существованию

аустенита (процесс аустенитизации). Образование аустенита при

нагреве является диффузионным процессом и подчиняется

основным положениям теории кристаллизации.

Общее представление о превращениях, которые протекают

в стали при нагреве, можно получить из диаграммы состояния

Fe—Fe

C (см. рис. 83). При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % С)

несколько выше критической точки Ac

(727 °С) перлит

(ферритнокарбидная структура) превращается в аустенит:

Φ + Fe

C → А

(0,02 % С) (6,67 % С) (0,8 % С).

Превращение состоит из двух одновременно протекающих

процессов: полиморфного α → γ-перехода и растворения в аустените

цементита.

При нагреве доэвтектоидной стали выше температуры

критической точки Ас

после превращения перлита в аустенит

образуется двухфазная структура — аустенит и феррит. При

дальнейшем нагреве в интервале температур Ас

—Ас

феррит

постепенно превращается в аустенит: содержание углерода в

аустените при этом уменьшается в соответствии с линией GS

(см. рис. 83). При температуре Ас

феррит исчезает, а концентрация

углерода в аустените соответствует содержанию его в стали.

Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали.

При температуре несколько выше критической точки Ас

(727 °С)

В легированной стали превращение эвтектоида (перлита) в аустениг происходит в

интервале температур (см. рис. 94). Поэтому значение критических точек следует

рассматривать как средние значения температуры начала и конца превращения,

протекающего в интервале температур.

156

перлит превращается в

аустенит. В интервале

температур Ас

—А

cт

происходит растворение

избыточного цементита.

Выше температуры А

ст

будет только аустенит,

содержание углерода в

котором соответствует его

содержанию в стали.

Механизм процесса

превращения перлита в

аустенит состоит в

зарождении зерен

сд ор

н у р

н е ц

и цементита (рис. 104, а, I, II).

новременно зарождаются новые зерна аустенита.

м растворение

цем а

аустенита и их роста. Аустенит при температуре несколько

выше Ас

(727 °С) содержит 0,8 % С. Как же образуется такой

аустенит? Первоначальные зародыши аустенита при нагреве

несколько выше критической точки Ас

образуются сдвиговым

путем (α → γ) при сохранении когерентных границ (см. рис. 33).

В резу ьтате этого превращения образуется низкоуглеродистый

аустенит пластинчатой формы. В образовавшемся по сдвиговому

механизму низкоуглеродистом а стените растворяется Fe

C, и

содержание углерода в аустените приближается к

равновесному.

При росте зародыша когерентность α- и γ-решеток

нарушается, виговый механизм заменяется н мальным

механизмом роста и зер а а стенита приобретают авноосную

форму.

Зародыш аустенита воз икает на м жфазовой грани е

раздела феррита

Образовавшиеся зародыши аустенита растут благодаря

интенсивной диффузии томов углерода в аустените, что

приводит к растворению цементита в аустените и превращению

α → γ; од

Рост участков аустенита в результате полиморфного

превращения α → γ протекает быстрее, че

ентита, поэтому после превращения феррита в устенит в

структуре стали сохраняется еще некоторое количество

цементита (рис. 104, а, III)

157

и для его растворения в аустените продолжительность

изотермической выдержки должна быть увеличена.

Образовавшийся аусте-нит (рис. 104, а, IV) неоднороден по

содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам

цементита, концентрация углерода в аустените выше, чем в

участках, прилегающих к ферриту. Для его гомогенизации

требуется дополнительное время.

Для описания процесса перехода ферритно-цементитной

структуры в аустенитную часто пользуются диаграммами

изотермического образования аустенита, дающими представление

о протекании превращения при различных температурах. Для

построения диаграммы небольшие образцы из исследуемой стали,

например эвтектоидной (0,8 % С), быстро нагревают до заданной

температуры, лежащей выше точки Ас

, и выдерживают при этой

температуре. В процессе изотермической выдержки фиксируют

начало и конец отдельных стадий превращения перлита в

аустенит. Если полученные экспериментальные точки нанести на

график в координатах температура — время и соединить их

плавными кривыми, то получится диаграмма, подобная

схематически показанной на рис. 104, б

Как следует из диаграммы изотермического образования

аустенита, процесс превращения перлита в аустенит резко

ускоряется при повышении температуры. Время, необходимое для

образования аустенита при температурах, близких к Ас

(727 °С),

составляет минуты, тогда как при 800—850 °С превращение

происходит в течение 5—10 с (рис. 104, б). Возрастает не только

скорость роста аустенитных участков, но и вероятность зарождения

аустенита. Это объясняется, с одной стороны, ускорением

диффузионных процессов, а с другой — увеличением градиента

концентрации в аустените.

Скорость превращения ферритно-цементитной структуры

в аустенитную помимо температуры нагрева зависит от ее

исходного состояния. Чем тоньше ферритно-цементитная

структура, тем больше возникает зародышей аустенита и меньше

пути диффузии, а следовательно, быстрее протекает процесс

аустенитизации. Предварительная сфероидизация цементита,

особенно с образованием крупных его глобулей, замедляет

процесс образования аустенита.

Чем больше в стали углерода, тем быстрее протекает процесс

аустенитизации, что объясняется увеличением количества

цементита, а следовательно, и ростом суммарной поверхности

раздела феррита и цементита.

Введение в сталь хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и

других карбидообразующих элементов задерживает процесс

аустенитизации вследствие образования легированного

цементита или

Превращение П → А начинается, вероятно, сразу после перехода через температуру

Ас

. Интервал между линиями 1 и 2 на рис. 104 показывает не истинное начало и окончание

превращения, а время, когда основная часть перлита переходит в аустенит.

158

карбидов легирующих элементов,

более трудно растворимых в

аустените.

Процесс гомогенизации

аустенита по содержанию

легирующих элементов требует

большего времени, так как

диффузионная подвижность

легирующих элементов в решетке

чем диффузионная подвижност уг

При неп

γ-фазы значительно меньше,

ь лерода.

рерывном нагреве превращение перлита в аустенит

пр н Н

этому при скоростном нагреве, например, токами

выс

. При таком нагреве число зародышей всегда

достаточно велико и начальное зерно аустенита мелкое. Чем выше

ита, так как скорость

их роста.

При да

о растет

в р

отекает в екотором интервале температур. а рис. 105

приведена так называемая термокинетическая диаграмма,

которая дает представление о температурах превращения

перлита в аустенит ри различных скоростях нагрева (v

< v

и т. д.).

Чем выше скорость нагрева, тем при более высокой

температуре происходит превращение ферритно-цементитной

структуры (перлита) в аустенитную (рис. 105). Интервалы

температур (t

—t

, t

—t

), в которых протекает превращение

перлита в аустенит (рис. 105) тем больше, чем выше скорость

нагрева. По

окой частоты, температура нагрева для аустенитизации

стали должна быть выш , чем при сравнительно медленном

печном нагреве.

2. РОСТ ЗЕРНА АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВЕ

Как указывалось выше, зародыши аустенита при

нагреве выше температуры Ас

образуются на границах раздела

феррит — карбид

скорость нагрева, тем меньше зерно аустен

образования зародышей выше, чем скорость

льнейшем повышении температуры (рис. 106) или

увеличении длительности выдержки при данной температуре

происходит собирательная рекристаллизация и зерно

увеличивается. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно

и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной

энергии вследствие сокращения поверхности зерен. Зерн

езультате увеличения одних зерен за счет других, более мелких,

а следовательно, термодинамически

менее устойчивых. Размер

зерна, об-

159

разовавшегося при нагреве до данной температуры, естественно,

не изменяется при последующем охлаждении.

Способность зерна аустенита к росту неодинакова даже у

сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их

выплавки.

По склонности к росту зерна различают два предельных

типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно

крупнозернистые.

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких

температур (1000—1050 °С) зерно увеличивается незначительно,

однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна.

В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост

зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше Ac

(рис. 107). Различная склонность к росту зерна определяется

условиями раскисления стали и ее составом.

Стали, раскисленные алюминием, наследственно

мелкозернистые, так как в них образуются дисперсные частицы

A1N, тормозящие рост зерна аустенита, оказывая барьерное

действие на мигрирующую границу зерен. Растворение этих

частиц влечет за собой быстрый рост зерна.

В двухфазных областях, например, в заэвтектоидных сталях,

в интервале температур Ac

—А

ст

(см. рис. 83) рост зерна аустенита

сдерживается нерастворившимися карбидными частицами. Такое

же сдерживающее влияние на рост зерна в дозвтектоидных сталях

в интервале температур Ac

—Ас

(см. рис. 83) оказывают участки

феррита.

Легирующие элементы, особенно карбидообразующие

(нитридообразующие) задерживают рост зерна аустенита.

Наиболее сильно действуют Ti, V, Nb, Zr, A1 и N, образующие

трудно рас-

160