МОДУЛЬ 2 – Управление надёжностью машин

Классификация чугунов

Чугуны классифицируются по назначению, степени графитизации, форме графита, микроструктуре металличе­ской основы, химическому составу.

По назначению чугуны подразделяются на передельные (идут на переработку в сталь) и литейные (для изготовления разнообразных отливок).

Классификация по структуре основывается на степени связан­ности углерода в сплаве, определяющей цвет излома отливок. Так, если весь углерод находится в связанном состоянии — в виде химического соединения FезС, то чугун называется белым (по цвету излома отливок — блестяще-белому, как у стали). В случае, если весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии — в виде графита, чугун называется серым (графит придает излому отливки светло-серый или темно-серый цвет). Когда углерод частично связан в FезС, а частично выделился в виде графита, чугун называется половинчатым.

На состояние углерода в чугуне влияют содержание его и кремния и скорость охлаждения при кристаллизации. Графит в чугунах может иметь пластинчатую, хлопьевидную и шаровидную форму, которая определяет механические свойства чугуна при растяжении и его название.

Чугун с пластинчатым гра­фитом различной степени завих­ренности и толщины пластинок называют серым, с хлопьевидными включениями — ковким, с шаровидными — высокопрочным. Эти чугуны подраз­деляются также по структуре металлической основы на фер­ритные, ферритно-перлитные, перлитные.

Белый чугун. Наличие большого количества высокотвердого >800 НВ (>8000 МПа) Fе₃С обусловливает высокую хрупкость, очень плохую обрабатываемость резанием, а следовательно, и ограниченное применение белого чугуна. Его в основном перераба­тывают в сталь, применяют в качестве литейного материала с рекордной устойчивостью в условиях абразивного износа; при помощи термообработки трансформируют в ковкий чугун. Белый чугун, имеющий большую твердость и хруп­кость, для изготовления заготовок практически не приме­няется, а используется лишь в качестве передельного ма­териала при получении ковкого чугуна. Для снятия внутренних напряжений, возникающих при литье, стабилизации размеров, снижения твердости и улучшения обрабатываемости, повышения механиче­ских свойств чугуны подвергают термической и химико-термической обработке: отжигу, нормализации, закалке и отпуску, азотированию. В частности, азотируют детали, отлитые из высоко­прочного чугуна (коленчатые валы, втулки цилиндров ди­зелей тепловозов и др.).

Серый чугун. Серый чугун представляет собой сплав Fe — С — Si с неизбежными примесями Mn, S и Р. Содержание углерода колеблется в пределах 2,4...3,8%. Кремний (1,2...3,5%) вводят специально — он ускоряет графитизацию, оказывает большое влияние на структуру и свойства чугуна. Поэтому о структуре чугуна следует судить по тройной диаграмме Fе — С — Si. Марганец (1,25...1,4%) и сера (0,1...0,12%) препятствуют графитизации, причем в мелких отливках их действие вреднее, чем в больших. Марганец способствует отбеливанию (образованию FезС) чугуна, особенно в поверхностных слоях отливок, охлаждающихся более интенсивно. Сульфиды FеS, МnS ухудшают свойства отливок. Фос­фор не влияет на графитизацию, но образует фосфидную эвтектику, повышающую литейные свойства чугуна. Поэтому в отливках для художественного литья допускается 0,4...0,5% Р.

Серый чугун обладает высокими литейными свойствами: сравнительно низкая температура плавления, хорошая жидкотекучесть и др. Технологичность при литье и такие специфические свойства чугун­ных отливок, как способность поглощать вибрации, малая чувст­вительность к различным концентраторам напряжений, достаточно высокое сопротивление разрушению под действием сжимающих нагрузок, обеспечивают широкое применение серого чугуна для получения самых различных отливок — от художественного литья до массивных станин мощных станков.

По структуре металлической основы серые чугуны делятся на ферритные, феррито-перлитные и перлитные. В зависимости от этого их твердость составляет 143...255 НВ (1430...2550 МПа). Соответственно меняется и прочность: чем больше феррита, тем ниже прочность и износостойкость. Наиболее прочные перлитные (особенно со структурой сорбита) чугуны применяют для ответствен­ных отливок (гильз, поршней, поршне­вых колец, цилиндров, блоков двигателей, дизельных цилинд­ров и др.).

Ферритные и феррито-перлитные чугуны применяются для изготовления малоответственных, мало нагру­женных деталей (фундаментные плиты, корпуса редукторов и насосов, строительные колонны, крышки, ступицы идр.).

При добавлении в жидкий чугун некоторого количества фер­росилиция, силикокальция и др. получают модифицированный чугун (СЧЗО, СЧ40 и др.). Цель модифицирования — получение в отливках с разнотолщинными стенками (сложной конфигурации) мелких включений графита в перлитной матрице. Количество уг­лерода в таких чугунах не более 2,2...3,2% при содержании 1...2,9% Si (для предотвращения отбеливания). Отливки отжигают при 500...600 °С для снятия внутренних напряжений в течение 2...10 ч. В связи с более быстрым охлаждением поверхности при отливке чугуна в металлические формы-кокили графитизация происходит только в центральной части, а поверхность (на глубину 12...30 мм) приобретает структуру белого или половинчатого чугу­на. Такие отливки из серого чугуна называют отбеленными. Твер­дость поверхности составляет 400...500 НВ (4000...5000 МПа), что обеспечивает хорошее сопротивление износу (особенно абра­зивному). Поэтому отбеленные чугуны применяются для изготов­ления прокатных, мельничных и бумагоделательных валков, шаров для мельниц, колес, тормозных колодок, направляющих станков и др. Для этих целей идет чугун, содержащий 2,8...3,6% С, 0,5...0,8% Si, 0,4...0,6% Мn. Различная скорость охлаждения слоев может вызвать большие внутренние напряжения и как следствие — трещины. Поэтому отбеленные отливки подвергают отжигу ниже А_С1 (550...500 °С) для снятия внутренних напряжений.

Высокопрочный чугун. При выплавке чугуна с присадкой не­большого количества (0,03...0,07%) магния или других модифи­каторов (щелочных или щелочноземельных металлов) графит в чу­гуне получается шаровидной формы. Он значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пла­стинчатый. В результате чугун имеет более высокие механические свойства: способность гасить вибрации, хорошо обрабатываться резанием, износостойкость, литейные свойства и др. Поэтому их называют высокопрочными (модифицированными). Как и серые, высокопрочные чугуны имеют ферритную, феррито-перлитную и перлитную основу. Сорбитообразный перлит придает чугунам наибольшую прочность.

Из высокопрочных чугунов изготовляют оборудование про­катных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверсы прессов, шаботы ковочных молотов, корпуса турбин, коленчатые валы, поршни, кронштейны) и многие другие ответственные детали.

Ковкий чугун. Если отливки из белого чугуна подвергнуть от­жигу, то цементит распадается, и графит приобретает хлопьевидную форму. Не рекомендуется отжигать отливки толщиной сечения больше 40...50 мм, так как в центральной их части возможно образование пластинчатого графита. При отжиге изделия из белого чугуна, содержащего 2,4...2,8%С, 0,7...1,5% Si и 0,8...1,4% Мn, нагревают выше температуры А_С1 (до 950... 1000 °С), выдерживают примерно 15 ч, затем медленно охлаждают до 740 °С — ниже температуры А_п, выдерживают около 30 ч и окончательно охлаждают до комнатной температуры. Это обеспечивает чугуну с твердостью 163 НВ (1630 МПа) некоторую пластичность при растяжении. Поэтому такие чугуны называются ковкими, хотя ковать их не­возможно.

Степень графитизации зависит от длительности отжига. Воз­можно получение ферритного и реже перлитного ковкого чугуна. Твердость ферритного чугуна 163 НВ (1630 МПа), перлитного 240...269 НВ (2400...2690 МПа). Наибольшей прочностью обладают чугуны с перлитной (сорбитной) структурой. Влияние хлопьевидного графита на механические свойства чугунов примерно такое же, как шаровидного.

Из ферритных ковких чугунов изготовляют изделия, работающие как при высоких статистических и динамических нагрузках (кар­теры редукторов, задние мосты, ступицы, крюки, скобы), так и менее ответственные детали (головки, хомуты, гайки, фланцы муфт). Из перлитного ковкого чугуна изготовляют вилки кардан­ных валов, звенья и ролики цепей конвейеров, втулки, тормозные колодки.

Из высокопрочного магниевого чугуна отливают детали боль­шого сечения, из ковкого — главным образом тонкостенные.

Литература:

1. Гинберг А.М., Хохлов Б.А., Дрякина И.П. и др. Технология важнейших отраслей промышленности: Учеб. для экономич. спец. вузов. / Под. ред. Гинберга А.М., Хохлова Б.А. – М.: Высш. шк., 1985. - 496 с., ил.

2. Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1977. – 664 с.

3. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., Третьяков А.В., Арутюнова И.А., Шабанов С.П., Ефремов В.К. Технология металлов. - М.: "Металлургия", 1979. – 904 с.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.: ил.

5. Медовар Б.И. «Металлургия вчера, сегодня и завтра». Киев Наукова думка 1986г.

Дата добавления: 2014-01-07