1.9.3. Высокопрочные чугуны

Обычный состав высокопрочного чугуна следующий: 3,2 - 3,6 % С; 1,6 - 2,9 % Si, 0,3 - 0,7 %Mn, до 0,02 % S и до 0,1 % Р.

Если в процессе кристаллизации в качестве модификатора взять магний (до 0,5 % от массы отливки), который вводят перед разливкой в жидкий чугун, то выделяющийся графит приобретет шаровидную форму. Иногда вместо чистого магния добавляют 8 - 10 % магниевых лигатур с никелем или ферросилицием. Большая доля магния в газообразном состоянии удаляется из жидкого сплава и лишь небольшая его часть (около 0,05 %) усваивается чугуном.

Чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) имеют более высокие механические свойства, не уступающие параметрам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные качества и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д.

Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях народного хозяйства; в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, зубчатых колес, корпуса автомобильных моторов, 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, паровых турбин, 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 увеличения 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 формирования ферритной структуры дают добавочную выдержку при 680 - 750 °С для распада эвтектоидного цементита. Закалка в масле при 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_в= 1500 - 1600 МПа,_0,2= 970 - 990 МПа,= 1 - 2 % и 360 - 380 НВ.

В последние годы развивается производство отливок из чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ), который по своим свойствам 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: _в= 320 - 510 МПа,= 1 – 8 %, 143 - 241 НВ. Такой чугун обладает хорошими литейными свойствами.

1.9.4. Ковкие чугуны

Термин «ковкий» для чугунов является условным, поскольку изделия из него, так же как из серого и высокопрочного, изготавливают не ковкой, а литьем. Ковкий чугун получают отжигом отливок из белого. В ходе процесса в структуре сплава образуется графит хлопьевидной формы (см. рис. 10.2в). Он и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик чугуна.

Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4 -3,0 % С; 0,8 - 1,5 % Si; 0,25 - 1,0 %Mn; менее 0,2 % Р и менее 0,12 %S(в зависимости от требуемой структуры металлической основы).

Сплав имеет пониженное содержание углерода и кремния. Это вызвано двумя условиями. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений, чему способствует более низкая концентрация углерода. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме. За данный факт отвечает малое содержание кремния в чугуне. Толщина сечения отливки не должна превышать 40 - 50 мм. При большем размере отливок в сердцевине образуется пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для отжига.

Микрошлиф ферритного ковкого чугуна имеет темный или бархатисто-черный цвет вследствие большого количества равномерно распределенных в объеме металла хлопьев графита. Поэтому такой сплав называют черносердечным.

Ковкий чугун, в котором металлическая основа имеет структуру перлита, в изломе окрашен в более светлые (сталистые) тона. Вследствие этого данный чугун именуется светлосердечным.

Твердость ферритного чугуна 163 НВ. Перлитные ковкие чугуны обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Твердость перлитного чугуна 241 - 269 НВ.

Из отливок ковкого чугуна делают детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках. Так, ферритные ковкие чугуны используют для изготовления изделий, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и т. д.), а также для менее ответственных деталей (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфт и т. д.). Из перлитного ковкого чугуна производят вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т. д. Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных изделий в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения.