3.Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкого чугуна незначительным количеством магния или церия. При этом графитные включения приобретают не пластинчатую, а шаровидную форму (рис. 9).

Рис. 9. Микроструктура чугуна с глобулярной формой графита, нетравленый шлиф,  250.

Металлическая основа высокопрочного чугуна, так же как и серого, может быть ферритной, ферритно-перлитной или перлитной. Включения шаровидного графита не создают заметной концентрации напряжений на границе с металлической основой, поэтому высокопрочный чугун обладает более высокими механическими свойствами. Микроструктура высокопрочного чугунов на ферритно-перлитной основе представлена на рис. 10.

Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства, высокую износостойкость, способность гасить вибрации. Сочетая в себе высокие физико-механические свойства, высокопрочный чугун может быть использован взамен обычного серого, ковкого чугуна, кованой и литой стали, а также вместо некоторых сплавов на основе меди во многих отраслях машиностроения. Из него, например, производят шпиндели карусельных станков, детали кузнечно-прессового и прокатного оборудования, изложницы для разливки стали, штампы, коленчатые валы, поршневые кольца, картера, кронштейны, подшипники качения, детали ходовой части тепловозов, подъемно-транспортные устройства и т.д.

Рис. 10. Микроструктура (фотография и схема) высокопрочного чугуна на ферритно-перлитной основе,  200.

Маркировка высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293 – 85: буквами «ВЧ» – высокопрочный чугун и цифрами, указывающими минимальное значение предела прочности _В. Например: ВЧ 50 – высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении _В = 500 МПа.

Механические свойства высокопрочных чугунов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Марка чугуна	Метал. основа	Предел прочности при растяжении в, МПа	Относительное удлинение, δ,%	Твердость HB
ВЧ 35	Ф	350	22	140-170
ВЧ 40	Ф	400	15	140-200
ВЧ 45	Ф + П	441	10	140-225
ВЧ 50	П	490	7	153-245
ВЧ 60	П	588	3	197-277
ВЧ 70	П	686	2	229-300
ВЧ 80	П	784	2	250-330
ВЧ 100	П	980	2	270-360
ВЧ 120	П	1176	2	302-380

4. Ковкий чугун

Ковкий чугун получают путем отжига (графитизации) отливок из белого чугуна; свободный углерод в ковком чугуне находится в форме хлопьев графита (рис. 11). Такая форма включений является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик этого материала. Способность пластически деформироваться при комнатной температуре дала право называть его "ковким" чугуном. Термин этот является условным, так как изделия из любого чугуна изготавливаются не ковкой, а литьем.

Рис. 11. Микроструктура чугуна с хлопьевидной формой графита, нетравленный шлиф,  250.

Типичный график отжига белого чугуна на ковкий приведен на рис. 12. Отжиг производится в две стадии. Первоначально отливки (чаще – упакованные в ящики с песком) выдерживают при температуре 950-970°С (1223-1243 К). В этот период происходит первая стадия графитизации. Цементит, входящий в состав ледебурита, распадается, в результате образуется хлопьевидный графит:

Ц_Л →А + Г

Затем отливки охлаждают до температур, соответствующих эвтектоидному превращению, из аустенита выделяют вторичный цементит, идет рост графитовых включений. При достижении эвтектоидного интервала температур охлаждение резко замедляют или дают длительную выдержку при температуре несколько ниже этого уровня. В этот период протекает вторая стадия графитизации; распад аустенита с образованием ферритно-цементитной смеси: А→ Ф + Ц, и распад цементита, входящего в перлит, с образованием феррита и графита: Ц_п → Ф + Г.

После графитизации структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита (рис. 13). Регулируя скорость охлаждения, можно получать ковкий чугун на перлитной основе (рис. 14), так как если в зоне эвтектоидного превращения отливки охлаждать несколько быстрее, то наряду с ферритом в его структуре будет присутствовать и перлит.

Рис. 12. Схема режима отжига белого чугуна на ковкий.

Химический состав белого чугуна, предназначенного для отжига, выдерживают в довольно узких пределах: 2,2% углерода, 0,7-1,5% кремния; 0,2-0,6% марганца, не более 0,2% фосфора и не более 0,1% серы. Малое содержание углерода в ковком чугуне позволяет получить высокие прочностные характеристики и пластичность.

Толщина сечения отливки не должна превышать 40-50 мм, при большом размере отливок в их сердцевине образуется пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для отжига.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Например, из ферритного ковкого чугуна марки КЧ 37-12 можно изготовить картеры редукторов, задний мост, ступицы. Перлитный ковкий чугун обладает высокой прочностью, умеренной пластичности и хорошими антифрикционными свойствами. Из него изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, муфты, тормозные колодки и т.д. Таким образом, области применения ковкого чугуна очень широки: сельскохозяйственное, автомобильное, текстильное машиностроение, судо- котло- дизелестроение и т.д. Однако изделия из ковкого чугуна сильно удорожаются из-за длительности термической обработки.

Маркировка ковких чугунов по ГОСТ 1215 – 79: буквами «КЧ» – ковкий чугун и цифрами; первые две цифры указывают временное сопротивление, вторые – относительное удлинение. Например: КЧ 37-12 – ковкий чугун, предел прочности при растяжении _В = 370 МПа, относительное удлинение δ = 12 %.

Механические свойства ковких чугунов приведены в таблице 3.

Рис. 13. Микроструктура (фотография и схема) ферритного ковкого чугуна,  250.

Рис. 14. Микроструктура (фотография и схема) ферритно-перлитного ковкого чугуна,  300.

Таблица 3

Марка ковкого чугуна	Метал. основа	Временное сопротивление разрыву в, (МПа)	Относительное удлинение, δ, %	Твердость НВ
КЧ 30-6	Ф	254	6	100-163
КЧ 33-8	Ф	323	8	100-163
КЧ 35-10	Ф	343	10	100-163
КЧ 37-12	Ф	363	12	100-163
КЧ 45-7	П	441	7	150-207
КЧ 50-5	П	490	5	170-230
КЧ 60-3	П	588	3	192-241
КЧ 65-3	П	637	3	212-269
КЧ 70-2	П	686	2	241-285
КЧ 80-1,5	П	784	1,5	270-320

Исследования последних лет показали, что вместо графитизирующего отжига белого чугуна для получения ковкого, целесообразно производить высокотемпературную термоциклическую обработку (ВТЦО), которая повышает механические свойства ковкого чугуна и сокращает графитизацию.

ВТЦО состоит в 10-12-кратном быстром нагреве отливок до температур выше А_с3 (900-1000°С) с охлаждением на воздухе до температур на 30-50°С ниже. А_r1 (600-650°С) (рис. 14).

Рис. 14. График высокотемпературной термоциклической обработки чугунов.