Хим состав чугуна: ГОСТ 7769-82 ИСО 2892-73 Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки / 7769 82 2892 73

Примерный химсостав обычных (нелегированных) чугунов и английские наименования чугунов.

Химический состав ВЧШГ. Влияние элементов на свойства чугуна

В статье Виноградова О.Н. описаны требования предъявляемые к химическому составу высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и влияние отдельных элементов на физико-механические свойства.

Физико-механические свойства материала отливки из ВЧШГ определяются химическим составом, технологией получения, условиями охлаждения, наличием легирующих элементов и др. Состав металла является одним из основных факторов, определяющих ме¬ханические свойства ВЧШГ. Рекомендуемый ГОСТ 7293-85 химический состав чугуна приведен в табл. 1.

Некоторые элементы – деглобуляторы препятствуют сфероидизации гра­фита, поэтому их содержание в чугуне не должно превышать указанных значений (РЬ < 0,009%; Вi < 0,003%; Sb < 0,026%; As < 0,08%; Ti < 0,04; Sn < 0,013%; Al < 0,3%). При постоянном производстве ВЧШГ периодически, хоть раз в две недели стоит контролировать чугун на содержание этих элеметов.

Таблица 1. Рекомендуемый химический состав ВЧШГ

Марка чугуна	Массовая доля элементов, %
	C			Si			Mn	P	S	Cr	Cu	Ni
	Толщина стенки отливки, мм							Не более
	до 50	св. 50 до 100	св. 100	до 50	св. 50 до 100	св. 100
ВЧ 35	3,3-3,8	3,0-3,5	2,7-3,2	1,9-2,9	1,3-1,7	0,8-1,5	0,2-0,6	0,1	0,02	0,05	—	—
ВЧ 40	3,3-3,8	3,0-3,5	2,7-3,2	1,9-2,9	1,2-1,7	0,5-1,5	0,2-0,6	0,1	0,02	0,1	—	—
ВЧ 45	3,3-3,8	3,0-3,5	2,7-3,2	1,9-2,9	1,3-1,7	0,5-1,5	0,3-0,7	0,1	0,02	0,1	—	—
ВЧ 50	3,2-3,7	3,0-3,3	2,7-3,2	1,9-2,9	2,2-2,6	0,8-1,5	0,3-0,7	0,1	0,02	0,15	—	—
ВЧ 60	3,2-3,6	3,0-3,3	—	2,4-2,6	2,4-2,8	—	0,4-0,7	0,1	0,02	0,15	0,3	0,4
ВЧ 70	3,2-3,6	3,0-3,3	—	2,6-2,9	2,6-2,9	—	0,4-0,7	0,1	0,15	0,15	0,4	0,6
ВЧ 80	3,2-3,6	—	—	2,6-2,9	—	—	0,4-0,7	0,1	0,01	0,15	0,6	0,6
ВЧ 100	3,2-3,6	—	—	3,0-3,8	—	—	0,4-0,7	0,1	0,01	0,15	0,6	0,8

Магний

Является основным элементом – сфероидезатором. Для образования графита шаровидной формы остаточное  содержание магния в чугуне должно быть не ниже 0,03%, в противном случае графит кристаллизуется в шаровидной форме только частично, вследствие чего механические свойства чугуна снижаются.  При более низком содержании магния часть графита кристаллизуется в виде пластинок, что снижает механические свойства сплава. Толщина стенок отливок, а следовательно и и скорость охлаждения вносят коррективы на минимальное содержание магния в чугуне, чем выше толщина стенки отливки – тем требуется более высокое содержание Mg. Обычно магния в ВЧШГ поддерживают в пределах 0,04-0,08%.

Углерод

Содержание углерода обычно поддерживают на уровне 3,2—3,6%, Увеличение содержания углерода улучшает литейные свойства ЧШГ.

Кремний

Кремний оказывает значительное влияние на микроструктуру и на меха­нические свойства ВЧШГ. При содержании З,0—3,3% кремний способствует получению устойчивой ферритной структуры в сыром состоянии; однако пластичность чугуна при этом снижается. С точки зрения пластичности лучше выдерживать содержание кремния в пределах 2,0-2,4%.

Марганец

С повышением содержания марганца уменьшается доля феррита и увеличивается количество перлита; при этом повышается предел прочности при растяжении и уменьшается относительное удлинение. При производстве ВЧШГ с ферритной структурой в литом состоянии содержание марганца не должно превышать 0,4%.  Для повышения износостойкости содержание марганца увеличивают до 1,0-1,3%.

Никель

Никель способствует уве­личению количества перлита в ВЧШ, причем полностью перлитная структура получа­ется уже при 4,8% Ni, а бейнитная структура — при 6,4% Ni. Влияет на тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость и жаростойкость чугуна. С увеличением содержания никеля эти свойства повышаются.

Медь

Си в количестве 1,0—1,5% приводит к образованию перлита, повышая прочность чугуна и пони­жая его пластичность. Содержание меди более 2% препятствует образованию в структуре сплава шаровидного графита.

Алюминий

Оказывает вредное влияние на ВЧШГ, способствуя образованию ПГ уже при содержании 0,2% и особенно при 0,25—0,6%.

Молибден

Способствует измельчению перлита и графитовых включений.

Сера

Самая вредная примесь. Чем выше содержание серы в “исходном чугуне”, тем труднее получить полностью (идеально) шаровидную форму графита и, следовательно, высокие механические свойства. Содержание серы в исходном жидком чугуне до модифицирования не должно превышать 0,03%, для внутриформенного модифицирования желательно иметь значение не выше 0,02% или даже ниже.

Фосфор

Примесь. Оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства, образую фосфидную эвтектику (ФЭ), снижает относительное удлинение и ударную вязкость. Чтобы получить чугун с высокой пластичностью, содержание фосфора не должно превышать 0,08%.

Хром

Примесь. С увеличением содержания хрома, в определенных пределах, повышаются жаростойкость, коррозионная стойкость и износостойкость. Способствует образованию карбидов потому его содержание в ЧШГ не должно превышать 0,1%.

Литература

1. Энциклопедия неорганических материалов. В 2-х томах, том 1. Киев, «Высшая школа», 1977 г.
2. Могилёв В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.
3. Справочник по чугунному литью./Под редакцией д.т.н. Н.Г. Гиршовича. – 3-е изд. перераб. и дополн. Л.: Машиностроение, 1978 – 758 с.
4. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом/Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г., Вареник П.А. – Киев: Наукова думка, 1986 – 248 с.

Tags:

Получение ВЧШГ

Серый чугун — свойства, состав и марки

Серый чугун

Серый чугун называется так, благодаря включениям графита, которые дают характерный оттенок  на изломе. Он обладает хорошими литейными свойствами, которые обеспечивают широкое применение в машиностроении. Отливки из серого чугуна обладают высокой прочностью и износостойкостью.

Маркировка серого чугуна

Технические характеристики серого чугуна для изготовления отливок, в Украине регламентируется ГОСТ 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки».

Маркировка чугуна с пластинчатым графитом (серого чугуна) состоит из букв СЧ (первые буквы слов «серый чугун») и двух цифр, которые отображают предел прочности при растяжении σB (в кгс/мм2). Например, чугун с маркировкой СЧ35 означает —  это серый чугун с пластинчатым графитом, у которого с предел прочности на растяжение не ниже — 35 кгс/мм2.

Химический  состав серого чугуна

Оптимальное значение по содержанию углерода в сером чугуне составляет 2,4-3,7%. Если концентрация будет более низкой — углерод полностью растворится в железе, более высокая концентрация приведет к потере твердости и упругости.

Содержание кремния может варьироваться от 1,2 до 2,5%. Кремний является участником процесса графитизации, при этом повышается твердость металла и снижается его вязкость. Влияние этих элементов должно рассматриваться в совокупности, с учетом их суммарной концентрации.

Сера вступает в реакцию с железом и образовывет сульфид FeS, снижающий прочность и пластичность сплава. Содержание серы может быть не более 0,12-0,15%.

Для смягчения влияния серы используется марганец, который способствует образованию свободных карбидов железа. Количество добавляемого марганца зависит от содержания серы, и может составлять от 0,5 до 1.1%.

Доля фосфора не превышает 0,2-0,3%. Фософор образует включения фосфидной эвтектики, которая увеличивает твердость и износоустойчивость.

Также, в зависимости от марки чугуна, в его составе могут быть следующие элементы:

• хром – увеличивает карбидообразование, при этом повышается твердость и прочность чугуна;
• олово — способствует равномерному распределению твердости по разным сечениям;
• никель и молибдена – повышают сопротивляемость коррозийным процессам и улучшают обрабатываемость;
• медь — ускоряет графитизацию, увеличивает упругость и стойкость к коррозии, улучшает обрабатываемость;
• сурьма – (содержание до 0,08%) влияет на процесс кристаллизации.

Как химические элементы влияют на свойства серого чугуна:

1. Углерод (C) — приводит к понижению прочности, повышению пластичности, улучшению литейных свойств, а также в наибольшей степени способствует графитизации чугуна.

2. Кремний (Si) — приводит к укрупнению включений графита, повышению механических свойств, улучшению литейных свойств, способствует графитизации. Если содержание кремния больше 3% снижает пластичность.

3. Марганец (Mn) — удаляет серу и раскисляет чугун; приводит к торможению процесса графитизации, повышению склонности к отбелу, дисперсности перлита, механических свойств (содержание марганца 0,7-1,3%, дальнейшее увеличение доли имеет обратное действие), увеличивает усадку.

4. Сера (S) — является вредной примесью. Сера образует с железом легкоплавкую эвтектику (температура плавления 985°C). При размещении на границах кристаллов, она снижает механические свойства чугуна, его жидкотекучесть, повышает усадку, придает чугуну «красноломкость» (образование трещин при высоких температурах).

5. Фосфор (P) — является вредной примесью, способствует повышению жидкотекучести и хрупкости (содержание фосфора в машиностроительных отливках не должно превышать 0,2%).

6. Никель (Ni) — является легирующим элементом, выравнивающим механические свойства отливок со стенками разной толщины, приводит к повышению твердости, коррозионной стойкости и обрабатываемости резанием.

7. Медь (Cu) — способствует графитизации, увеличению жидкотекучести, повышению прочности и твердости.

8. Хром (Cr)  — тормозит процесс графитизации, приводит к измельчению графита, повышению дисперсности перлита, прочности, твердости, понижению пластичности и литейных свойств.

9. Титан (Ti)  — способствует графитизации (при содержании до 0,05%), при большем содержании тормозит этот процесс, повышает механические свойства.

10. Магний (Mg) — способствует графитизации (при содержании до 0,01%), при большем содержании увеличивает отбел, является сильным десульфуратором.

11. Молибден (Mo) — является легирующим элементом, который замедляет графитизацию, способствует карбидообразованию, повышению твердости (без ухудшения обрабатываемости) и сопротивлению износу.

Рекомендуемый химический состав серого чугуна для отливок согласно ГОСТ 1412-85, приведен в табл. 1.

Таблица 1: Химический состав серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Классификация серого чугуна в зависимости от структуры

Состав и структура серого чугуна напрямую влияет на его свойства, а также применение конкретной марки чугуна. Скорость охлаждения после затвердевания является одним из важных факторов, которые влияют на формирование металлической основы.

Перлитная основа. Если отливка охлаждается быстро, перлитная структура составит  большую долю, которая состоит из феррита и карбида, а также тонких пластинок графита. Чугун на перлитной основе имеет высокую твердость и прочность.

Ферритно-перлитная. При медленном охлаждении в структуре серого чугуна увеличивается доля феррита – сплава железа с оксидами Fe2O3 и других металлов. Такая основа, которая состоит из феррита, перлита и пластинчатого графита, имеет более высокую пластичность.

Ферритная основа образуется при быстром охлаждении. Она состоит из вязкого феррита и свободного углерода в виде пластинок графита. Присутствие пластинок графита приводит к ухудшению механических свойств чугуна, снижает его прочность и сопротивляемость растяжению. В то же время графит:

• повышает износостойкость;
• улучшает обрабатываемость;
• снижает усадку в процессе литья;
• гасит вибрацию деталей.

Таблица 2: Физические свойства чугуна с пластинчатым графитом

Серый чугун и его механические свойства

Серый чугун обладает такими основными характеристиками, которые обеспечивают его применение в литейном производстве:

• небольшая температура отвердевания;
• высокая жидкотекучесть;
• отсутствие склонности к образованию раковин;
• малая объемная усадка.

При этом для конечного пользователя отливок из серого чугуна большое значение имеют следующие показатели:

• прочность серого чугуна;
• износостойкость при трении;
• герметичность, то есть устойчивость к образованию трещин и пор.

Эти показатели зависят от структуры и твердости серого чугуна. Чем меньше размеры графитовых пластинок, тем выше эти показатели. Детали, подвергающиеся постоянным ударно-абразивным нагрузкам, должны обладать особенно высокой твердостью. Герметичность важна в таких изделиях, как трубопроводы, насосы и компрессоры, гидравлические приводы, которые эксплуатируются в условиях большого давления жидкостей или газов. При этом степень герметичности зависит от параметров текучести, изменения давления и наличия транзитной микропористости.

Наибольшей прочностью обладает перлитный серый чугун. Это позволяет применять его в производстве деталей машин, которые подвергаются высокой нагрузке.

Серый чугун склонен к растрескиванию при сварке, а некоторые сорта вообще не поддаются сварке.

Таблица 3: Механические свойства серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Структура чугуна зависит от толщины стенок чугунных отливок. В зависимости от толщины стенки отливки, чугун кристаллизуется и охлаждается с различной скоростью (чем толще стенка отливки, тем ниже скорость охлаждения и тем больше выделяется графита в структуре чугуна и тем ниже прочностные характеристики материала отливки). Зависимость прочностных характеристик чугуна от толщины стенок отливок приведена в табл. 4.

Таблица 4: Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливок различного сечения по ГОСТ 1412-85

Чугун химический состав — Справочник химика 21

    Совершенно новым, почти не изученным, остается вопрос азотирования высокопрочного чугуна, химический состав которого не содержит легирующих элементов. В данной работе делается попытка изучения влияния процесса азотирования на механические свойства и износостойкость высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. [c.231]






    Марка чугуна Химический состав, %  [c.165]

    На магнитные свойства чугуна оказывают влияние как химический состав, так и структура чугуна. [c.128]

    Химический состав и механические свойства щелочестойкого чугуна (ОСТ 43—108) [c.60]

    Отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ГОСТ 7293—70) лолучают обработкой расплавленного чугуна магнием или другими специальными присадками. Химический состав чугуна в отливках не является браковочным признаком, за исключением случаев, оговоренных в ТУ. Марки и механические свойства высокопрочного чугуна приведены в табл. 4.7. [c.211]

    Экспериментальные детали гидравлической части насоса — корпус и рабочее колесо — выплавлялись из серого чугуна. Химический состав чугуна этих деталей насоса приведен в табл. 5.1. [c.165]

    Состав ванадиевых шлаков зависит от состава чугуна и способов его передела. Ванадий и другие примеси, находящиеся в чугуне,— кремний, марганец, хром, фосфор — в составе окислов переходят в шлак. Поэтому для получения шлаков с высоким содержанием окислов ванадия следует стремиться выплавлять чугуны с низким содержанием кремния и марганца и повышенным содержанием ванадия. Состав ванадиевого шлака зависит от характера руды, из которой выплавлен чугун. Рассмотрим отдельно извлечение ванадия из фосфористых, железных и титаномагнетитовых руд. Химический состав этих руд приведен в табл. 5. [c.21]

    В работе [162] приведены результаты исследования влияния относительного содержания пластинчатого и сфероидального графита иа скорость ультразвука в чугуне. Однако автор этой работы считает, что основное влияние на изменение скорости ультразвука оказывает химический состав чугуна (преимущественно содержание углерода, кремния и фосфора). При этом не учитывается тот факт, что при данном химическом составе чугуна величина графитных включений (сфероидов или пластин) может существенно изменяться в зависимости от формы и размера отливок. [c.89]

    Из низколегированных чугунов в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности наибольшее применение получил хромоникелевый чугун, химический состав которого обычно колеблется в следующих пределах 2,9— 3,3% С 1,4—2,3% 81 0,5—1,0% Мп 0,11—0,3% Р 0,1—0,12% 8 0,2—1,5% [c.136]

    Химический состав металла трубы определяли по ГОСТ 12344-88 Стали легированные и высоколегированные. Методы определения углерода , ГОСТ 22536.5-87 Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения марганца , ГОСТ 12346-81 Стали легированные и высоколегированные. Методы определения кремния , ГОСТ 22536.3-87 Сталь углеродистая и чугун низколегированный. Методы определения фосфора , ГОСТ 22536.2-87 Сталь углеродистая и чугун нелегированный. Методы определения серы .  [c.580]

    Структура и химический состав чугуна определяют его механические свойства прочность (временное сопротивление при растяжении аь), твердость (используют обычно твердость по Бринел-лю НВ), модуль нормальной упругости. Во многих случаях практически важен контроль именно этих свойств, а не структурных характеристик, лежащих в их основе. С учетом этого исследовали корреляционные связи акустических и физико-механических свойств. [c.260]

    Химический состав и механические свойства низколегированного коррозионностойкого чугуна (ГОСТ 11849—66) [c.60]

    Химический состав и механические свойства высокохромистых чугунов (ГОСТ 2176—67) [c.64]

    ГОСТ Наименование чугуна Марна чугуна Химический состав, % Область применения [c.104]

    Колонные аппараты для кислых сред изготовляют из чугуна, химический состав которого оговаривается заказчиком и согласовывается с заводом-из-готовителем.  [c.8]

    ХИМИЧЕСКИИ СОСТАВ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ, % [c.222]

    Химический состав подшипниковых чугунов [c.55]

    В стали и чугуне содержится углерод, который, соединяясь с водородом, образует углеводороды. В результате этого изменяется химический состав и структура металла, ухудшаются его механические свойства, он теряет свою прочность. [c.31]

    При работе в среде холодных и горячих растворов соляной кислоты применяют антихлор — чугун, поставляемый по тому же ГОСТ 203-41. Химический состав ферросилида и антихлора приведен в табл. 2-14. [c.52]

    Химический состав прутков для сварки чугуна (по ГОСТ 2671-41) [c.69]

    Структура и химический состав чугуна определяют его механические свойства прочность (временное сопротивление при растяжении), твердость (используют обычно твердость по Бринеллю НВ), модуль нормальной упругости. Во многих [c.793]

    Химический состав и механические свойства высококремнистого чугуна (ГОСТ 2233—70) [c. 61]

    Особую опасность представляет высокая агрессивность аммиака, воздействующего на медь, серебро, цинк и другие металлы и сплавы. Чугун и сталь наиболее пригодны в качестве материалов для изготовления оборудования и трубопроводов, предназначенных для аммиака. Однако безводный аммиак оказывает сильное коррозионное воздействие на стальные трубопроводы в присутствии двуокиси углерода и воздуха. Для предотвращения коррозионного растрескивания углеродистой стали сжиженный аммиак, транспортируемый по трубопроводам, должен содержать не менее 0,2% (масс.) воды. При меньщем содержании воды в аммиаке в присутствии воздуха возможно коррозионное растрескивание. Для транспортирования сжиженного аммиака применяют трубы, химический состав которых соответствует определенным требованиям. Трубы для аммиакопровода должны изготовляться по специальным техническим условиям, в которых помимо химического состава должны быть оговорены требования к механическим свойствам металла и сварке, допускам толщин стенок, диаметров труб и т. д. [c.35]

    Высокопрочный чугун с шаровидным графитом в отличие от серого чугуна вызывает меньшие концентрации напряжений и позволяет повысить прочность металлической основы чугуна на 70—90 /о при наличии некоторой пластичности. Химический состав нелегированного высокопрочного учгуна с шаровидным 1 рафитом колеблется до ввода магния и ферросилиция в следующих пределах 2,5—4,0% С 0,8—6,0% 81 0,5—1,2% Мп до 0,2% Р, до 0,14% 8, [c.132]

    Химический состав и механические свойства кремнемолибденового чугуна (ГОСТ 2333—70) [c.63]

    Химический состав и механические свойства аустенитного чугуна [c.63]

    Химический состав и физикомеханические свойства этих чугунов приведены в табл. 31 [88, 118, 126]. [c.65]

    Химический состав антифрикционного чугуна для работы при повышенных режимах [c.67]

    ГЕМАТИТ — широко распространенный минерал железа, одна из главнейших железных руд, химический состав FejOa, содержит около 70% железа. Г. имеет различную окраску от черного до красного, различную структуру и форму кристаллов, поэтому известно несколько разновидностей железный блеск, железная слюда, крас]1ый железняк, красная стеклянная голова, мартнт и др. Из Г. выплавляют чугун, кроме того, Г. применяется как минеральный пигмент (железный сурик), в прои шодстве клеенки, линолеума, красных карандашей и др. [c.68]

    Химический состав и свойства белых чугунов [c.126]

    Марка чугуна Химический состав, % Предел прочности при растяжении, кг/мм , не менее Предел прочности при изгибе, кг/мм , не менее Т вердость по Бринеллю Я в [c.488]

    Примерный химический состав наиболее щироко известного никелемедехро-мистого чугуна марки Ж4НДХ (нирезист), следующий 2,5—3,0% С 1,4— 1,8% 81 0,5-0,8% Мп . 13,0-16,0% № 6,0—8,0% Си 1,5-3,5% Сг 0,2— 0,4% Р 0,07—0,1% 8. [c.137]

    В Советском Союзе эталоны для спектрального анализа изготовляются различными организациями. Наиболее крупная из них — лаборатория стандартных образцов Уральского института металлов которая изготовляет эталоны чугунов, сталей, ферросплавов, руд шлаков, агломератов, огнеупоров и других материалов. Кроме этого эталоны различных цветных металлов и сплавов изготовляются ря дом исследовательских институтов. Выпускаемые эталоны снабжа ются свидетельствами, в которых указан точный химический состав [c.259]

    Примерный химический состав модифицированного чугуна следуюии1Й 2,8—3,1% С 0,8—1,2% Мп 1,2—2,0% 81 до 0,2% Р до 0,14% 8. Сравнительно низкое содержание углерода и кремния в модифицированном чугуне обеспечивает характерную для него однородную структуру металлической основы — тонко и среднепластинчатый перлит и равномерно распределенный средний величины графит. [c.120]

    Коррозионностойкими в химических средах являются три типа серых никелевых чугунов. К ним относится никелекремнистый чугун (типичный состав 1,7—2,0 % С, 5—7 % 51, 0,6—0,8 % Сг, 13—20 % N1), который наряду с высокой жаропрочностью весьма устойчив в горячих растворах концентрированных щелочей. Хорошую стойкость в растворах серной и соляной кислот, в морской воде и в природных водах имеют никелемедистые чугуны типа СЧ22-44 (2,6—3,0 % С, [c.71]

    К числу факторов, традиционно учитываемых при назначении материалов, относятся параметры рабочих сред (химический состав, pH, температура). В то же время известно, что многие стеклоэмалированные аппараты работают при действии перепадов температур, эрозионного воздействия среды. Различие свойств адгезива (полимера) и субстрата (стали, чугуна) приводит к появлению по разным причинам отрывающих напряжений и преждевременному отслоению нанесенных покрытий. [c.4]

    Модифицированный чугун — серый чугун со специальными присадками — модификаторами (титан, кальций, силикокальций, ферросилиций и др.). Химический состав чугуна при модификации почти не изменяется, но структура его, а также физико-механические и технологические свойства улучшаются. Модифицированные чугуны маркируются аналогично серым с введением буквы М, например СМЧ32—52, СМЧ36—56 и т. д. Отливки из модифицированного чугуна используются при температурах до 300° С. [c.34]

Влияние химического состава чугуна на его механические свойства

В.А. Изосимов, Р.Г. Усманов, М.Н. Канафин

(ООО «НПП «Технология», г. Челябинск)

Значительным достижением в развитии машиностроения является разработка способа получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. В этом материале хорошо сочетаются высокие физико-механические и технологические свойства. В результате многочисленных исследований и большого производственного опыта установлено, что высокопрочный чугун (ВЧ) во многих случаях может успешно применяться взамен серого и ковкого чугуна, углеродистой и легированной стали.

Замена обычного серого чугуна высокопрочным позволяет значительно снизить вес отливок за счет уменьшения толщины их сечений, при сохранении и даже повышении эксплуатационной надежности.

Наиболее целесообразным в технико-экономическом соотношении является применение высокопрочного чугуна взамен стали для тонкостенных литых деталей сложной конфигурации. Этот чугун по сравнению со сталью обладает в 1,5-2,0 раза большей жидкотекучестью, не склонен к образованию горячих трещин и обеспечивает получение плотного металла в малых сечениях без применения «напусков». Вместе с тем стоимость литья из высокопрочного чугуна на 25-30% ниже стоимости стального литья.

Применение высокопрочного чугуна во многих случаях позволяет значительно снизить вес деталей и повысить коэффициент использования металла. Однако следует отметить что, несмотря на указанные преимущества высокопрочного чугуна по сравнению с другими литейными сплавами, область его применения и масштабы производства в России до последнего времени весьма ограничены. Это объясняется тем, что при организации массового производства отливок из этого чугуна встречаются значительные затруднения.

Наиболее трудной задачей является получение отливок из чугуна марок ВЧ40 и ВЧ60 по ГОСТ 7293-85. Вместе с тем применение чугуна этих марок позволяет в наибольшей степени использовать его высокие физико-механические свойства.

Основное затруднение заключается в том, что полученный металл не всегда соответствует требованию по механическим свойствам, особенно по характеристикам пластичности и вязкости.

В отливках часто образуются дефекты в виде «черных пятен», значительно снижающих прочность деталей. Характерными для отливок из ВЧ являются также усадочные дефекты и мелкие поверхностные газовые раковины.

Значительную трудность представляет получение перлитной структуры для марки ВЧ60, в которой феррита должно быть не более 20%.

В целях преодоления указанных затруднений авторами в сотрудничестве с работниками ряда заводов выполнялись работы, по результатам которых разработан и внедрен технологический процесс изготовления отливок из ВЧ, предусмотренных ГОСТ 7293-85. Активное участие в этих работах принимали специалисты кафедры «Литейное производство» ЮУрГУ.

Химический состав, выплавка и разливка чугуна.

Многочисленные наблюдения показали, что при производстве ВЧ встречается несколько характерных типов микроструктуры графита. Условно они названы: шаровидный, вермикулярный и смешанный.

В результате исследований установлено, что чугун со смешанной формой графита получается при содержании магния менее 0,035% и содержании углерода в жидком чугуне менее 3,0-3,2% перед вводом магния.

Для получения чугуна с полностью шаровидным графитом необходимо обеспечить содержание магния в пределах 0,04-0,1%, а также достаточное содержание углерода, причем шаровидный графит получается тем более устойчиво, чем выше содержание углерода в металле перед вводом магния.

Указанная закономерность не всегда согласуется с литературными данными /1,2/, в которых указывается, что для обеспечения получения шаровидного графита в чугуне с увеличением в нем содержания углерода, нужно увеличивать дозировку магния.

Для устойчивого получения шаровидного графита необходимо также, чтобы содержание серы в металле до ввода магния было не более 0,02%. /3, 4/

Форма графита в ВЧ оказывает решающее влияние на его пластичность и вязкость и мало сказывается на характеристиках прочности, что видно на рис. 1,2, где показаны результаты испытания механических свойств этого чугуна множеством плавок.

Рис. 1. Влияние формы графита на механические свойства высокопрочного чугуна

Рис. 2. Влияние формы графита на механические свойства высокопрочного чугуна

Влияние микроструктуры металлической основы на механические свойства ВЧ общеизвестно. Однако возникла необходимость в уточнении количества допустимого перлита в ферритном чугуне, учитывая, что в результате отжига некоторое его количество во многих случаях сохраняется. В связи с этим производилось изучение микроструктуры и механических свойств чугуна в лабораторных и производственных условиях. Форма графита в этих чугунах была полностью шаровидной. Химический состав колебался в сравнительно небольших пределах.

Полученные результаты (рис.3) показывают, что в ферритном чугуне марки ВЧ40 допустимо 10-15% перлита, а в марке ВЧ60 феррита может быть не более 10%.

Рис. 3. Влияние количества перлита в металлической основе на механические

свойства высокопрочного чугуна

В перлитном и ферритном ВЧ совершенно недопустим цементит, т.к. даже весьма незначительное его количество понижает ударную вязкость до значения менее 1кгм/см2.

Исследования влияния химического состава ВЧ на его механические свойства проводились на чугуне, выплавленном в лабораторных условиях в индукционной печи, а также в различных производственных агрегатах (вагранки, дуговые электропечи) на ряде заводов Урала. Во всех случаях использовали данные только тех плавок, чугун которых имел полностью шаровидный графит и ферритную металлическую основу в литом состоянии или после отжига (не более 10% перлита). Обобщенные результаты представлены на рис. 4,5,6,7.

Рис. 4. Влияние углерода на механические свойства высокопрочного чугуна.

Рис. 5. Влияние кремния на механические свойства высокопрочного чугуна.

Рис. 6. Влияние марганца на механические свойства высокопрочного чугуна.

Рис. 7. Влияние фосфора на механические свойства высокопрочного чугуна.

Как видно из данных рис.4 изменение содержания углерода от 2,4 до 3,9% не оказывает заметного влияния на все характеристики механических свойств ВЧ. Оно может выражаться лишь в том, что с понижением содержания углерода возрастает количество перлита, сохраняющегося после отжига. При этом вероятно также наличие структурного свободного цементита и графита нешаровидной формы.

С повышением содержания кремния от 2 до 3% механические свойства ВЧ также практически не изменяются (рис.5). Однако при дальнейшем повышении содержания кремния наступает заметное понижение относительного удлинения и повышение предела прочности при растяжении. Показатели ударной вязкости при этом резко падают в связи с наличием структурно свободных силицидов магния, происходит охрупчивание феррита, в особенности для чугуна ВЧ40.

Влияние марганца аналогично влиянию кремния. Резкое падение ударной вязкости и значительное снижение относительного удлинения наступает при содержании марганца более 0,6% (рис.6).

Влияние фосфора на понижение пластичности и вязкости ВЧ заметно проявляется при содержании его выше 0,08% (рис.7).

Получение чугунов марок ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60 вполне осуществимо в вагранках при правильном подборе модификаторов.

Многие сомневались в возможности получения ВЧ40 из вагранки на холодном дутье, обеспечивающей нагрев чугуна лишь до 1360-кС. Подтверждением стали сравнительные опыты получения ВЧ в индукционных и дуговых электропечах, а также в вагранке производительностью 3т/ч. Во всех плавках использовались одни и те же шихтовые материалы, поэтому полученный металл был практически одинакового химического состава. Отличие состояло лишь в том, что чугун в индукционной и дуговой электропечах нагревался до 1450-1500-кС, а в вагранке до 1360-кС. В связи с этим температура ваграночного чугуна при заливке в формы была 1280-1300-кС, а электропечного чугуна — 1340-1380-кС. Результаты механических испытаний полученного ВЧ (после отжига), приведенные в таблице 1, показывают, что чугун выплавленный в индукционной и дуговой электропечи имеет более высокие показатели относительного удлинения и ударной вязкости, что связано с повышенной температурой заливки и низким содержанием серы. Остальные характеристики механических свойств вполне удовлетворяют требованиям ГОСТа и для ваграночного чугуна.

При выплавке чугуна марок ВЧ40, ФЧ45, ВЧ50, ВЧ60 использовались обычные передельные чугуны ПЛ1 и ПЛ2, с пониженным содержанием фосфора и марганца.

Таблица 1

Опытами установлено, что при производстве отливок из ВЧ40 содержание хрома в шихте не должно быть более 0,1%; для всех других марок — содержание остаточного хрома допустимо до 0,2%.

Весь кремний, вводимый с кремнистыми модификаторами, практически полностью переходит в чугун, что следует учитывать при расчете шихты.

Для обеспечения повышенного содержания углерода в чугуне до его модифицирования, стальной лом в шихте следует применять не более 15-20%. Чугунный лом может использоваться в любом количестве, но при условии обеспечения требуемого химического состава чугуна.

При разливке металла в формы должны быть приняты меры предупреждающие образование «черных пятен», являющихся наиболее распространенным видом дефектов в отливках из ВЧ. В результате введения магниевой лигатуры значительная часть углерода (от 0,2 до 0,8%) переходит в шлак. Установлено, что «черные пятна» являются преимущественно скоплениями сульфидов магния и графита. На серных отпечатках они представляются в виде резко затемненных пятен — следов разложившихся при изготовлении шлифа сульфидов магния (рис.8 и 9).

При химическом анализе в местах «черных пятен» обнаруживается повышенное содержание углерода и серы (таблица 2).

Таблица 2

В качестве мер борьбы с дефектами отливок в виде «черных пятен» можно рекомендовать различные способы: повышение температуры заливки, обработка жидкого металла флюсами (карбонат натрия, «рефлой» и т. д.).Все эти способы уменьшают, но не устраняют полностью возможность образования «черных пятен» в отливках. Кроме того, каждый из них имеет отрицательные стороны, которые могут привести к неудовлетворительным результатам в отношении формы графита и механических свойств чугуна.

Для борьбы с «черными пятнами» можно использовать заливку ковшами с сифонной подачей металла в формы. Опыт показал, что для разливки металла больше одной тонны с успехом можно применять обычные стопорные ковши.

Снятием серных отпечатков с темплетов, залитых с применением сифонных или стопорных ковшей, было установлено полное отсутствие «черных пятен».

Весьма важным фактором, определяющим качество отливок из ВЧ, является установление оптимальной температуры заливки.

Были проведены опыты по изготовлению отливок различной толщины стенок, залитых при температурах 1250, 1280 и 1370-кС. Температура заливки оказывает значительное влияние на показатели относительного удлинения. Характеристики прочности при этом не изменяются. Данные рис.10 показывают, что влияние температуры заливки с уменьшением толщины стенки отливки возрастает. Оптимальной температурой заливки ВЧ следует считать 1320-1340-кС. Применение более высокой температуры заливки нецелесообразно, потому что это приводит к понижению усвоения магния, вследствие чего механические свойства чугуна получаются менее стабильными.

Список литературы:

1. Шапранов И.А. О кристаллизации и механических свойствах высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. В сб. Новое в теории и практике литейного производства. — М-Л., Машгиз, 1956. — С. 312-319.

2. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. — Л., Машиностроение, 1966.

3. Кривошеев А.Е., Маринченко Б.В., Фетисов Н.М. Механические свойства чугуна с шаровидным графитом в отливках // Литейное производство. 1972, вфЖ5. — С. 34-35.

4. Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г. , Вареник П.А. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом. — Киев, Наукова думка, 1986.

Химический состав чугуна

Химический состав чугуна

Химический состав чугуна является очень важным фактором, обусловливающим механические свойства отливок. При этом механизм влияния элементов определяется, главным образом, изменением условий первичной и вторичном кристализации. Изменение же химического чугуна имеет меньшее значение, хотя легирование феррата повышает его прочность. Поэтому одним легированием твердого раствора, без соответственного изменения структуры чугуна, нельзя достичь значительного изменения прочности. По этой причине обычно и не применяется в качестве конструкционного материала легированный ферритный чугун, например ковкий.

Изменением химического состава других структурных составляющих (карбидов, графита, сульфидов, нитридов и т, д.) можно пренебречь с точки зрения механических свойств чугуна, так как действие подобных включений обусловливается только блокированием плоскостей скольжения, сужением сеченля и созданием надрезов. Поэтому главная роль величина, форма и распределение, а нехимический состав чугуна  состав и механических свойств этих структурных составляющих.

Таким образом, основное влияние легирующих элементов на механический свойств определяется изменениями в условиях первичной и вторичной кристаллизации чугуна (количество, форма и распределение величина зерна, характер основной металлической массы), которые обусловливают химическим составом металла. Химический состав чугуна при изменении имеет подчиненное значение (вследствие высокого содержание в нем углерода), которым однако не всегда можно пренебречь.

а) Влияние углерода и кремния. С повышением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации.

Рис.151. Влияние углерода на механические свойства и химический состав чугуна.

Весь химический состав чугуна и его механические свойства (рис. 151) составляют только циклическая вязкость и повышается количество графита и укрупняются его выделения, т. е. изменяются как структура основной металлической массы, так и количество формы графита в чугуне. Такое изменение структуры чугуна, как показывают исследования, сильно понижает. Исключение до некоторой степени пропита, возрастающие с повышением содержания углерода и кремния.

Особо большое влияние на механические свойства имеет содержание углерода. При этом в малоуглеродистом чугуне (2,75 — 3,0%), в противоположность высокоуглеродистому (3,3 — 3,5% С) механические свойства сначала повышаются с увеличенном содержания кремния до известного предела, а затем понижаются. Это объясняется наличием структурно-свободных карбидов или междендритного графита в чугуне, что понижает его механические свойства. Увеличение содержания кремния в этом случае, способствуя графитизации или устранению междендритного графита, повышает механические свойства чугуна. По этой же причине уменьшение содержания углерода тоже имеет целесообразный предел, ниже которого прочность чугуна понижается вследствие междендритной кристаллизации графита.

Так как общая закономерность зависимости структуры чугуна от содержания углерода и кремния выражается структурной диаграммы), то она естественно в состоянии отобразить и соответствующие изменения механических свойств чугуна, как это видно из приведенных и литературе данных. Максимальная прочность чугуна соответствует положению его в средней части перлитной области структурной диаграммы. И верхней ее части прочность понижается вследствие повышения степени эвтектичности увеличения количества углерода и графита: в нижией части — вследствие междендритной кристаллизации графита. В обычных условиях практики химические составы чугуна располагаются в верхней части перлитной области, поэтому, чем больше углеродный эквивалент (Са = С + 0,3 Si), тем ближе находится чугун по своему химическому  составу к эвтектическому, тем крупнее выделения графита и тем ниже прочность чугуна.

Рис. 152. Влияние кремния на механические свойства чугуна при разном содержании углерода.

Вместе с тем при этом наблюдается увеличение пластических деформаций: стрели прогиба и до известной степени — ударной вязкости чугуна. Вместе с тем пластические деформации степени — ударная вязкость чугуна.

При замене углерода кремнием так, чтобы структура основной металлической массы не изменилась, т. е. при сохранении условий: С Si const или С + nSi = const, углеродный эквивалент (С1 = С + 0,3Si) понижается. Поэтому понижение содержания углерода в чугуне при соответствуюшем повышении содержания кремния приводит не только к уменьшению количества графита при сохранении структуры основной массы чугуна, но и в размельчении графита вследствии понижения.

Рис. 153. Зависимость прочности чугуна от его положения на структурной диаграмме.

Следовательно, углерод и кремний нельзя считать равноценными в отношении их влияния на механические свойства чугуна и замена (до известного предела) углерода кремнием имеет своим следствием механические свойства в особенности в перлитном чугуне.

При повышении содержания кремния сверх 3% твердости чугуна начинает повышаться вследствии уменьшения количества графита и увеличения концентрации кремния в феррите, хотя прочность и пластичность при этом продолжают падать:

Для оценки чугуна, как конструкционного материала, имеет большое значение однородность его свойств в разных частях отливки. Металл с низкой однородностью может дать высокую прочность в тонких частях отливки и низкую — в толстых. Наоборот, металл с высокой однородностью в состоянии обеспечить высокую прочность во всех частях отливки и,следовательно, во всей детали в целом. Зависимость механических свойств от толшипы стопок отливки выражается показательной функцией:

^оD/^оD₀ = (D/D₀)-^d (123)

^оD — соответствующее свойство бруска диаметром D; ^oD₀ —  соответствующее свойство бруска диаметром D₀; d — коэффициент однородности.

Рис. 154. Зависимость механических свойств чугуна от величины углеродного эквивалента.

Чем больше абсолютное значение коэффциента однородности, тем больше неоднородность в свойствах различных частей отливки. Исследования показывают, что с увеличением содержания углерода и кремния абсолютное значение коэффициента однородности повышается, а именно:

а = 0,24 + 0,285 (С + 0,8 Si) — 4,2 (124)

Таким образом, с уменьшением содержания углерода и кремния механические свойства чугуна не только повышаются, но и выравниваются в разных частях отливки, охлаждающихся с равной скоростью, причем углерод и этом отношении сильнее кремния.

Уменьшение содержания углерода в ковком чугуне имеет еще большее значение для повышения механических свойств чем в сером чугуне. Как видно из рис. 140 и 144 параллельно с увеличением прочности повышается также и удлинение. Это объясняется уменьшением количества и улучшением формы углерода отжига при одной и той же структуре (ферритной) основной металлической массы.

О влиянии кремния на механические свойства ковкого чугуна существуют противоречия. Однако можно утверждать, что это влияние невелико, хотя все же отрицательно даже в том случае, когда повышение содержания кремния еще не вызывает выделения графита в сырых отливках. Поэтому повышение механических свойств  чугуна чаше всего достигается за счет понижения содержания углерода, несмотря на то, что для сокращения времени отжига при этом увеличивают содержание кремния. Однако следует иметь в виду ухудшение литейных свойств чугуна с понижением содержания в нем углерода.

б) Влияние марганца и серы. Влияние марганца и серы на механические свойства чугуна определяется в основном соответствующим изменением структуры основной металлической массы (степень графитизации, дисперсность перлита), а также с изменением нормы графита и образованием включении сульсеидов.

Рис.155.Влияние марганца на механические свойства чугуна.

Это влияние сравнительно невелико и зависит от состава чугуна, вследствие чего литературные данные но этому вопросу часто противоречны. При средних и низких содержаниях углерода повышение содержания марганца 0,8 — 1,2 %, как показывают исследования увеличивается прочность чугупа (рис. 155). Дальнейшее увеличение содержания маргаца оказывает ужи отрицательное влияние. Понижение механических свойств наступает в тот момент, когда марганец начинает резко увеличивать количество связанного углерода с образованием структурно-свободных карбидов. Очевидно, что этот момент наступает чем скорее, чем меньше в чугуне углерода п кремния в чем хуже условия графитизации. В высокоуглеродистом же чугуне понижение прочности не наступает даже при 2,4% Мn.

Стрела прогиба и ударная вязкость имеют наивысшее значения при более низком содержании марганца (0,3 — 0,6%), обусловливающем максимум графтизации. Однако при высоком содержании углерода оптимальное содержание марганца повышается (до 2% и выше) вследствие размельчения графита и сравнительно слабом влиянии марганца на степень графитизации  этих условиях. Как видно из рис. 155, увеличение содержания марганца влечет за собой также повышение твердости (тем больше, чем меньше содержание углерода и кремния в чугуне). Однако увеличение содержания марганца до оптимального баланса с самого начала понижает твердость чугуна. При дальнейшем увеличении содержания марганца твердость повышается из-за торможения графитизации и сорбитизации структуры. Особенно сильно повышается твердость при отбеливании чугуна или образовании структуры при достаточно высоком содержании марганца (около 5%), При образовании структуры (10%) твердость чугуна вновь понижается.

Сопоставляя имеющиеся в литературе экспериментальные данные по влиянию серы, можно прийти к заключению, что сама по себе сера, в особенности в виде FeS, оказывает неблагоприятное действие на свойства чугуна, понижая характеристики прочнисти и пластичности (рис. 156). Это объясняется ослаблением границ зерен эвтектикой Fe — FeS и до некоторой степени — образованием дополнительных надрезов включениями MgS. Одноко указанное влияние не проявляется интенсивно.

Поэтому в мягком чугуне вредное влияние серы даже перекрывается повышением колличества связанного углерода, в связи с чем прочность чугуна увеличивается.

Рис. 156. Влияние серы на механические свойства чугуна.

Что касается влияния марганца и серы на однородность механических свойств, то оно выражено в столь слабой форме, что им можно пренебречь. Содержание марганца в ферритом ковком чугуне всегда находится в надлежащем балансе с серой, поэтому влияние этих элементов на механические свойства весьма ограничено. В перлитном ковком чугуне повышение содержания марганца влечет за собой торможение графитизации и увеличение количества перлита в структуре, вследствие чего, как показал И. И. Хорошев, повышаются характеристики прочности и понижается пластичность (удлинение) чугуна (рис. 157).

Рис. 157. Влияние марганца на структуру и механические свойства ковкового чугуна.

Рис. 158. Влияние фосфора на механические свойства чугуна.

Особенно резко прослеживается    отрицательное влияние фосфора в высокоуглеродистом чугуне и в чугуне в значительным колличеством феррита в структуре. В перлитном же чугуне и при низком содержании углерода вредное влияние фосфора сказывается в меньшей степени, и ударная вязкость чугуна при однократном и многократном приложении нагрузки начинает падать только с 0,3% Р, как и статические свойства (рис. 159). Влияние фосфора на однородность механических свойств так же отрицательно, как и на структуру чугуна. Поэтому с увеличением  содержания фосфора разница в механических свойствах толстых и тонких частей отливок увеличивается. Что касается ковкого чугуна, то повышение содержания фосфора свыше 0,2 — 0,25%  увеличивает его хрупкость.

Рис. 159. Влияние фосфора на ударную вязкость перлитного чугуна.

г) Влияние легирующих элементов. Влияние легирующих элементов на механические свойства чугуна весьма разнообразно и зависит от состава металла, его перегрева и условии охлаждения.
Благоприятное влияние легирующих элементов в стали определяется, главным образом, повышением прочности феррита, изменением дисперсности карбидной фазы, увеличением прокаливаемости и устойчивости против отпуска, т. е. возможностью более эффективно использовать термическую обработку с соответствующим повышением пластичности при данной прочности. Однако чугунные отливки обычно не подвергаются термической обработке Кроме того, благодаря высокому содержанию углерода в чугуне упрочнение феррита легирующими элементами не имеет столь большого значения, как в стали.

Распространено мнение, особенно за границей, что применение легирующих элементов в чугуне не имеет большого значения и что обеспечение тех или иных механических свойств чугуна возможно другими способами, например понижением содержания углерода. Эта точка зрения неправильна. Легирование чугуна, как способ повышения механических способов, имеет практическое значение в производственном работе наших литейных и научно обосновывается следующими соображениями.

Формирование вторичной структуры чугуна во время охлаждения в форме подобно тому, что происходит при процессе термической обработки. Поэтому влияние легирующих элементов на однородность чугуна в некотором смысле аналогично их влиянию на прокаливаемость стали и оказывается весьма полезным. Кроме того, легирующие элементы оказывают влияние на механические свойства чугуна путем изменении условии первичной и вторичной кристаллизации.

Изменение физических свойств жидкого раствора, образование тугоплавких соединений определенного строения с соответствующим уровнем поверхностной энергии и изменение сил взаимодействия между атомами раствора являются важными путями воздействия легирующих элементов на первичную кристаллизацию и графитизаиию чугуна. Наиболее интенсивно и благоприятно в этом отношении действуют ванадий, молибден, хром, титан.

Рис. 160. Влияние никеля на механические свойства чугуна.

Эти элементы размельчают выделения графита и повышают механические свойства чугуна. Еще большее значение имеет воздействие легирующих элементов на вторичную кристаллизацию, в частности па степень дисперсности перлита. В этом отношении действуют благоприятно почти все легирующие элементы вследствие уменьшения температуры пли скорости превращения. При этом карбидообразующие элементы (хром, молибден) оказывают влияние на фирму энтектоидных карбидов.

Оптимальные результаты можно получить при одновременном воздействий на первичную и вторичную кристаллизацию путем е комплексного легирования. По этой причине из двух групп легирующих элементов, образующих преимущественщо карбиды или твердые растворы, первая действует на механические свойства интенсивнее, чем вторая, так как параллельно с сорбитизацией структуры обычно благоприятно изменяет и форму графита. Экспериментальное сопоставление элементов по интенсивности воздействия на прочность чугуна располагает их в следующий ряд: Mo, V, Cr, Ni, Cu.

Наиболее слабым является влияние никеля и меди, что объясняется их графитизирующим действием. Как видно из опытов автора М. П. Симаповского и Г. М. Голуб (рис. 160), никель несколько повышает прочность, пластичность и вязкость чугуна вне зависимости от его эвтектичности. Твердость же чугуна может при этом повышаться или понижаться в зависимости от содержания никеля и характера исходной структуры. В чугуне, склонном к отбеливанию никель, способствуя графитизацди, уменьшает твердость в мягком же чугуне никель, сорбитизируя структуру, увеличивает твердость. Точно так же в зависимости от содержания никеля.

Рис. 161. Влияние меди на механические свойства.

Влияние меди примерно аналогично влиянию никеля  в модифицированном чугуне больше, чем в обычном. Для повышения эффективности действия этих элементов неодновременное снижение содержания кремния, чтобы не увеличилась степень графитизации (иные механические свойства попытаются в малой степени).

Оптимальное же влияние никеля и меди обнаруживается при присадке их к половинчатому чугуну, когда графитизация в нем вызывается этими элементами.

Рис. 162. Влияние хрома на механические свойства чугуна.

Характерным для большинства легирующих элементов, в особенности для никеля и меди, является то обстоятельство, что они повышают главным образом прочность при растяжении, сжатии и срезе и в меньшей степени — прочность при изгибе, понижая, таким образом, отношение. Значительно  сильнее влияют хром, молибден и ванадии как в отношении повышения прочности чугуна, так и  отношении стрелы прогиба.

При этом, как показали наши исследования, благоприятное влияние хрома сказывается только до 0,5%, благоприятное же влияние молибдена — в пределах до 0,75 — 1,0% (рис. 162, 163 и 164). Все эти элементы особенно эффективно проявляют свое действие при содержании углерода. Как высоки могут быть механические свойства при легировании малоуглеродистого чугуна (после термообработки), показывают следующие данные:

Параллельно со статическими характеристиками прочности повышаются, конечно, и усталостные, причем соответствующий коэффциент эквивалентности  обычно не изменяется легирующими элементами, за исключением молибдена, который его несколько повышает. При этом увеличивается также сопротивление усталостному удару. И в этом отношении особенно интенсивно действует молибден (рис. 148), повышение содержания которого до 0,5% значительно увеличивает сопротивление удару при многократном приложении нагрузки. В том же направлении, хотя и менее интенсивно, действует никель и до известного предела (~3%) — медь.

Вместе с тем циклическая вязкость чугуна понижается обычно всеми с легирующими элементами, за исключением меди, которая при небольших напряжениях (15-20% предела прочности) несколько повышается. Это обстоятельство служит одной из причин применения медистого чугуна для коленчатых валов и других подобных деталей.

Рис. 163. Влияние молибдена на механические свойства чугуна.

Максимальное использование легирующих элементов и отношении повышения механических свойств возможно только при правильном их сочетании. Это достигается удачной комбинацией элементов: а) благоприятно влияющих на первичную и вторичную кристаллизацию, б) препятствующих и способствующих графитизации; в) образующих растворы с ферритом и цементитом; г) повышающих кристаллизацию и межкристалливую прочность.

Этими принципами удовлетворяет, например, сочетание никеля и хрома, так как никель способствует графитизации и образует твердый раствор с ферритом, упрочняя его, а хром препятствует графитизации, размельчает несколько графит и образует стойкие карбиды.

Рис. 164. Влияние ванадия на механические свойства чугуна.

При этом оба элемента сорбитизируют структуру. Поэтому никель и хром, действуя совместно, особенно интенсивно повышают механические свойства чугуна. Оптимальное соотношение между ними, как показывают некоторые исследования, зависит от состава чугуна и скорости его охлаждения  и колеблется от 2 :1 до 5 : 1 (табл. 19).

Таблица 19. Оптимальное соотношение между никелем и хромом.

Медь также повышает эффективность своего действия при сочетании с элементами, препятствующими графитизации например с хромом, молибденом или марганцем, тем более, что при этом обычно, повышается растворимость меди в твердом расторе.

Молибден же, оказывающий сравнительно слабое влияние на графитизацию и образующий твердые растворы и с ферритом и с карбидами, можно комбинировать как с никелем или медью, так и с хромом или марганцем. В литературе обычно рекомендуются следующие отношения: Ni : Mo = 3:1, реже 2 :1 или 1:1; Сr : Мо = 1:1.

Большим преимуществом легированного чугуна, как было указано выше, является его высокая однородность. В этом отношении особенно благоприятно влияние никеля, меди и молибдена, с повышением содержания которых однородность свойств в разных частях отливок увеличивается:

По этой причине область состава чугуна в диаграмме, соотвестсвует максимальным  свойствам значительно расширяется при легировании никелем и другими элементами. В отношении же остальных элементов можно отметить, что в тех пределах, в каких они встречаются в чугуне, их влияние весьма ограничено. Некоторое применение имеет иногда титан, реже цирконий и алюминий, способствующий графитизации и применяющиеся как дегазаторы и модификаторы. При эгом титан особенно полезен в высокоуглеродном чугуне, где  препятствует образованию пыли, а также и малоуглеродистом чугуне, где он способствует графитизации. Несколько повышают механические свойства также вольфрам, бор, перий.

Рис 165. Влияние меди на механические свойства ферритного ковкого чугуна

Наоборот, сурьма, отчасти мышьяк, висмут, олово, кобальт и некоторые  другие элементы понижают механические свойства чугуна. Легирующие элементы в ковком чугуне применяются главным образом при производстве чугуна перлитного класса, когда необходимо затормозить в той или иной мере вторую стадию графитизации. В этом случае легирующие элементы, подобно марганцу, повышают прочность, соответственно понижая пластичность чугуна. Например, добавки 0,05 — 0,1% V, 0,3 — 0,7 Мо или 0,1 — 0,2% Сг способствуют получению перлитного ковкого чугуна. При производстве же ферритного ковкого чугуна практическое применение в качестве легирующего элемента получила только медь, способствующая, согласно литературным данным, графитизации, размельчающая выделения графита и несколько повышающая механические свойства (рис. 165).

Влияние химического состава на свойства серого чугуна

Серый чугун представляет собой сплав железа и углерода, при затвердения которого образуется вместо ледебурита графическая эвтектика.

В данной статье мы рассмотрим, то, как влияет химический состава серого чугуна на его характеристики.

Углерод

Чем выше процентное содержание углерода, тем менее прочным является данный вид чугуна, так же теряется твёрдость и упругость материала, но увеличиваются такие качества, как вязкость, пластичность и цикличность. Оптимальным содержанием углерода в сером чугуне считают значения в диапазоне от 2,4 до 4,2%.

Кремний

Образует твёрдое соединение с ферритом повышает твёрдость и уменьшает вязкость. Увеличение его содержания в сером чугуне приводит к образованию большего числа графитовых включений, уменьшается твёрдость и его пластичность (образуется силикоферрит). При этом следует заметить, что при повышении содержания кремния твёрдость сначала понижается, потом опять повышается.

Сера

Данный химический элемент уменьшает пластичность и прочность чугуна и способствует перлитизации его структуры.

Марганец

Замедляет графитизацию, способствует появлению свободных карбидов, при взаимодействии нивелирует негативное воздействие серы.

Фосфор

Нахождении фосфора в сером чугуне имеет свою роль, он легирует феррит и облегчает зёрна, чем больше содержание данного элемента в чугуне, тем выше его износоустойчивость и твёрдость.

Хром

Повышенное его содержание ведёт к повышению прочности и твёрдости.

Никель

Нахождение никеля в сером чугуне позволяет нейтрализовать механические свойства чугунных отливок различной толщины.

Молибден

Молибден в сером чугуне замедляет процесс графитизации, и является активным карбидообразующим элементом, что приводит к увеличению твёрдости и прочности материала.

Медь

Медь влияет на ускорение процесса графитизации, а так же образование перлита. Повышенное содержание меди приводит к меньшей усадке, а так же повышает жидкотекучесть серого чугуна.

Так же повышается упругость материала.

Олово

Нахождение олова повышает упругость и прочность сплава, но так же растёт отбел чугуна, по этому содержание данного элемента контролируют в пределах 0,05-0,08 %.

Сурьма

Как и олово, сурьма препятствует образованию свободного феррита.

Бор

При небольшом добавлении в серый чугун бор повышает графитизацию, увеличивает ударную вязкость, а так же стрелу прогиба.

Повышенное содержание бора приводит к снижению вязко-пластичных свойства и повышению прочности.

Читайте так же:

Определение глубины прокладки канализационных труб

Электроискровая обработка сталей, а так же их сплавов

Характеристика процесса алитирования стали

Чугун: состав и свойства | Сплавы | Утюг

В этой статье мы обсудим: — 1. Введение в чугуны 2. Состав и скорость охлаждения чугунов 3. Сравнение свойств 4. Наука о разработке микроструктур.

Введение в чугуны:

Чугуны — это сплавы железо-углерод (и кремний), имеющие углеродное или углеродное эквивалентное значение более 2% (фактически это 2,1-1%), то есть больше, чем максимальная растворимость углерода в твердом аустените, при которой происходит эвтектическая реакция. во время застывания.Поскольку более высокое содержание углерода делает их более хрупкими, промышленные чугуны обычно содержат углерод от 2,11 до 4% и кремний от 0,5 до 3% (наряду с другими элементами, такими как марганец, сера и фосфор).

Чугун, будучи хрупким, нельзя ковать, катать, вытягивать и т. Д., А можно только «отливать» в желаемые формы и размеры (с механической обработкой или без нее) путем заливки расплавленного сплава желаемого состава в форму желаемого размера. форма, а затем, позволяя ему затвердеть.

Поскольку литье является единственным и единственным подходящим процессом для придания формы этим сплавам, они называются чугунами.Чугуны — наименее дорогие, легкоплавкие (1140 ° -1200 ° C) материалы с хорошей литейной способностью, хорошей обрабатываемостью, хорошей износостойкостью, высокой демпфирующей способностью, высокой прочностью на сжатие (в 3-5 раз выше прочности на разрыв), нечувствительными к зазубринам (серый утюги) и хорошей коррозионной и жаростойкостью. Хотя чугуны уступают стали по механическим свойствам, они превосходят их по демпфирующей способности, качеству скольжения, износостойкости и, конечно же, стоимости.

Состав и скорость охлаждения чугунов:

Углерод в чугуне может находиться в комбинированной форме в виде цементита, в свободной форме в виде графита или в том и другом виде.

Зависит от химического состава (включая наличие зародышей графита) и скорости охлаждения отливки из расплавленного состояния:

1. Состав чугуна:

(а) Углерод:

По мере увеличения содержания углерода температура плавления (по сравнению со сталями) снижается до 1200–1140 ° C, и, таким образом, углерод действует как графитизатор. Но чем больше образуется графита, тем ниже механические свойства.

(б) Кремний (0,5-3,0%):

Кремний в основном контролирует форму углерода, присутствующего в чугуне. Кремний — сильный графитизатор. В зависимости от его содержания (и скорости охлаждения) кремний не только помогает осаждать графит во время затвердевания, но также может графитизировать вторичный, а также эвтектоидный цементит. После того, как чешуйка графита сформировалась, ее форму нельзя изменить позже никаким способом. Рис. 15.1 (b) иллюстрирует влияние углерода и кремния на структуру белого или серого чугуна.

Кремний снижает эвтектический состав примерно на 0,30% углерода на каждый 1% кремния, то есть эвтектический состав затем рассчитывается с использованием CEV. Кремний также снижает содержание эвтектоидного углерода. В зависимости от содержания кремния и скорости охлаждения содержание углерода в перлите снижается до 0,50% при 2,5% кремния.

Кремний сдвигает эвтектическую линию графита вверх, так что температурный интервал между линией графита и линией цементита увеличивается с 6 ° C при 0% Si до 35 ° C при 2% Si (это увеличивает степень переохлаждения, что способствует образованию графита. ).

Природа чугуна, белого или серого, может быть изменена путем изменения содержания углерода и кремния, а также скорости охлаждения. Для высокой прочности углерод держится на нижней стороне (чтобы иметь небольшой объем графита), а кремний — на верхней стороне (сохраняя баланс, чтобы получить хорошую обрабатываемость). Рис. 15.1 (а) показывает, что наибольшая структурная прочность достигается, когда углерод составляет около 2,75%, а кремний — около 1,5%, т.е. когда матрица полностью перлитная.

Рис.15.2 показывает, что перлитный серый чугун CEV = 4,2 должен иметь размер пластины толщиной от 15 до 4,5 мм или от 30 до 8,5 мм в диаметре. полоса, иллюстрирующая влияние скорости охлаждения. Легирующие элементы, добавленные для придания особых свойств, создают ощущение холода. Некабидообразующие элементы, такие как Ni, Al, Cu, способствуют образованию графита, тогда как карбидообразующие элементы, такие как Mn, Cr, Mo и т. Д., Способствуют образованию цементита.

В зависимости от потенции эффект обычно рассчитывается как эквивалент кремния:

Si Equ.Значение-% Si + 3 (% C) + 0,3 (Ni% +% Cu) + 0,5 (% Al) +% P — 0,25 (% Mn) — 0,35 (% Mo) — 1,2 (% Cr)… (15,1)

(c) Сера и марганец:

Сера (0,06-0,12%), когда она присутствует в виде FeS (который увеличивает склонность к хрупкости), имеет тенденцию способствовать образованию цементита, то есть замедляет графитизацию и увеличивает размер чешуек. Марганец (0,5-1,0%) является мягким карбидообразующим веществом и регулирует эффект серы, если присутствует достаточное количество Mn (одна часть серы на 1.72 части марганца), так как он имеет большее сродство к сере (чем Fe) с образованием MnS, который поднимается к верху отливки, чтобы присоединиться к шлаку, — таким образом устраняет красную непереносимость эвтектики FeS.

Марганец, таким образом, имеет косвенный эффект, способствуя графитизации, поскольку он удаляет серу (которая способствует образованию цементита). Более прямые эффекты марганца включают сильное стабилизирующее влияние цементита на эвтектоид-графитизацию (около 1% Mn может быть добавлено для получения перлитной матрицы в графитовых чугунах), упрочнение железа, измельчение зерен и увеличение прочности.

(г) Фосфор (0,1-0,9%):

Когда фосфор составляет менее 0,3%, он растворяется в феррите, в противном случае он образует Fe ₃ P, который образует эвтектику (91,19% Fe, 1,92% C, 6,89% P), называемую стеадитом, который является хрупким (вызывает хладостойкость , т. е. отливки непригодны по ударопрочности) и легкоплавкие, МП 960 ° С.

Это увеличивает диапазон эвтектического затвердевания и, таким образом, способствует образованию графита и улучшает литье даже тонких и сложных профилей.1% фосфора в чугуне дает стеадит, который составляет 10% от объема отливки; эффект охрупчивания стеадита очевиден.

2. Скорость охлаждения чугуна :

В сплавах Fe-C, хотя графит является более стабильной фазой, но образование цементита кинетически благоприятно, так как это легче и быстрее (для разделения требуется только 6,67% атомов углерода) с образованием цементита. Высокая скорость охлаждения предотвращает образование графита на всех стадиях (от жидкости до эвтектоидной реакции).

Однако, если содержание кремния превышает 3%, графит получается даже при быстром охлаждении отливки. На рис. 15.2 показано влияние размера сечения (то есть скорости охлаждения) и значения углеродного эквивалента на тип конструкции и, таким образом, на тип полученного чугуна.

Присутствие модификаторов, таких как Ca, Al, Ti, Zr, SiC, CaSi и т. Д., Уменьшает размер чешуек и улучшает однородность их распределения, вероятно, потому, что зародыши способствуют зарождению первичного аустенита, таким образом, уменьшая их зернистость. размер, а значит, и размер хлопьев, и лучшее распределение.

Сравнение свойств чугунов:

В таблице 15.6 сравниваются некоторые свойства некоторых чугунов. Серый чугун является самым дешевым и легким для получения прочного литья. Чугуны с компактным графитом обладают превосходными механическими свойствами даже при повышенных температурах, чем серый чугун, но они дороги и обычно не подвергаются термообработке.

Миханитовый чугун лучше серого чугуна, но немного дороже. Чугун S.G. подвергается большей усадке во время литья (требуются стояки большего размера и т. Д.) и являются дорогими, но обеспечивают гораздо более высокую прочность, пластичность и ударную вязкость. Ковкий чугун трудно отливать (как белый чугун), и есть ограничения по размеру сечения, чем у чугуна S.G.

В конечном виде они обычно стоят дороже, чем чугун S.G., но тонкие срезы ковкого чугуна могут быть предпочтительнее из-за более высокой прочности; Для получения более однородной структуры железо S.G. может потребоваться отжиг.

Для того, чтобы различить утюги, S.G. Iron дает отчетливое кольцо при ударе молотком (не такое чистое, как сталь), тогда как серое железо дает приглушенный звук.Однако при дыхании только что отполированной поверхностью S.G. железа возникает запах ацетиленового газа (его карбид магния вступает в реакцию с влагой из дыхания).

Наука о разработке микроструктур чугунов:

Графитовые чугуны содержат графит, внедренный в стальную матрицу, то есть феррит и перлит в различных пропорциях (от нуля процентов перлита до 100%). Свойства чугунов определяются как свойствами матрицы, так и количеством, размером, формой и распределением столь необходимых включений графита (для некоторых свойств, таких как обрабатываемость, демпфирующая способность, износостойкость и т. Д.). Чешуйки графита в сером чугуне обладают эффектом ослабления и охрупчивания, поскольку графит можно представить как пустоты или острые трещины, нарушающие целостность пластичной матрицы.

Острые концы каждой чешуйки действуют как внутренняя выемка, которая под воздействием напряжения действует как концентратор напряжения, легко распространяя трещину в пластической матрице, давая хрупкую, покрытую сажей, серую трещину при низких напряжениях от 150 до 400 МНм. ^-2 , в зависимости от характера матрицы; максимальное значение имеет место, когда матрица состоит только из тонкого перлита.

Термическая обработка серого чугуна может привести к образованию других структур матрицы, таких как отпущенный мартенсит, который обычно обладает более высокими прочностными свойствами, но такие важные свойства, как предел прочности на разрыв, ударная вязкость и пластичность, не сильно меняются, потому что хлопья вызывают хрупкое разрушение. . Прочностные свойства серого чугуна еще больше ухудшаются по мере увеличения объема графита, а чешуйки становятся крупнее. Замкнутая сеть чешуек графита приводит к худшим механическим свойствам.

Повышение прочности и ударной вязкости может быть достигнуто за счет уменьшения размера чешуек, например, в механитовом чугуне, и за счет уменьшения общего объема графита за счет меньшего содержания углерода и кремния. Затем прочность и ударную вязкость можно повысить за счет термической обработки, то есть путем изменения матрицы.

Охрупчивающий эффект графита может быть значительно уменьшен, поскольку форма графита изменяется от чешуйчатой ​​до сфероидальной, поскольку круглые включения графита не создают резких концентраций напряжений, поскольку они не действуют как острые трещины в матрице (даже короткие чешуйки- графитовые стержни со скругленными краями в чугуне с компактным графитом являются меньшим концентратором напряжений).

Таким образом, чугуны S.G. обладают более высокой прочностью на растяжение и изгиб, а также пластичностью. С той же стальной матрицей пластичность (выраженная в% удлинения) чугунов изменяется в зависимости от заданной формы графита, т.е. пластичность, по-видимому, больше зависит от формы и размера графита, чем от металлической матрицы в графитовых чугунах.

Твердость (макро) больше зависит от структуры матрицы и меньше от формы графита. Серый чугун обычно закаливают и отпускают для повышения его устойчивости к износу и истиранию за счет увеличения твердости за счет структуры, состоящей из графита, встроенного в твердый мартенсит.Чугун вообще никогда не закаливают в воде (за исключением поверхностного упрочнения), поскольку он имеет относительно высокую закаливаемость для получения мартенсита закалкой в ​​масле и без создания больших закалочных напряжений.

Поскольку графит в виде конкреций в шаровидном чугуне (а также в ковком чугуне) не является резким концентратором напряжений и не действует как трещина, изменение микроструктуры матрицы путем соответствующей термической обработки приводит к заметному увеличению прочностные свойства чугуна с шаровидным графитом (также ковкого чугуна), и поэтому подвергаются различной термообработке.

Когда графитовый чугун нагревается для термообработки, он имеет тенденцию к образованию защитной атмосферы при помещении в герметичную печь или коробку, в противном случае происходит нежелательное сильное окисление. Образуется субшкала силиката железа, которую можно удалить только электролизом расплавленных солей (процесс Колена). Лучше использовать атмосферу защитного газа, особенно для деталей после чистовой обработки.

Нагрев графитового железа может изменить его матрицу. Когда он нагревается, то при температурах, приближающихся к более низкой критической температуре, выше примерно 540 ° C, его кремний может вызвать диссоциацию цементита перлита на феррит и углерод.Углерод диффундирует в уже имеющийся графит и откладывается на нем.

Нижняя критическая температура чугуна рассчитывается как:

Нижняя критическая температура, ° C = 730 + 28 (% Si) — 25 (% Mn)… (15,2)

Когда этот чугун нагревается выше критической температуры, образуется аустенит, который за короткое время насыщается углеродом, растворенным в графите. Микроструктура чугуна при температуре немного выше T ₂ должна содержать графит и аустенит с точкой состава C ₁ , как показано на рис.15.14.

Если чугун нагревается до более высокой температуры, из графита растворяется больше углерода, чтобы насыщать аустенит при новой температуре. Например, при температуре T (≈ 900 ° C) аустенит имеет содержание углерода около 1,1%. Таким образом, как только аустенит получен, чугуны можно подвергать большей части термической обработки, как и сталям, при условии, что они экономичны с коммерческой точки зрения.

Химический состав также влияет на термообработку чугунов. В нелегированных чугунах есть кремний и марганец.Кремний ускоряет различные реакции, происходящие при термообработке; снижает растворимость углерода в аустените, увеличивает скорость диффузии углерода в аустените; значительно повышает температуру аустенизации, как указано в уравнении 15.2; уменьшает объем цементита в перлите, т.е. содержание углерода в перлите составляет менее 0,77% и может составлять 0,50% при 2,5% кремния.

Марганец оказывает противоположное действие — снижает температуру аустенизации; увеличивает растворимость углерода в аустените; уменьшает диффузию углерода в аустените; увеличивает объем цементита в перлите, т.е.е., увеличивает содержание углерода в перлите; стабилизирует перлитный карбид, тем самым увеличивает содержание перлита; уменьшает интервалы перлита, тем самым повышая прочность; увеличивает прокаливаемость, но обычно замедляет реакции термической обработки.

Cast Iron — обзор

1.2 Автомобильная промышленность

На автомобильном рынке свойства, представляющие интерес для автомобильного инженера, включают повышенную удельную жесткость, износостойкость и улучшенную стойкость к многоцикловой усталости (Allison and Cole 1993).В то время как снижение веса также важно в автомобильной промышленности, потребность в достижении повышения производительности с гораздо более низкими надбавками, чем допускаются в аэрокосмической сфере, привлекает внимание к дешевым материалам и процессам. Было замечено успешное применение MMC в некоторых автомобильных приложениях, в которых сочетание свойств и стоимости удовлетворяло конкретным потребностям.

(a) Двигатель

Замена стали и чугуна в двигателях основана на повышенной удельной жесткости, улучшенной износостойкости и, в некоторых случаях, на повышенной стойкости к многоцикловой усталости, обеспечиваемой MMC.

Водоразделом для алюминиевых MMC стал поршень Toyota для дизельных двигателей (Donomoto, и др. . 1983). Деталь состоит из выборочного армирования алюминиевого сплава заготовкой из рубленого волокна в области кольцевой канавки для обеспечения улучшенного сопротивления износу и термической усталости. Эти поршни серийно производятся в Японии с начала 1980-х годов.

Другие области применения поршней включают использование поковок из алюминия, армированного частицами SiC, в гонках.Благодаря более низкому коэффициенту теплового расширения MMC возможны уменьшенные зазоры между поршнем и стенкой цилиндра. На основании испытаний поршней MMC на велосипедах для дрэг-рейсинга, улучшенные характеристики по сравнению с обычными заэвтектическими сплавами Al – Si (Harrigan 1994).

Еще одно применение избирательного армирования — 2,3-литровый двигатель Honda Prelude (Hamajima и др. . 1990). В этом случае гибридные преформы, состоящие из волокон углерода и оксида алюминия, были пропитаны расплавленным алюминием, чтобы сформировать гильзы цилиндров во время процесса литья под давлением для блока цилиндров под средним давлением.

Другие компоненты трансмиссии, в частности шатуны, были в центре внимания разработок (Harrigan 1994). За счет уменьшения массы узла шатун / поршень можно уменьшить нежелательные вторичные силы сотрясения, которые могут возникнуть, особенно в двигателях меньшего размера. Кроме того, более низкие возвратно-поступательные нагрузки должны приводить к более низким нагрузкам на коленчатый вал, меньшим потерям на трение и повышению экономии топлива или производительности (Allison and Cole 1993). Коммерческое применение шатунов в крупногабаритных транспортных средствах не было достигнуто, в основном из-за сложности получения материала с необходимыми многоцикловыми усталостными характеристиками и низкой стоимостью комбинации.Хотя прототипы шатунов из горячекованой алюминиевой MMC были созданы и испытаны, требуется дальнейшее снижение затрат.

(b) Тормозная система

MMC на основе алюминия предлагают очень полезную комбинацию свойств для тормозных систем, заменяющих чугун. В частности, износостойкость и высокая теплопроводность алюминиевых MMC позволяют заменять роторы дисковых тормозов и тормозные барабаны с сопутствующей экономией веса порядка 50–60%. Поскольку снижение веса происходит за счет неподрессоренной массы, это также снижает инерционные силы и дает дополнительные преимущества.Кроме того, легкие роторы MMC обеспечивают повышенное ускорение и сокращенный тормозной путь. Сообщается, что на основе испытаний тормозного динамометра роторы MMC снижают шум тормозов, не так сильно изнашиваются и имеют более равномерное трение на протяжении всей последовательности испытаний по сравнению с чугунными роторами (Allison and Cole 1993). Достигнуто коммерческое применение алюминиевых MMC в тормозных роторах и барабанах; К ним относятся задние барабаны GM EV-1, а также роторы Plymouth Prowler и Lotus Elise.Примеры этих компонентов показаны на рис. 2.

Рис. 2. Компоненты тормозного ротора и тормозного барабана из литого алюминия MMC, армированного частицами SiC.

Также сообщалось о применении алюминиевых MMC в автомобильных гонках, где для улучшения характеристик приемлемы более дорогие материалы. Тормозные суппорты для гоночных автомобилей Формулы 1, произведенные из 2124 / SiC / 25p MMC, обеспечивают меньший рабочий объем, больший рычаг и более быструю остановку из-за повышенной жесткости материала (Hurley 1995).

(c) Приводной вал

Использование алюминиевых MMC в приводном валу позволяет использовать преимущества повышенной удельной жесткости этих материалов. Обычные приводные валы, будь то алюминиевые или стальные, ограничены скоростью, при которой вал становится динамически нестабильным. Критическая частота вращения карданного вала зависит от длины, внутреннего и внешнего радиуса и удельной жесткости. В автомобилях с ограничениями по упаковке, которые не позволяют увеличивать диаметр карданного вала, MMC предлагают желаемое решение.Использование MMC позволяет использовать карданный вал большей длины при заданном диаметре или валы меньшего диаметра при заданной длине. В результате этих преимуществ, карданные валы, состоящие из материалов 6061 / Al ₂ O ₃ , полученных литьем с перемешиванием и последующей экструзией в трубы, были применены в грузовиках GM S-T и Chevrolet Corvette.

(d) Другие автомобильные приложения

MMC, в частности те, которые основаны на алюминиевых матрицах, являются кандидатами для использования в тормозных суппортах, корпусах насосов, шестернях, клапанах, кронштейнах, шкивах, компрессорах турбонагнетателей и нагнетателей, а также компонентах подвески (Allison and Cole 1993).Кроме того, они упоминались для использования в деталях сцепления, толкателях подвески и коромыслах, а также в других деталях коробки передач и двигателя (Hurley 1995).

Опора двигателя для General Motors EV-1 была прототипирована из B ₄ C-армированного алюминия, произведенного методом литья под давлением (Froes 1999).

Шипы зимних шин изготовлены из тянутой проволоки 6061 / Al ₂ O ₃ . В Финляндии, где куртки со стальными шипами запрещены, а неармированный алюминий имеет недостаточную износостойкость, успешно применяются куртки с шипами MMC (Nussbaum 1997).

Что такое чугун

На главную> Советы и факты> Что такое чугун

Термин « чугун » обозначает целое семейство металлов с широким спектром свойств. Это общий термин, такой как сталь, который также обозначает семейство металлов. И стали, и чугуны в основном состоят из железа с углеродом (C) в качестве основного легирующего элемента. Стали содержат менее 2% и обычно менее 1% C, в то время как все чугуны содержат более 2% C.Около 2% — это максимальное содержание C, при котором железо может затвердеть как однофазный сплав со всем C в растворе в аустените. Таким образом, чугуны по определению затвердевают как гетерогенные сплавы и всегда имеют более одного компонента в своей микроструктуре.

В дополнение к C, чугуны также должны содержать значительное количество кремния (Si), обычно от 1 до 3%, и, таким образом, они фактически являются сплавами железо-углерод-кремний. Высокое содержание C и Si в чугунах делает их отличными литейными сплавами.Их температуры плавления заметно ниже, чем у стали. Расплавленный чугун более текуч, чем расплавленная сталь, и менее вступает в реакцию с формовочными материалами. Образование графита более низкой плотности в чугуне во время затвердевания уменьшает изменение объема металла от жидкого к твердому и делает возможным производство более сложных отливок. Однако чугуны не обладают достаточной пластичностью для прокатки или ковки.

Различные типы чугуна не могут быть определены по химическому составу из-за сходства между типами.В таблице 1 перечислены типичные диапазоны составов для наиболее часто определяемых элементов в пяти основных типах чугуна.

Таблица 1. Диапазон составов для типичных нелегированных чугунов

Существует шестая классификация для коммерческих целей — высоколегированные чугуны. Они имеют широкий диапазон базового состава, а также содержат большое количество других элементов.

Наличие определенных второстепенных элементов также имеет жизненно важное значение для успешного производства каждого типа железа. Например, зародышеобразователи, называемые модификаторами, используются при производстве серого чугуна для контроля типа и размера графита. Незначительные количества висмута и теллура используются в производстве ковкого чугуна, а присутствие нескольких сотых процента магния (Mg) вызывает образование сфероидального графита в высокопрочном чугуне.

Кроме того, состав чугуна должен быть адаптирован к конкретным отливкам.Мелкие и крупные отливки из одного сорта чугуна не могут быть изготовлены из металла одного и того же состава. По этой причине большинство отливок из чугуна покупают на основе механических свойств, а не состава. Обычное исключение — отливки, требующие особых свойств, таких как коррозионная стойкость или устойчивость к повышенным температурам.

Различные типы чугуна можно классифицировать по их микроструктуре. Эта классификация основана на форме и форме, в которой основная часть углерода содержится в железе.Эта система предусматривает пять основных типов: серый чугун, высокопрочный чугун, ковкий чугун, чугун с компактным графитом (CGI) и белый чугун. Каждый из этих типов может подвергаться умеренному легированию или термообработке без изменения его основной классификации. Высоколегированные чугуны, обычно содержащие более 3% добавленного сплава, также могут быть индивидуально классифицированы как серые или высоколегированные чугуны или белые, но высоколегированные чугуны коммерчески классифицируются как отдельная группа.

Далее: Серый чугун >>

Если вы хотите получить дополнительную информацию о Atlas Foundry Company, отливках из серого чугуна и других услугах, которые мы предоставляем, позвоните нам по телефону (765) 662-2525 , заполните контактную форму или напишите в отдел продаж.

Услуги |
Продукты |
Оборудование |
Преимущества |
FAQs

Советы и факты |
Ссылки |
О литейной фабрике Атлас |
Глоссарий литейного производства

Связаться с Atlas Foundry |
Карта сайта |
Вернуться домой

Atlas Foundry Company, Inc.
601 N. Henderson Avenue
Marion, IN 46952-3348
Телефон: (765) 662-2525 • Факс: (765) 662-2902
Электронная почта: Atlas Foundry • Продажи: Продажа по электронной почте

Авторские права © 2001-2018 Atlas Foundry Company Inc.Все права защищены.

Чугун | металлургия | Britannica

Чугун , сплав железа, содержащий от 2 до 4 процентов углерода, а также различные количества кремния и марганца и следы примесей, таких как сера и фосфор. Его получают путем восстановления железной руды в доменной печи. Жидкий чугун разливают или разливают и закаляют в сырые слитки, называемые чушками, а затем чуши переплавляют вместе с ломом и легирующими элементами в вагранках и перерабатывают в формы для производства различных продуктов.

Подробнее по этой теме

Военная техника: Чугунная пушка

В 1543 году английский пастор, работая по королевскому заказу Генриха VIII, усовершенствовал метод литья, достаточно безопасный с точки зрения эксплуатации …

Китайцы производили чугун еще в VI веке до нашей эры, а в Европе к XIV веку производили его спорадически.Он был завезен в Англию около 1500 г .; первый чугунолитейный завод в Америке был основан на реке Джеймс, штат Вирджиния, в 1619 году. В 18-19 веках чугун был более дешевым конструкционным материалом, чем кованое железо, поскольку не требовал интенсивной очистки и работы с молотками, но был более дорогостоящим. хрупкие и с низкой прочностью на разрыв. Тем не менее, его несущая способность сделала его первым важным конструкционным металлом, и он использовался в некоторых из самых ранних небоскребов. В 20 веке сталь заменила чугун в строительстве, но чугун по-прежнему находит множество промышленных применений.

Большая часть чугуна — это так называемый серый чугун или белый чугун, цвета показаны трещинами. Серый чугун содержит больше кремния, менее твердый и поддается механической обработке, чем белый чугун. Оба они хрупкие, но ковкий чугун, полученный с помощью длительной термообработки, был разработан во Франции в 18 веке, а чугун, который является пластичным после литья, был изобретен в Соединенных Штатах и ​​Великобритании в 1948 году. основное семейство металлов, которые широко используются для изготовления шестерен, штампов, коленчатых валов автомобилей и многих других деталей машин.

Типы и состав чугуна

Термин чугун используется для описания всего семейства металлов.
с широким спектром свойств. Как и сталь, он также является универсальным
термин, обозначающий семейство металлов. Обе стали, а также литые
железо в основном состоит из железа с углеродом (C) в качестве основного легирующего элемента.

Хотя стали составляют менее 2% и обычно менее 1%
углерод; все чугуны содержат более 2% углерода. Два процента — это
максимальное содержание углерода, при котором железо может стать твердым
однофазный сплав со всем углеродом в растворе в аустените.Таким образом, можно сказать, что чугуны затвердевают как неоднородные.
сплавов и всегда содержат более одной составляющей в их микропроцессорных
состав.

Литые чугуны, помимо углерода, также содержат кремний (Si), как правило
от 1–3%, а значит, можно сказать, что они действительно
сплавы железо-углерод-кремний. Высокое содержание углерода и кремния в
чугуны делают их отличными литейными сплавами. Таяние
температура чугунов значительно ниже, чем у стали.Расплавленное железо более жидкое, чем расплавленная сталь, и менее
реагирует с формовочными материалами. В процессе затвердевания
В чугуне образуется графит низкой плотности. Эта низкая плотность
графит уменьшает изменение объема металла от жидкого до
твердое состояние и позволяет изготавливать более сложные отливки
возможный. Однако на самом деле чугуны не имеют
адекватная пластичность для ковки или прокатки.

Чугуны бывают разных типов, но они не могут быть
определяется химическим составом из-за сходства
между типами. В приведенной ниже таблице показаны отличительные
диапазоны составов для наиболее часто определяемых элементов в
5 основных типов чугуна.

Диапазон составов для типичных нелегированных чугунов

Для коммерческих целей диапазон составов может быть
к шестому типу — высоколегированные чугуны.У них есть
широкий диапазон базового состава, а также другие элементы
в значительных количествах.

Наличие некоторых второстепенных элементов также критично для
успешное производство различных видов чугуна. Например,
зародышеобразователи, известные как модификаторы, используются в производстве
серого чугуна для контроля типа и размера графита. Пока висмут
и теллур используются в небольших количествах для производства пластичных
утюг; наличие нескольких сотых процента магния (Mg)
способствует образованию сфероидального графита в высокопрочном чугуне.

Кроме того, состав утюга должен быть адаптирован к
подходят к конкретным отливкам. Определенный состав металла не может быть
используется для изготовления малых и больших отливок одной марки
железа. По этой причине большая часть отливок из чугуна покупается.
на основании механических свойств, а не состава. An
важное исключение составляют отливки, требующие особого
свойства, такие как — коррозионная стойкость или повышенная температура
сила.

Различные типы чугунов можно классифицировать на основе
их микроструктура. Классификация зависит от формы и
форма, в которой основной компонент углерода находится в железе.
Эта система позволяет использовать пять основных типов — серый чугун, высокопрочный чугун,
ковкий чугун, чугун с компактным графитом (CGI) и белый чугун. Все
эти различные типы утюгов могут быть термически обработаны или умеренно
легированы без изменения его основной классификации.Высоколегированный
чугуны, которые обычно содержат более 3% добавленного сплава, могут быть
отдельно классифицируется как серый или ковкий чугун или белый, однако
высоколегированные чугуны коммерчески классифицируются как особая группа.

ГЛАВНАЯ | БЛОГ Кастинга | СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ

Химический состав чугуна в Китае

Чугун

Чугун

Чугуны обычно содержат 2-4 мас.% Углерода с высокой концентрацией кремния и большей концентрацией примесей, чем стали.Углеродный эквивалент (CE) чугуна помогает различить серый чугун, который остывает до микроструктуры, содержащей графит, и белый чугун, где углерод присутствует в основном в виде цементита. Углеродный эквивалент определяется как:

Высокая скорость охлаждения и низкий углеродный эквивалент благоприятствуют образованию белого чугуна, тогда как низкая скорость охлаждения или высокий углеродный эквивалент способствует образованию серого чугуна.

Во время затвердевания большая часть углерода выпадает в виде графита или цементита.Когда затвердевание только что завершается, осажденная фаза погружается в матрицу аустенита, которая имеет равновесную концентрацию углерода около 2 мас.%. При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените уменьшается по мере того, как из твердого раствора выпадает больше цементита или графита. В случае обычных чугунов аустенит затем разлагается на перлит при температуре эвтектоида. Однако в серых чугунах, если скорость охлаждения за счет температуры эвтектоида достаточно мала, то получается полностью ферритная матрица с отложением избыточного углерода на уже существующем графите.

Белый чугун твердый и хрупкий; их нелегко обработать.

Фазовая диаграмма железо-углерод, показывающая эвтектические и эвтектоидные реакции. Воспроизведено с разрешения Jud Ready из Технологического института Джорджии. Объединенное студенческое отделение ASM / TMS.

Серый чугун более мягкий с микроструктурой графита в матрице из преобразованного аустенита и цементита. Чешуйки графита, которые представляют собой трехмерные розетки, имеют низкую плотность и, следовательно, компенсируют сжатие при замерзании, что дает хорошие отливки без пористости.

Чешуйки графита обладают хорошими демпфирующими характеристиками и хорошей обрабатываемостью (потому что графит действует как стружколом и смазывает режущие инструменты. В приложениях, связанных с износом, графит полезен, потому что он помогает удерживать смазочные материалы. Однако чешуйки графита также являются концентраторами напряжений, что приводит к плохой ударной вязкости. Рекомендуемое прилагаемое напряжение растяжения составляет лишь четверть его фактического предела прочности на разрыв.

Известно, что сера в чугунах способствует образованию чешуек графита.Графит может быть вызван осаждением сфероидальной формы путем удаления серы из расплава с использованием небольшого количества карбида кальция. За этим следует небольшое количество магния или церия, которые отравляют предпочтительные направления роста и, следовательно, приводят к изотропному росту, что приводит к образованию сфероидов графита. Обработка кальцием необходима перед добавлением магния, поскольку последний также имеет сродство как к сере, так и к кислороду, тогда как его сфероидизирующая способность зависит от его присутствия в растворе в жидком железе.Магний часто добавляют в виде сплава с железом и кремнием (Fe-Si-Mg), а не в виде чистого магния.

Однако магний имеет тенденцию способствовать осаждению цементита, поэтому также добавляют кремний (в форме ферросилиния), чтобы обеспечить осаждение углерода в виде графита. Ферросиликон известен как модификатор .

Чугун с шаровидным графитом обладает превосходной вязкостью и широко используется, например, в коленчатых валах.

Последний прорыв в производстве чугунов заключается в том, что матрица чугуна с шаровидным графитом представляет собой не перлит, а бейнит.Это приводит к значительному повышению прочности и прочности. Бейнит получают путем изотермического превращения аустенита при температурах ниже той, при которой образуется перлит.

Вы можете щелкнуть изображения, чтобы увеличить их. Также можно загружать изображения с очень высоким разрешением (6 Мбайт каждое), а также кристаллические структуры феррита, цементита, графита и аустенита.

Химический состав чугуна аналогичен химическому составу серого чугуна, но с 0.05 мас.% Магния. Все образцы протравлены с использованием 2% нитала.

Чугун с шаровидным графитом обычно имеет перлитную матрицу. Однако отжиг вызывает осаждение углерода в перлите на имеющийся графит или образование дополнительных мелких частиц графита, оставляя после себя ферритную матрицу.Это придает утюгу еще большую пластичность. Все образцы протравлены с использованием 2% нитала.

Химический состав чугуна — Fe-3.52C-2,51Si-0,49Mn-0,15Mo-0,31Cu мас.%. Все образцы протравлены с использованием 2% нитала. Цветные микрофотографии получают путем первого травления 2% ниталем с последующей термообработкой металлографического образца на открытом воздухе при 270, 90 · 107 o 90 · 108 C в течение 3 часов. Это окисляет образец и дает интерференционные цвета, зависящие от фазы.

На следующих изображениях автомобильные компоненты из закаленного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом предоставлены Институтом инженеров по литью металлов.Чтобы избежать деформации, коленчатый вал спортивного автомобиля TVR подвергается грубой механической обработке после литья, термообработке для получения бейнитной микроструктуры, а затем соответствующей механической обработке. Сообщается, что он обладает отличными усталостными свойствами; его демпфирующие характеристики из-за графита снижают шум двигателя.

Рычаг подвески Ford Mustang был изготовлен из закаленного высокопрочного чугуна с целью снижения веса, шума и стоимости. Он был разработан с использованием моделирования методом конечных элементов для оптимизации прочности и жесткости.Были рассмотрены алюминиевые сплавы, но от них отказались, поскольку в этом случае компонент занимал бы гораздо больше места из-за их меньшей прочности.

Рычаг подвески прицепа грузовика изначально был изготовлен из сварной стали для использования при транспортировке по суровой австралийской глубинке. Они вышли из строя на сварных швах и были связаны с деформациями, которые привели к ускоренному износу шин. Подвеска, изготовленная из литого высокопрочного чугуна с закалкой, оказалась намного более прочной.

Чугун

Blackheart получают путем нагревания белого чугуна при температуре 900-950 ^o C в течение многих дней перед медленным охлаждением.Это приводит к микроструктуре, содержащей нерегулярные, хотя и равноосные узелки графита в ферритной матрице. Термин «черное сердце» происходит от того факта, что поверхность излома имеет серый или черный цвет из-за присутствия графита на поверхности. Целью термической обработки является повышение пластичности чугуна. Однако этот процесс в настоящее время устарел, поскольку сфероидальный графит может быть получен непосредственно при отливке путем модифицирования магнием или церием. Все образцы протравлены с использованием 2% нитала.

Этот чугун используется в случаях, когда желательна очень высокая износостойкость. Например, при сильном дроблении горных пород и полезных ископаемых. Он содержит комбинацию очень прочных карбидообразующих легирующих элементов.Следовательно, его химический состав составляет Fe-2,6C-17Cr-2Mo-2Ni мас.%.

Все образцы травятся с использованием реактива Виллелы, который представляет собой смесь пикриновой кислоты, соляной кислоты и этанола. Материал, из которого были получены эти микрофотографии, был любезно предоставлен доктором Арнольдо Бедолла-Хакуинде из Мексики. Подробная информация о чугуне опубликована в International Journal of Cast Metals Research, 13 (2001) 343-361.

Процесс литья никогда не бывает идеальным, особенно при работе с крупными деталями.Вместо того, чтобы списывать дефектные отливки, их часто можно отремонтировать сваркой. Естественно, очень высокая концентрация углерода в типичных чугунах вызывает трудности из-за введения хрупкого мартенсита в зону термического влияния сварного шва. Поэтому необходимо предварительно нагреть до температуры около 450 ° C с последующим медленным охлаждением после сварки, чтобы избежать растрескивания.

Материалы, используемые в качестве наполнителей во время сварки, обычно содержат большие концентрации никеля, поэтому получаемый аустенитный металл сварного шва нечувствителен к улавливанию углерода из чугуна.Отложения мягкие и могут быть обработаны для придания необходимой формы и отделки. Конечно, никель стоит дорого, поэтому при крупном ремонте сварной зазор сначала покрывается («смазывается маслом») богатым никелем наполнителем, а затем оставшийся зазор заполняется менее дорогим присадочным металлом из мягкой стали.

Первый в мире железный мост в 1779 году. Вся конструкция сделана из чугуна. Фотографии любезно предоставлены Ёкота Томоюки и его семьей.

жетон полпенни Коулбрукдейла, 1792 год

На фотографиях ниже показан жетон в полпенни, отчеканенный в 1792 году, на одной стороне которого изображен корабль, проходящий под первым в мире железным мостом. Железная руда и уголь транспортировались по каналу, но металлургический завод в Кетли находился на 22 м выше этого канала. Поэтому была построена «наклонная плоскость» (2-е изображение), чтобы лодки можно было поднимать через люльку и шлюз в верхнюю часть канала, ведущего к металлургическому заводу.

Токен предоставлен Майклом Куком.

Чугун имеет «твердый вид» и привлекательный внешний вид. Есть много обычных применений чугуна.

Следующие фотографии были любезно предоставлены Беном Деннисом-Смитером, Фрэнком Кларком и Мохамедом Шерифом.

Следующие фотографии были любезно предоставлены Джимом Чарльзом.

Узоры в чугунных элементах и ​​окружающей среде

Фотографии любезно предоставлены Мэтью Питом

Чугун, Буэнос-Айрес, Аргентина

Чугунные ворота дворца Гуэля работы Гауди в Барселоне

Следующие фотографии любезно предоставлены Франциской Кабальеро и Карлосом Капдевилой Монтес.