Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 3 страница
Естественное старение стараются не применять, а заменяют его низкотемпературным отжигом (500... 600 или 200... 300 °С) или методами статического и динамического (вибрация) нагружения.
Кроме того, для повышения релаксационной стойкости применяют метод термоудара, заключающийся в создании в отливках при быстром их нагреве до температуры 200...400°С температурных напряжений, вызывающих временную перегрузку.
Пути повышения прочностных свойств серого чугуна. Когда требуется сделать выбор из двух соседних марок чугуна, например СЧ20 и СЧ25, то по сути решается вопрос о том, как обеспечить увеличение прочности. Здесь у технологов существует несколько возможностей.
Первый путь можно установить, анализируя данные ГОСТ 1412-85 (см. табл. 5.1), согласно которым для увеличения прочности и твердости необходимо уменьшить содержание углерода, а следовательно, графита в чугуне. При этом уменьшается углеродный эквивалент Сэкв и суммарное содержание С + Si (немного уменьшается и содержание кремния). Из структурных диаграмм известно, что с уменьшением содержания С + Si растет вероятность отбела, поэтому второй путь повышения прочности - модифицирование. Высокие марки чугуна, начиная с СЧ25, невозможно получить без модифицирования. Третий путь повышения прочности - легирование главным образом хромом и никелем. В чугунах марок СЧ25 и выше наблюдается в основном перлитная структура. Легирование перлита естественно повышает прочность. И, наконец, четвертый путь - снижение содержания S и Р как вредных примесей.
Особенности литейных свойств. Серый чугун обладает очень хорошими литейными свойствами. Жидкотекучесть серых чугунов, как правило, выше, чем углеродистых сталей.
Серые чугуны при введении в их состав до 1,0 % фосфора применяются для художественного литья (примером являются каслинские художественные отливки).
При несколько меньшем (до 0,6 %) содержании фосфора из серого чугуна индивидуально отливают поршневые кольца с толщиной стенки около 3 мм. Отливка тонкостенных отливок из серого чугуна в металлические формы представляет значительные сложности, главным образом, из-за отбела.
Эвтектические и околоэвтектические чугуны к усадочным раковинам и пористости практически не склонны, и отливки из них изготовляются без прибылей благодаря расширению чугуна вследствие выделения графита в некотором интервале температур после затвердевания.
Доэвтектические чугуны, особенно чугуны высоких марок, склонны к образованию усадочных дефектов, и отливки из них изготовляются с небольшими прибылями. Число прибылей минимальное, так как расстояние, на которое действует прибыль, достигает более 1,5 м.
Только в некоторых случаях для отливок диаметром свыше 500 мм, например автомобильных тормозных барабанов, требуется вторая боковая сливная прибыль, расположенная напротив проливной в месте подвода металла.
Следует еще раз напомнить, что, несмотря на малую объемную усадку, отливки из чугуна высоких марок, начиная с СЧ25, получить без усадочных дефектов непросто, так как расширение чугуна происходит после затвердевания и объем прибылей зависит от податливости литейной формы.
Отливки из серого чугуна к горячим трещинам практически не склонны, так как при температурах вблизи интервала кристаллизации отливки расширяются, расширение происходит в уже затвердевшей корке, и растягивающие механические напряжения в интервале температур кристаллизации практически не возникают. Однако при последующем охлаждении проявляется большая склонность отливок из серого чугуна к холодным трещинам, поэтому их стараются как можно раньше выбивать из металлических форм.
Из-за склонности серого чугуна к холодным трещинам крупные отливки выбивают при температурах около 200 °С. Причиной холодных трещин в этих отливках является их более интенсивное неоднородное охлаждение на воздухе после выбивки (по сравнению с песчано-глинистой формой) из-за неоднородного освобождения от формовочной смеси и стержней. Покрытые формовочной смесью участки охлаждаются медленнее, чем освободившиеся от смеси. Вследствие этого возникает большая разность температур в отливке, приводящая к высоким временным напряжениям и разрушению отливки.
Как уже отмечалось ранее, очень сильно способствуют образованию холодных трещин отбеленные участки отливок и заливы, в которых, как правило, также наблюдается структура белого чугуна из-за большой скорости охлаждения.
Склонность чугуна к насыщению газами и образованию газоусадочной пористости следует признать умеренной. Основные проблемы связаны с образованием газовых раковин, которые образуются при выделении газов из форм и стержней, а также в случае неправильно сконструированной литниковой системы, в которой происходит подсос газов и их захват.
Аналогично, склонность к ликвации и неметаллическим включениям также не создает особых проблем, исключая шлаковые и песчаные включения, которые часто попадают в отливку.
В то же время, серый чугун является одним из самых чувствительных сплавов к изменению механических свойств в зависимости от толщины стенки (см. подразд. 3.12). Физические свойства серого чугуна (СЧ) в сравнении со свойствами высокопрочного чугуна (ВЧ), чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) и ковкого чугуна (КЧ) приведены в табл. 5.3.
Следует обратить внимание на больший коэффициент теплопроводности X серого чугуна по сравнению с другими чугунами. Поэтому температурные напряжения в сером чугуне также будут меньше из-за уменьшения перепадов температур.
Пластинчатый графит кроме положительного и отрицательного воздействия на структуру, которое было отмечено выше, сильно влияет также на герметичность, под которой понимается способность материала противостоять фильтрации жидкости или газа. В отливках из чугуна с графитом, особенно из серого чугуна, кроме усадочной, газовой и газоусадочной пористости отмечают еще и графитную пористость, которая зависит от размера и формы графита. Считается, что причиной низкой герметичности чугунов является грубая форма пластинчатого графита. Между
| Таблица 5.3 Физические свойства чугунов
|
| Примечание, р — плотность; а7 — температурный коэффициент линейного расширения; X — коэффициент теплопроводности; с — теплоемкость. |
грубым графитом и металлической матрицей при охлаждении образуются микропоры вследствие разных температурных коэффициентов линейного расширения: 12-10"6 К"1 для железа и 26 • 10"6 К"1 для графита перпендикулярно базису. Гидро- и пнев- моплотность возрастают с уменьшением углеродного эквивалента и толщины стенки (увеличением скорости затвердевания). При этом для чугуна не свойственно общее правило, в соответствии с которым герметичность сплавов возрастает с уменьшением интервала кристаллизации. Эффективным средством повышения герметичности является легирование 0,2...0,25% Ni и 0,2... 0,3 % Си.
5.3. Высокопрочный чугун
В настоящее время чугун с шаровидным графитом чаще называется высокопрочным. Как отмечено выше, концентрация напряжений около включений графита шаровидной формы в два и более раза меньше, чем для графита пластинчатой формы. Поэтому высокопрочный чугун имеет не только высокую прочность, но и заметные пластические свойства, что позволяет изготовлять из него отливки-детали, работающие при ударных нагрузках. При этом экономически выгодно заменять отливки из углеродистой стали и ковкого чугуна отливками из высокопрочного чугуна. Так, по американским данным, удельный расход электроэнергии, кВт - ч/т отливок, составляет: 3100 для серого и высокопрочного чугуна, 5700 для углеродистой стали и 6400 для ковкого чугуна. Такие отливки, как ступицы переднего и заднего колеса, изготовляют из высокопрочного чугуна взамен ковкого, а коленчатый вал - из высокопрочного чугуна взамен углеродистой стали.
Обязательным при производстве отливок из высокопрочного чугуна является модифицирование с целью получения шаровидного графита, низкое содержание серы (менее 0,012%) при отсутствии в химическом составе демодификаторов (Bi, Se, Al, Ti, As, Pb).
Самыми распространенными являются модификаторы на основе магния, в частности лигатуры магния с ферросилицием ФСМг, а также лигатуры Ni-Si-Mg, ЖКМК (Fe-Si-Mg-Ca) и KM (Si-Ca-Mg). Для модифицирования используют также редкоземельные металлы (РЗМ - La, Се, Nd и др.).
По ГОСТ 7283-85 высокопрочный чугун подразделяется на восемь марок (табл. 5.4). В обозначении марки кроме букв ВЧ (высокопрочный чугун) приводится цифра - временное сопротивление св, кгс/мм2, т. е. предел прочности при растяжении.
По металлической матрице чугуны подразделяются на феррит- ные, перлито-ферритные, перлитные и бейнитные. Чугуны первых двух типов производят в литом состоянии без термической
Таблица 5.4
Механические свойства*1 и рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по ГОСТ 7283—85
*' ав- временное сопротивление; ат — предел текучести; 5 — относительное удлинение; НВ — твердость по Бринеллю. *2 Содержание примесей: Р не более 0,1 %; S не более 0,02%. *3 Ударная вязкость KCU более 0,13 кДж/м2. |
обработки, перлитные чугуны получают с нормализацией, а бей- нитные - с закалкой и отпуском.
Для формирования в структуре шаровидного графита необходимо, чтобы количество усвоенного модификатора соответствовало 0,03...0,06 %. При меньшем количестве образуется не шаровидный, а пластинчатый графит, при большем появляется отбел, т. е. возникает необходимость в термической обработке.
Не следует забывать, что при вводе магниевых лигатур на дно ковша и при заливке в него чугуна наблюдается пироэффект, связанный с испарением магния при 1083 °С. В связи с этим чистый магний закладывать на дно ковша нельзя, так как произойдет выброс жидкого металла (как при попадании воды под жидкий металл). Поэтому модифицирование чистым магнием проводят в автоклавах. Наработан положительный опыт на КамАЗе и на других заводах модифицирования в литейной форме - Inmold-npo- цесс. Этот способ обеспечивает уменьшение расхода дорогостоящего модификатора, структура чугуна получается без термической обработки в литом состоянии, время между процессом модифицирования и моментом заливки равно практически нулю, т. е. решается проблема, связанная с кратковременностью действия модификатора. В то же время уменьшается производительность (на модельной плите располагаются реакционные камеры, в которые засыпается модификатор, и число отливок уменьшается), снижается выход годного. К положительным сторонам Inmold-процесса следует также отнести уменьшение предусадочного расширения и уменьшение объема прибылей до 40 %.
В отличие от пластинчатого графита в сером чугуне, который практически пронизывает металлическую матрицу, включения шаровидного графита разобщены (как и включения хлопьевидного графита отжига в ковком), поэтому в высокопрочном чугуне коэффициент теплопроводности практически в два раза меньше, чем в сером чугуне.
Увеличение теплопроводности серого чугуна связано с тем, что для графита X = 160, а для железа X = 87 Вт/(м-К). Поэтому детали из серого чугуна будут лучше работать в условиях тепло- смен и перепадов температур, чем из высокопрочного чугуна.
Особенности литейных свойств высокопрочного чугуна. Жидкотекучесть высокопрочного чугуна выше, чем жидкотекучесть серого чугуна, поэтому тонкостенные отливки высокопрочного чугуна получаются без проблем. Усадочные свойства в значительной степени зависят от литой структуры отливки. Если отливка затвердевает «по-белому», то в ней образуются усадочные раковины и необходимы прибыли, как и для белого чугуна. Объем усадочных дефектов достигает 6 % и более; возникают горячие и холодные трещины. Если структура высокопрочного чугуна получается в литом состоянии (как правило, при использовании вторичного модифицирования ферросилицием), т.е. при затвердевании не выделялся структурно свободный цементит, а происходила графитизация, то объем прибылей и объем усадочных дефектов уменьшается на 20... 30 % и составляет 4,5... 5,5 %. Горячих трещин при этом не возникает, холодные трещины образуются реже, чем при затвердевании «по-белому».
При модифицировании в литейной форме (при реализации Inmold-процесса) объем усадочных дефектов уменьшается еще на 30...40% за счет выделения большего количества графита и составляет 3,0...4,5 %. Простые тонкостенные отливки из ферритно- го высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (типа патрубков) небольшой массы можно отливать без прибылей (при этом литейные формы изготовляются из высокопрочных смесей).
Линейная усадка отливок высокопрочных чугунов меньше, чем в случае серых чугунов, в связи с тем, что в первых большее пре- дусадочное расширение, главным образом из-за графитизации сразу после затвердевания. При модифицировании в ковше оно составляет 0,4...0,5%, а при модифицировании в форме - 0,2... 0,22 %. Поэтому при переходе на Inmold-процесс модельную оснастку необходимо переделывать, так как линейная усадка отливок различается в этих двух случаях на такую же величину (при Inmold-процессе линейная усадка больше).
Остальные литейные свойства (газонасыщение, ликвация, изменение механических свойств в зависимости от толщины стенки) такие же, как у серого чугуна.
При содержании серы более 0,012 % отливки поражаются неметаллическими включениями — «черными пятнами», состоящими из MgS, MnS, MgO.
Из других технологических свойств следует прежде всего отметить более высокую герметичность высокопрочных чугунов из-за отсутствия графитной пористости, и эти чугуны можно использовать для отливки деталей, работающих при давлениях 40 МПа (400кгс/см2) и выше.
Обрабатываемость высокопрочного чугуна, определяемая, например, по стойкости резца, зависит от твердости НВ металлической матрицы. Чистота поверхности деталей из высокопрочного чугуна выше, чем деталей из серого чугуна, вследствие обособленности включений графита.
Благодаря высоким показателям и хорошему сочетанию прочностных, эксплуатационных, физических и технологических свойств высокопрочный чугун находит очень широкое применение во всех отраслях промышленности. Как показывает зарубежный и отечественный опыт, изделия из высокопрочного чугуна во многих случаях заменяют стальное литье, стальные поковки, изделия из ковкого и серого чугуна.
Преимуществом высокопрочного чугуна перед сталью является меньшая плотность, а значит, и меньшая масса, которая еще более снижается в связи с тем, что из этого чугуна можно отливать более тонкостенные детали благодаря его более высокой жидкотекучести. Важным преимуществом в этом отношении является также более низкая температура плавления (примерно на 300 °С), что облегчает и удешевляет процесс плавки. Кроме того, значительно упрощается и удешевляется изготовление литейных форм, так как не требуются дорогие формовочные материалы, специальная керамика для литниковых систем и т.п. К большим преимуществам высокопрочного чугуна относятся также меньшая склонность к образованию горячих трещин и большая циклическая вязкость.
В сравнении с ковким чугуном преимуществами высокопрочного чугуна являются лучшие литейные и более высокие механические свойства, возможность во многих случаях обходиться без термической обработки, а также возможность применения для изготовления деталей любых сечений, массы и размеров.
Высокие значения механических свойств высокопрочного чугуна дают также возможность заменять им серый чугун, при этом достигаются уменьшение толщины стенок и снижение массы отливок. Например, при переходе на высокопрочный чугун значительно уменьшается толщина водопроводных труб, уменьшается масса тюбингов метрополитенов и подземных шахт, при этом металлоемкость конструкций снижается в 1,5-2 раза [11].
5.4. Чугун с вермикулярным графитом
Сначала чугун с вермикулярным графитом считался браком при изготовлении отливок из высокопрочного чугуна. Однако позже выяснилось, что такой чугун обладает рядом специфических свойств, которые дают довольно широкие возможности для его использования: некоторая пластичность (относительное удлинение 2...5 %), повышенный по сравнению с высокопрочным чугуном коэффициент теплопроводности, литейные свойства, близкие к серому чугуну, а также меньшая по сравнению с серым чугуном чувствительность к толщине стенок.
В структуре чугуна с вермикулярным графитом всегда имеется некоторое количество шаровидного графита, остальной графит округлой продолговатой формы, особенно на концах включений, поэтому концентрация напряжений около таких включений меньше, чем у серого чугуна, с чем и связано появление пластических свойств.
К известным способам его получения относится обработка расплава модификатором с РЗМ (церием, иттрием и др.).
Оптимальную совокупность названных свойств обеспечивает ввод 0,6...0,8% модификатора (при содержании S 0,01...0,03 %), при этом остаточное содержание РЗМ 0,1...0,15%, в том числе 0,02...0,06% церия.
Металлическая матрица чугуна с вермикулярным графитом может быть перлитной или перлито-ферритной, как у серого чугуна. Наилучшие литейные и физико-механические свойства обеспечивает чугун, в составе которого 20...30% шаровидного и 70... 80 % вермикулярного графита при содержании, %: С 3,5... 3,6; Si 2,4...2,6; Мn 0,6...0,8; Р 0,02...0,06; S 0,01...0,03.
После обработки лигатурой требуется вторичное модифицирование для предотвращения отбела. Чаще всего для этого используется ферросилиций ФС75 в количестве 0,3...0,8 % в зависимости от степени эвтектичности.
Механические свойства (св, 8) и объем усадочных раковин (Vp) в отливках из чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ) в зависи мости от количества шаровидного графита приведены в табл. 5.5.
Таблица 5.5
Зависимость механических свойств
и объема усадочных раковин в ЧВГ от содержания шаровидного графита (ШГ)
|
Следует отметить, что сочетание высоких механических свойств (прочности и пластичности) и повышенного коэффициента теплопроводности (по сравнению с высокопрочным чугуном) (см. табл. 5.3) позволяет использовать его взамен серого чугуна для ответственных деталей общего машиностроения, особенно для деталей, работающих в условиях теплосмен и значительных перепадов температур, например в дизелестроении. При этом, как уже было отмечено, чугун с вермикулярным графитом допускает в отливках большую разностенность (меньшую склонность к изменению механических свойств от толщины стенки). Модельно-стержневая оснастка, сделанная для отливок из серого чугуна, может быть использована без изменений для отливок из чугуна с вермикулярным графитом.
5.5. Ковкий чугун
Ковкий чугун (КЧ) характеризуется высокими прочностью ав = = 300...800 Н/мм2 (30...80 кгс/мм2) и пластичностью 6 = 1,5... 12,0%, что и послужило основанием для того, чтобы называть его ковким, хотя ковке он не подвергается, за исключением операции правки отливок. Названные свойства позволяют использовать его для тяжелонагруженных деталей, испытывающих динамические нагрузки. Однако в последнее время наметилась тенденция к замене ковкого чугуна высокопрочным как из экономических, так и из технических предпосылок.
К причинам технического характера относятся прежде всего ограничение по толщине стенок отливок до 50 мм, а также более низкие литейные свойства белого чугуна по сравнению с высокопрочным чугуном.
Высокая стоимость отливок из ковкого чугуна связана с тем, что их производство осуществляется в два этапа: первый - производство отливок из белого чугуна (поэтому под литейными свойствами ковкого чугуна следует понимать литейные свойства белого чугуна); второй - графитизирующий или обезуглероживающий отжиг.
На первом этапе основными являются требования, связанные с получением в отливках сквозного отбела. При этом необходимо «держать на максимуме» углеродный эквивалент или суммарное содержание С + Si, но чтобы в то же время в структуре белого чугуна не образовывался свободный графит. При значительном отклонении от этого максимума в меньшую сторону очень сильно увеличивается время второго этапа - отжига.
Химический состав белого чугуна перед отжигом на ковкий чугун является факультативным, как и для всех чугунов, и зависит от толщины стенки: с увеличением толщины стенок суммарное содержание С + Si уменьшается (табл. 5.6).
Важнейшим из требований к химическому составу белого чугуна является ограничение содержания хрома - должно быть не более 0,06 % Сг, иначе не произойдет полного распада цементита в отливках из белого чугуна (хром делает цементит устойчивым против распада).
Наиболее часто при отжиге белого чугуна на ковкий чугун применяют процесс полной графитизации в нейтральной или слабо окислительной среде, в результате получается ферритный ковкий чугун - черносердечный по виду излома и попутно возможно частичное обезуглероживание.
Типичный режим двухстадийного отжига на ферритный ковкий чугун (рис. 5.10) состоит из пяти периодов:
П1 - нагрев до 930...970 °С, т.е. значительно выше температур интервала превращений, при длительности 3...5 ч;
п2 — выдержка, называемая первой стадией, до полного разложения структурного свободного цементита — 3...5 ч;
П3 — промежуточное охлаждение до температур около 760 °С, т. е. несколько выше интервала критических температур - 3... 4 ч;
Таблица 5.6
Содержание С и Si в отливках из ковкого чугуна в зависимости от толщины стенок
|
п4 - медленное контролируемое охлаждение со скоростью не более 5 °С/ч, называемое второй стадией, вплоть до 700 °С с целью разложения цементита, входящего в перлит, - 8... 15 ч;
Рис. 5.10. Типовой график отжига ковкого чугуна
|
п5 - окончательное охлаждение до 550...600 °С, т.е. до температуры, при которой отливки выгружают из печи.
Общая продолжительность отжига для получения ферритного ковкого чугуна составляет 23...40 ч. Длительность отжига уменьшается за счет ввода в расплав белого чугуна модификатора, содержащего 0,003% В, 0,003% Bi, 0,01% А1 (ранее длительность отжига составляла 100 ч, а сам отжиг назывался «томлением»).
Перлитный ковкий чугун может получаться с использованием различных режимов термообработки. Один из них заключается в проведении первой стадии, охлаждении до температуры 900 °С, нормализации и последующего отпуска. Кроме того, по окончании первой стадии и охлаждения может быть применена закалка в масле с отпуском (с нагревами под закалку и под отпуск). Термообработке, в том числе закалке в масле, может быть подвергнут ферритный ковкий чугун, полученный при проведении двухста- дийного отжига. После термической обработки структура металлической матрицы становится сорбитной или трооститной.
По ГОСТ 7293-79 (изм. в 1991 г.) установлены 11 марок ковкого чугуна. Его маркировка производится буквами КЧ и двумя цифрами, первая из которых - временное сопротивление (т.е. предел прочности при растяжении) (св, кгс/мм2), вторая - относительное удлинение (8, %). Кроме того, ГОСТом регламентируется твердость НВ для каждой марки и приводится рекомендуемый химический состав (табл. 5.7).
Ферритный чугун имеет черный бархатистый излом с перлитной поверхностной каймой толщиной до 1,5 мм и называется «черносердечным». Перлитный чугун имеет светлый блестящий излом и называется «белосердечным».
Для получения белосердечного перлитного чугуна режим отжига заключается по существу в длительной первой стадии, которая проводится в окислительной атмосфере при температуре 1000... 1050 °С. При этом происходит окисление и удаление из отливки значительной части углерода. После охлаждения структура чугуна представляет перлитную матрицу с небольшим количеством графита, т. е. структура близка к графитизированной стали. Такой чугун легко подвергается сварке и пайке.
Таблица 5.7
Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна по ГОСТ 7293-79 (изм. в 1991 г.)
|
| Примечание. Содержание примесей в чугуне, мае. %, менее: Р 0,10...0,18; S 0,06...0,20; Сг 0,06...0,08. |
Литейные свойства белого чугуна (предназначенного к отжигу на ковкий чугун) значительно хуже, чем у высокопрочного чугуна и особенно у серого чугуна. Меньшая эвтектичность и высокая температура ликвидуса приводят к меньшей жидкотекучести. Широкий интервал кристаллизации (100 °С и более) и структура белого чугуна приводят к тому, что отливки белого чугуна склонны к усадочным раковинам и пористости. Объемная усадка затвердевания ковкого чугуна составляет величину порядка 6 %. Тот же широкий интервал кристаллизации является ответственным за высокую склонность к горячим трещинам. Для структуры бело-