Модифицирование
металлов — введение в металлические
расплавы модификаторов, то есть
веществ, небольшие количества
которых (обычно не более десятых
долен %) способствуют созданию
дополнительных искусственных центров
кристаллизации, и следовательно, образованию
структурных составляющих в измельченной
или округлой форме, что улучшает механические
свойства металла.
Для характеристики
структуры серого чугуна необходимо
определять размеры, форму, распределение
графита, а также структуру
металлической основы. В обычном
сером чугуне при медленном
охлаждении во время кристаллизации
графит очень слабо разветвляется.
Он похож на розетку с небольшим
числом изогнутых лепестков.
Металлическая
основа серых чугунов формируется
из аустени-та при эвтектоидном распаде
и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной.
Образование перлита происходит легко,
в сравнительно короткий промежуток времени.
Для получения ферритного белого чугуна
используют изотермическую выдержку при
690...650 °С, в результате которой цементит
перлита распадается на феррит и пластинчатый
графит.
Механические
свойства серых чугунов зависят
от свойств металлической основы
и, главным образом, от количества,
формы и размеров графитных
включений. Перлитная основа обеспечивает
наибольшие значения показателей
прочности и износостойкости.
Марки серых
чугунов согласно ГОСТ 1412—85 состоят
из букв «СЧ» и цифр, соответствующих
минимальному пределу прочности
при растяжении Ств, МПа / 10. Чугун
СЧ10 — ферритный; СЧ15, СЧ18, СЧ20 — ферритно-перлитные
чугуны, начиная с СЧ25 — перлитные чугуны.
На долю серого
чугуна с пластинчатым графитом
приходится около 80 % общего производства
чугунных отливок. Серые чугуны
обладают высокими литейными
качествами (жидкотекучесть, малая усадка,
незначительный пригар металла к форме
и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются
износу, однако из-за низких прочности
и пластических свойств в основном используются
для неответственных деталей. В станкостроении
серый чугун является основным конструкционным
материалом (станины станков, столы и верхние
салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении
из ферритно-перлитных чугунов делают
картеры, крышки, тормозные барабаны и
др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров,
гильзы, маховики и др. В строительстве
серый чугун применяют, главным образом,
для изготовления деталей, работающих
при сжатии (башмаков, колонн), а также
санитарно-технических деталей (отопительных
радиаторов, труб). Значительное количество
чугуна расходуется для изготовления
тюбингов, из которых сооружается туннель
метрополитена. Из серого чугуна, содержащего
фосфор (0,5 %), изготавливают архитектурно-художественные
изделия.
Ковкие чугуны
Ковкие чугуны
с хлопьевидной формой графита
получают из белых доэвтектических
чугунов, подвергая их специальному графитизирующему
отжигу. Графитизирующий отжиг белого
чугуна основан на метастабильности цементита
и состоит обычно из двух стадий .
Первая стадия
(950...1050 °С) подбирается по длительности
такой, чтобы весь цементит, находящийся
в структуре отливки, распался
на аустенит и хлопьевидный
графит. Процесс графитообразования
облегчается при модифицировании (например,
алюминием и бором). Чугун, полученный
таким образом, называется модифицированным.
На второй
стадии графитизирущего отжига при
температуре эвтектоидного превращения
формируется металлическая основа ковкого
чугуна. В зависимости от режимов охлаждения
ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное
охлаждение), ферритную (очень медленное
охлаждение в интервале 760...720 °С или изотермическая
выдержка при 720...700 °С) или ферритно-перлитную
(сокращение продолжительности второй
стадии отжига) металлические основы.
Для получения в модифицированном ковком
чугуне перлитной основы рекомендуется
увеличивать содержание марганца, хрома
и некоторых других элементов, которые
повышают устойчивость цементита к распаду
на феррит и пластинчатый графит в области
температур эвтектоидного превращения.
Ковкие чугуны
с перлитной металлической основой
обладают высокими твердостью (235...305
НВ) и прочностью (Ств = 650...800 МПа) в сочетании
с небольшой пластичностью (5 = 3,0...1,5 %).
Ковкий ферритный чугун характеризуется
высокой пластичностью (5 = 10...12 %) и относительно
низкой прочностью (Ств = 370...300 МПа).
Существенными
недостатками графитизирующего отжига
чугунов является длительность (24...60 ч)
отжига отливок и ограничение толщины
их стенок.
Ковкие чугуны
согласно ГОСТ 1215—79 маркируются
двумя буквами (КЧ — ковкий
чугун) и двумя группами цифр.
Первые две цифры в обозначении марки
соответствуют минимальному пределу прочности
при растяжении (7в, МПа / 10, цифры после
тире — относительному удлинению при
растяжении, °'о. Чугуны марок КЧЗО—6, КЧЗЗ—8,
КЧ35—10, КЧ37—12, имеющие повышенное значение
удлинения при растяжении, относятся к
ферритным, а марок КЧ45—7, КЧ50—5, КЧ55—4,
КЧ60—3, КЧ65—3, КЧ70—2, КЧ80—1.5 — к перлитным
чугунам.
Ковкие чугуны,
обладая высокими пластическими
свойствами, находят применение
при изготовлении разнообразных
тонкостенных (до 50 мм) деталей, работающих
при ударных и вибрационных
нагрузках, — фланцы, муфты, картеры,
ступицы и др. Масса этих деталей
—от нескольких граммов до нескольких
тонн.
Для повышения
твердости, износостойкости и
прочности изделий из ковкого
чугуна иногда применяют нормализацию
или закалку. Закалка с последующим
высоким отпуском позволяет получить
структуру зернистого перлита.
Высокопрочные
чугуны
Высокопрочный
чугун (ЧШГ — чугун с шаровидным
графитом) получают модифицированием
жидкими присадками (0,1...0,5 °о магния
от массы обрабатываемой порции чугуна,
0,2...0,3 °о церия, иттрия и некоторых других
элементов). При этом перед вводом модификаторов
необходимо снизить содержание серы до
0,02...0,03 %.
Рекомендуемый
химический состав высокопрочного
чугуна (2,7...3,7 % С; 0,5...3,8 % Si) выбирается в
зависимости от толщины стенок отливки
(чем тоньше стенка, тем больше углерода
и кремния).
Чтобы избежать
образования в высокопрочных
чугунах ледебурита, их подвергают
графитизирующему отжигу. Продолжительность
такого отжига благодаря повышенному
содержанию графити-зирующих элементов
(углерода, кремния) значительно короче,
чем при отжиге белого чугуна.
Структура высокопрочного
чугуна состоит из металлической
основы (феррит, перлит) и включений
графита шаровидной формы. Шаровидный
графит, имеющий минимальную поверхность
при данном объеме, значительно
меньше ослабляет металлическую
основу, чем пластинчатый графит,
и не является активным концентратором
напряжений. Ферритные чугуны имеют
сто,2 = 220...310 МПа, 5 = 22...10 "/о, 140...225 НВ,
перлитные —ао,2= 370...700 МПа, 5 = 7...2 % и
153...360 НВ. Марки высокопрочных чугунов
согласно ГОСТ 7293—85 состоят из букв «ВЧ»
и цифр, соответствующих минимальному
пределу прочности при растяжении Ста,
МПа / 10: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45 — ферритные чугуны;
ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ 100—перлитные чугуны.
Высокопрочные
чугуны обладают хорошими литейными
и потребительскими свойствами (обрабатываемость
резанием, способность гасить вибрации,
высокая износостоикость и др.) свойствами.
Они используются для массивных отлив,ок
взамен стальных литых и кованых деталей
— цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные
валы и др.
Для повышения
механических свойств (пластичности
и вязкости) и снятия внутренних
напряжений отливки подвергают
термической обработке (отжигу, нормализации,
закалке и отпуску). Рекомендуется
подвергать чугунные изделия
объемной закалке. Образование
мелкоигольчатого мартенсита в закаленном
поверхностном слое изделий повышает
их износостоикость в три и более раз.
Для повышения износостойкости применяется
также азотирование (или азотирование
с последующей «обдувкой дробью»), при
котором в поверхностных слоях изделий
создаются благоприятные сжимающие напряжения.
Чугуны специального
назначения
К этой группе
чугунов относятся жаростойкие
(ГОСТ 7769—82), жаропрочные и коррозионностойкие
(ГОСТ 11849—76) чугуны. Сюда же можно отнести
немагнитные, износостойкие и антифрикционные
чугуны.
.Жаростойкими
являются серые и высокопрочные
чугуны, легированные кремнием (ЧС5)
и хромом (4Х28, 4Х32). Эти чугуны обладают
жаростойкостью до 700...800°С на воздухе,
в топочных и генераторных газах. Высокой
термо- и жаростойкостью обладают аустенитные
чугуны: высоколегированный никелевый
серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ.
К жаропрочным
чугунам относятся аустенитные чугуны
с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.
Для повышения жаропрочности чугуны подвергают
отжигу с последующим отпуском. После
отжига легированные карбиды приобретают
форму мелких округлых включений.
В качестве
коррозионностойких применяют чугуны,
легированные кремнием (ферросилиды) —
ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом — 4Х22, 4Х28, 4Х32. Они
обладают высокой коррозионной стойкостью
в серной, азотной и ряде органических
кислот. Для повышения коррозионной стойкости
кремнистых чугунов их легируют молибденом
(4С15М4, 4С17МЗ — антихлоры). Введение в чугун
0,2...0,5 % Мо уменьшает склонность к росту
зерна, повышает вязкость, сопротивление
износу и улучшает свойства при повышенных
температурах. Высокой коррозионной стойкостью
в щелочах обладают никелевые чугуны,
например аустенитный чугун 4Н15Д7.
В качестве
немагнитных чугунов также применяются
аустенитные чугуны. Их используют в тех
случаях, когда требуется минимальная
потеря мощности (крышки масляных выключателей,
концевые коробки трансформаторов и др.)
или когда нужно избегать искажений магнитного
поля (стойки для магнитов).
К износостойким
чугунам относятся половинчатые
и отбеленные чугуны. К износостойким
половинчатым чугунам относится,
например, серый чугун марки И4НХ2,
легированный никелем и хромом,
а также чугуны И4ХНТ, И4Н1МШ
(с шаровидным графитом). Из этих
чугунов отливают детали двигателей
внутреннего сгорания (крышки и
днища цилиндров, головки поршней
и др.).
Антифрикционными
чугунами являются серые и
высокопрочные чугуны специальных
марок. Некоторое применение нашли
также ковкие антифрикционные
ферритно-перлитные чугуны -А4К-1
и А4К-2.
Антифрикционные
серые чугуны — перлитные чугуны
АЧС-1 и АЧС-2 и перлитно-ферритный
чугун АЧС-3. Эти чугуны обладают
низким коэффициентом трения, зависящим
от соотношения феррита и перлита
в основе, а также от количества
и формы графита. В перлитных
чугунах высокая износостойкость
обеспечивается металлической основой,
состоящей из тонкого перлита
и равномерно распределенной
фосфорной эвтектики при наличии
изолированных выделений пластинчатого
графита.
Антифрикционные
серые чугуны применяют для
изготовления подшипников скольжения,
втулок и других деталей, работающих
при трении о металл, чаще в
присутствии смазочного материала.
Детали, работающие в паре с
закаленными или нормализованными
стальными валами, изготавливают
из чугунов АЧС-1 и АЧС-2, а для
работы в паре с термически
необработанными валами применяют
чугун АЧС-3.
Антифрикционные
высокопрочные (с шаровидным графитом)
чугуны (ГОСТ 1585—85) изготовляют с
перлитной структурой - АЧВ-1 и ферритно-перлитной
(« 50 % перлита) — АЧВ-2. АЧВ-1 используется
для работы в узлах трения
с повышенными окружными скоростями
в паре с закаленным или
нормализованным валом. АЧВ-2 применяют
для пары с валом в состоянии
поставки («сырым»).
Главное достоинство
антифрикционных чугунов по сравнению
с баббитами и антифрикционными
бронзами — низкая стоимость,
а основной недостаток — плохая
прирабатываемость, что требует точного
сопряжения трущихся поверхностей.
- Классификация
высококачественных
чугунов
- Цветные
металлы
Железо и его
«производные»— сталь и чугун (см.
Железо, сталь, чугун)—называют черными
металлами. Все остальные металлы относятся
к категории цветных. Золото, серебро,
платина и другие благородные металлы
тоже цветные. Все цветные металлы играют
важную роль в промышленности.
Алюминий — самый
распространенный на Земле металл —
называют летающим металлом. Из него, вернее
из его сплавов, самый известный из которых
дуралюмин (сплав алюминия с медью, магнием
и марганцем), делают фюзеляжи и крылья
самолетов. Из сплавов алюминия была изготовлена
оболочка нашего первого в мире искусственного
спутника Земли.
Алюминий широко
применяют в различных отраслях
промышленности и в строительстве.
Многие детали самых разных машин, перекрытия,
наружная облицовка и оконные
рамы высотных зданий, аппаратура для
производства кислот и многих органических
веществ, резервуары для хранения жидкого
кислорода, моторные и весельные
лодки, посуда, мебель — все это
делается из алюминия.
Во Франции построен
целиком алюминиевый океанский
лайнер длиной свыше 300 м. Не только его
корпус, но и внутренние переборки,
стены кают, даже мебель — алюминиевые.
Медь имеет самую
высокую (после серебра) электрическую
проводимость. Из нее делают обмотки
трансформаторов и генераторов,
линии электропередачи (ЛЭП), электрические
провода внутри машин и зданий
и многие другие электротехнические
изделия, а также коррозионностойкую
химическую аппаратуру. Широко используют
в технике и медные сплавы — латунь, бронзу
и др.