Лахтин_Матеориаловедение

1,6—2,9 % SI; 0,3—0,7 % Mn; до 0,02 % S и до 0,1 % P. По ГОСТ

7293—791 высокопрочный чугун маркируется буквами ВЧ, затем следуют цифры. Первые

цифры марки показывают минимальное значение временного сопротивления (в 10-1 МПа (кгс/мм2)), вторые — относительное удлинение (в %). Чугуны ВЧ 50-2, ВЧ 60-2, ВЧ 70-3, ВЧ 80-3; ВЧ 100-4; ВЧ 120-4 имеют перлитную металлическую основу (рис. 102, б), чугуны ВЧ 45-5 — перлитно-ферритную и ВЧ 3817, ВЧ 42-12 — ферритную (рис. 102, в). В 1985 г. введен новый ГОСТ 7293—851 где высокопрочный чугун маркируется только цифрой, указывающей величину временного сопротивления

(ВЧ 85, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50,

1 В учебнике приведены два ГОСТа (ГОСТ 7293—79 и ГОСТ 7293—85), так как ГОСТ 7293—79 широко используется в чертежах и технологических картах на литье из высокопрочного чугуна.

151

ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100). Ферритные чугуны ВЧ 35, ВЧ 40,

ВЧ 45 имеют σ0,2 = 220÷310 МПа; δ = 22÷10 м, 140—225 НВ

(чем выше цифры марки, тем больше σ0,2 и НВ). Перлитные чугуны

ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100 имеют σ0,2 = 370÷700, δ = 7÷2 % и 153—360 НВ. Вязкость разрушения перлитных чугунов

составляет 180—250 Н·мм3/2 и ферритных — 300— 380 Н·мм3/2. Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях народного хозяйства; в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении — для многих деталей прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании (например, для шабот-молотов, траверс прессов, прокатных валков); в химической и нефтяной промышленности — для

корпусов насосов, вентилей и т. д.

Высокопрочные чугуны применяют и для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 1200 МПа).

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений, отливки ЧШГ подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску).

Наиболее трудоемкий вид термической обработки — высокотемпературный графитизирующий отжиг при 850—980 °С, который проводится для устранения в металлической матрице структурно свободного цементита. Для получения перлитной основы охлаждение проводят на воздухе (нормализация), а для получения ферритной основы дают добавочную выдержку при 680— 750 °С для распада эвтектоидного цементита. Закалка в масле температурой 850—930 °С с последующим отпуском и особенно изотермическая закалка на нижний бейнит (температура изотермической выдержки 350—400 °С) позволяют получать высокие механические свойства. Чугун со структурой нижнего бейнита имеет σΒ = 1500÷1600 МПа, σ0,2 = 970÷990 МПа, δ = 1÷2 % и 360—380 НВ.

Антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585—85) с шаровидным графитом изготовляют двух марок: АЧВ-1 (2,8—3,5 % С; 1,8— 2,7 % Si; 0,6—1,2 % Μn; ≤0,7 % Си) с перлитной структурой

иАЧВ-2 с повышенным содержанием кремния (2,2—2,7 % Si)

иферритно-перлитной структурой (~50 % перлита).

Перлитный высокопрочный чугун АЧВ-1 предназначен для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленным или нормализованным валом.

Антифрикционный чугун АЧВ-2 применяют в паре с «сырым» (в состоянии поставки) валом.

В последние годы развивается производство отливок из чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ), который по свойствам

152

занимает промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом. Вермикулярный графит имеет форму отдельных продолговатых включений, получается путем уменьшения количества магния (глобуляризатора) при модифицировании. Механические свойства ЧВГ в зависимости от структуры: σΒ = 320÷510 МПа, δ = l÷8 %, 143—241 НВ. Чугун обладает хорошими литейными свойствами.

3. КОВКИЙ ЧУГУН

Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы (см. рис. 102). Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы структуры чугуна. Металлическая основа ковкого чугуна: феррит (ферритный ковкий чугун, рис. 102, II а) и реже перлит (перлитный чугук, рис. 102, II б). Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун, который применяют в машиностроении.

Химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий чугун, выбирают в пределах: 2,5—3,0 % С; 0,7—1,5 % Si; 0,3— 1,0 % Μn; ≤0,12 % S и ≤0,18 % Ρ (в зависимости от требуемой структуры металлической основы). Чугун имеет пониженное содержание углерода и кремния. Более низкое содержание углерода способствует повышению пластичности, так как при этом уменьшается количество графита, выделяющегося при отжиге, а пониженное содержание кремния исключает выделение пластинчатого графита в структуре отливок при охлаждении.

Толщина сечения отливки не должна превышать 40—50 мм, При большем размере отливок в сердцевине образуется пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для отжига.

Отжиг проводят в две стадии (рис. 103). Первоначально отливки выдерживают при 950—970 °С. В этот период протекает стадия I графитизации, т. е. распад цементита, входящего в состав ледебурита (А + Fe8C), и установление стабильного равновесия аустенит + графит. В результате распада цементита диффузионным путем образуется хлопьевидный графит (углерод отжига).

Затем отливки охлаждают до температур, соответствующих интервалу эвтектоидного превращения. При охлаждении происходят выделение из аустенита вторичного цементита, его распад и в итоге рост графитных включений. При достижении эвтектоид-

ного интервала температур охлаждение резко замедляют или дают длительную выдержку при температуре несколько ниже этого интервала. В этот период протекает стадия II графитизации: распад аустенита с образованием ферритно-графитной структуры или распад цементита, входящего в состав перлита, с образованием феррита и графита (в процессе выдержки ниже эвтектоидной температуры). После оконча 'ия стадии II графитизации структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита.

Излом ферритного чугуна бархатисто-черный вследствие большого количества графита. Если не проводить выдержку ниже эвтектоидной температуры (или если в этом интервале температур скорость охлаждения повышенная), то образуется перлитный ковкий чугун (П + Г), имеющий светлый (сталистый) излом.

Для ускорения отжига применяют различные меры: чугун модифицируют алюминием (реже бором, висмутом и другими элементами), повышают температуру нагрева чугуна перед разливкой, применяют перед отжигом старение, чаще в процессе нагрева до температуры отжига при 350—400 °С, повышают температуру стадии I графитизации (но не выше 1080 °С) или же выполняют отжиг в защитной атмосфере. В этом случае длительность отжига составляет 24—60 ч.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами (ГОСТ 1215—79). Первые две цифры указывают временное сопротивление (в 10-1 МПа (кгс/мм2)), вторые — относительное удлинение (в %). Из отливок ковкого чугуна изготовляют детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках. Так, феррит-ные ковкие чугуны КЧ 37-12 и КЧ 35-10 используют для изготовления деталей, эксплуатируемых при высоких динамических

истатических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и т. д.), а КЧ 30-6 и КЧ 33-8 — для менее ответственных деталей (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфты

ит. д.). Твердость ферритного чугуна 163 НВ. Перлитные ковкие чугуны КЧ 50-5 и КЧ 55-4 обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Твердость перлитного чугуна 241—269 НВ. Из перлитного ковкого чугуна изготовляют вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т. д. Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения. Некоторое применение нашли антифрикционные ферритно-перлитные чугуны АЧК-1 и АЧК-2.

Для повышения твердости, износостойкости и прочности ковкого чугуна иногда применяют нормализацию при 800—850 °С или закалку от 850—900 °С и отпуск при 450—700 °С. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита.

154

4.СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЧУГУНЫ

Кэтой группе чугунов (ГОСТ 7769—82) относятся жаростойкие, которые обладают окалиностойкостью, ростоустойчивостью и трещиноустойчивостыо, жаропрочные, обладающие высокой длительной прочностью и ползучестью при высоких температурах и коррозионно-стойкие чугуны.

Жаростойкость серых чугунов и ЧШГ может быть повышена легированием кремнием (ЧС5) и хромом (ЧХ28, ЧХ32)1, Эти чугуны характеризуются высокой жаростойкостью (окалиностойкостью) до 700—800 °С на воздухе, в топочных и генераторных газах. Высокой термостойкостью и сопротивляемостью окалино-образованию обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый 4Н15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ. В качестве жаропрочных чугунов используют аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.

Для повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу при 1020—1050 °С с охлаждением на воздухе и последующему отпуску при 550—600 °С. После отжига легированные карбиды приобретают форму мелких округлых включений, а карбид М3С растворяется в аустените. В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) — ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом — ЧХ22, ЧХ28, 4X32. Они обладают высокой коррозионной стойкостью в серной, азотной и ряде органических кислот. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом 4С15М4, 4С17МЗ (антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун ЧН15Д7.

Аустенитные чугуны применяют также в качестве парамагнитных. Немагнитные чугуны используют в тех случаях, когда требуется минимальная потеря мощности (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов и т. д.) или когда нужно избежать искажений магнитного поля (стойки для магнитов).

Вопросыдлясамопроверки

1.Какие формы графита существуют в чугунах? Как влияет графит на механические свойства чугуна?

2.Для каких деталей рекомендуется серый чугун?

3.Какую структуру будет иметь отливка толщиной 50 мм из серого чугуна,

содержащего 4,5 % С + Si?

4. Какую структуру будет иметь серый чугун, содержащий 3,2 % С и 1,5%

Si?

5.Когда рекомендуется применять отбеленный чугун?

6.Какой чугун рекомендуется для изготовления подшипника скольжения, работающего в паре с упрочненным валом?

7.Какой чугун рекомендуется для поршневых колец?

1 Ч — чугун, С — кремний, X — хром, Н — никель, Д — медь. Цифры после букв указывают содержание легирующего элемента (в %).

155

8.Какой чугун рекомендуется для ответственных отливок (станины станков, поршней, цилиндров и др.)?

9.Как получается в чугуне шаровидный графит? Почему чугуны с шаровидным графитом называются высокопрочными?

10.Где используют высокопрочные чугуны с шаровидным графитом?

11.Как различаются по металлической основе ковкие чугуны? Где применяются эти чугуны?

12.Какие чугуны используют для литья деталей, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде?

ГЛ А В А X. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СПЛАВАХ ЖЕЛЕЗА (ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ)

1. ПРЕВРАЩЕНИЕ ФЕРРИТНО-КАРБИДНОЙ СТРУКТУРЫ В АУСТЕНИТ ПРИ НАГРЕВЕ

При многих видах термической обработки сталь нагревают до температур, соответствующих существованию аустенита (процесс аустенитизации). Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации.

Общее представление о превращениях, которые протекают в стали при нагреве, можно получить из диаграммы состояния Fe—Fe3C (см. рис. 83). При нагреве эвтектоидной стали (0,8 % С) несколько выше критической точки Ac1 (727 °С) перлит (ферритнокарбидная структура) превращается в аустенит:

Φ + Fe3C → А

(0,02 % С) (6,67 % С) (0,8 % С).

Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного α → γ-перехода и растворения в аустените цементита.

При нагреве доэвтектоидной стали выше температуры критической точки Ас11после превращения перлита в аустенит образуется двухфазная структура — аустенит и феррит. При дальнейшем нагреве в интервале температур Ас1—Ас3 феррит постепенно превращается в аустенит: содержание углерода в аустените при этом уменьшается в соответствии с линией GS (см. рис. 83). При температуре Ас3 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените соответствует содержанию его в стали. Аналогично протекает превращение и в заэвтектоидной стали. При температуре несколько выше критической точки Ас1 (727 °С)

1 В легированной стали превращение эвтектоида (перлита) в аустениг происходит в интервале температур (см. рис. 94). Поэтому значение критических точек следует рассматривать как средние значения температуры начала и конца превращения, протекающего в интервале температур.

156

перлит превращается в аустенит. В интервале температур Ас1—Аcт происходит растворение избыточного цементита. Выше температуры Аст будет только аустенит, содержание углерода в котором соответствует его содержанию в стали. Механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении зерен

аустенита и их роста. Аустенит при температуре несколько выше Ас1 (727 °С) содержит 0,8 % С. Как же образуется такой аустенит? Первоначальные зародыши аустенита при нагреве несколько выше критической точки Ас1 образуются сдвиговым путем (α → γ) при сохранении когерентных границ (см. рис. 33). В результате этого превращения образуется низкоуглеродистый аустенит пластинчатой формы. В образовавшемся по сдвиговому механизму низкоуглеродистом аустените растворяется Fe3C, и содержание углерода в аустените приближается к равновесному.

При росте зародыша когерентность α- и γ-решеток нарушается, сдвиговый механизм заменяется нормальным механизмом роста и зерна аустенита приобретают равноосную форму.

Зародыш аустенита возникает на межфазовой границе раздела феррита и цементита (рис. 104, а, I, II).

Образовавшиеся зародыши аустенита растут благодаря интенсивной диффузии атомов углерода в аустените, что приводит к растворению цементита в аустените и превращению α → γ; одновременно зарождаются новые зерна аустенита.

Рост участков аустенита в результате полиморфного превращения α → γ протекает быстрее, чем растворение цементита, поэтому после превращения феррита в аустенит в структуре стали сохраняется еще некоторое количество цементита (рис. 104, а, III)

157

и для его растворения в аустените продолжительность изотермической выдержки должна быть увеличена. Образовавшийся аусте-нит (рис. 104, а, IV) неоднороден по содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам цементита, концентрация углерода в аустените выше, чем в участках, прилегающих к ферриту. Для его гомогенизации требуется дополнительное время.

Для описания процесса перехода ферритно-цементитной структуры в аустенитную часто пользуются диаграммами изотермического образования аустенита, дающими представление о протекании превращения при различных температурах. Для построения диаграммы небольшие образцы из исследуемой стали, например эвтектоидной (0,8 % С), быстро нагревают до заданной температуры, лежащей выше точки Ас1, и выдерживают при этой температуре. В процессе изотермической выдержки фиксируют начало и конец отдельных стадий превращения перлита в аустенит. Если полученные экспериментальные точки нанести на график в координатах температура — время и соединить их плавными кривыми, то получится диаграмма, подобная схематически показанной на рис. 104, б1.

Как следует из диаграммы изотермического образования аустенита, процесс превращения перлита в аустенит резко ускоряется при повышении температуры. Время, необходимое для образования аустенита при температурах, близких к Ас1 (727 °С), составляет минуты, тогда как при 800—850 °С превращение происходит в течение 5—10 с (рис. 104, б). Возрастает не только скорость роста аустенитных участков, но и вероятность зарождения аустенита. Это объясняется, с одной стороны, ускорением диффузионных процессов, а с другой — увеличением градиента концентрации в аустените.

Скорость превращения ферритно-цементитной структуры в аустенитную помимо температуры нагрева зависит от ее исходного состояния. Чем тоньше ферритно-цементитная структура, тем больше возникает зародышей аустенита и меньше пути диффузии, а следовательно, быстрее протекает процесс аустенитизации. Предварительная сфероидизация цементита, особенно с образованием крупных его глобулей, замедляет процесс образования аустенита.

Чем больше в стали углерода, тем быстрее протекает процесс аустенитизации, что объясняется увеличением количества цементита, а следовательно, и ростом суммарной поверхности раздела феррита и цементита.

Введение в сталь хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других карбидообразующих элементов задерживает процесс аустенитизации вследствие образования легированного цементита или

1 Превращение П → А начинается, вероятно, сразу после перехода через температуру Ас1. Интервал между линиями 1 и 2 на рис. 104 показывает не истинное начало и окончание превращения, а время, когда основная часть перлита переходит в аустенит.

158

карбидов легирующих элементов, более трудно растворимых в аустените.

Процесс гомогенизации аустенита по содержанию легирующих элементов требует большего времени, так как диффузионная подвижность

легирующих элементов в решетке γ-фазы значительно меньше, чем диффузионная подвижность углерода.

При непрерывном нагреве превращение перлита в аустенит протекает в некотором интервале температур. На рис. 105 приведена так называемая термокинетическая диаграмма, которая дает представление о температурах превращения перлита в аустенит при различных скоростях нагрева (v1 < v2 <

v3 и т. д.).

Чем выше скорость нагрева, тем при более высокой температуре происходит превращение ферритно-цементитной структуры (перлита) в аустенитную (рис. 105). Интервалы температур (t1—t2, t3—t4), в которых протекает превращение перлита в аустенит (рис. 105) тем больше, чем выше скорость нагрева. Поэтому при скоростном нагреве, например, токами высокой частоты, температура нагрева для аустенитизации стали должна быть выше, чем при сравнительно медленном печном нагреве.

2. РОСТ ЗЕРНА АУСТЕНИТА ПРИ НАГРЕВЕ

Как указывалось выше, зародыши аустенита при нагреве выше температуры Ас1 образуются на границах раздела феррит — карбид. При таком нагреве число зародышей всегда достаточно велико и начальное зерно аустенита мелкое. Чем выше скорость нагрева, тем меньше зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем скорость их роста.

При дальнейшем повышении температуры (рис. 106) или увеличении длительности выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристаллизация и зерно увеличивается. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии вследствие сокращения поверхности зерен. Зерно растет в результате увеличения одних зерен за счет других, более мелких, а следовательно, термодинамически менее устойчивых. Размер зерна, об-

159

разовавшегося при нагреве до данной температуры, естественно, не изменяется при последующем охлаждении.

Способность зерна аустенита к росту неодинакова даже у сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки.

По склонности к росту зерна различают два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.

В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких температур (1000—1050 °С) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше Ac1 (рис. 107). Различная склонность к росту зерна определяется условиями раскисления стали и ее составом.

Стали, раскисленные алюминием, наследственно мелкозернистые, так как в них образуются дисперсные частицы A1N, тормозящие рост зерна аустенита, оказывая барьерное действие на мигрирующую границу зерен. Растворение этих частиц влечет за собой быстрый рост зерна.

Вдвухфазных областях, например, в заэвтектоидных сталях,

винтервале температур Ac1—Аст (см. рис. 83) рост зерна аустенита сдерживается нерастворившимися карбидными частицами. Такое же сдерживающее влияние на рост зерна в дозвтектоидных сталях

винтервале температур Ac1—Ас3 (см. рис. 83) оказывают участки феррита.

Легирующие элементы, особенно карбидообразующие (нитридообразующие) задерживают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ti, V, Nb, Zr, A1 и N, образующие трудно рас-

160