4.3.2. Чугуны (классификация)

Чугун – важнейший машиностроительный материал для литейного произ­водства. Различают белый чугун, в кото­ром весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементи­та. Чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью нахо­дится в свободном состоянии в виде графита, называется серым. Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина – серого. Высокая твердость поверхности (500НВ) обеспечивает хорошую сопротивляемость износу.

Механические свойства серого чугуна зависят от его структуры, от количества, размеров и формы графитных включений. В зависимости от формы графитных включений и условий их образования различают чугуны серые, высокопрочные и ковкие (рис. 25).

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируется буквами СЧ, после букв ставятся цифры, указывающие среднее значение пре­дела прочности при растяжении (кгс/мм²): СЧ10, СЧ15, СЧ20, …, СЧ45.

а б в

Рис. 25. Микроструктура чугунов с различной формой графита (100):

а – пластинчатая (серый чугун); б – шаровидная (высокопрочный);

в – хлопьевидная (ковкий); шлифы нетравленые

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (рис. 25, б) маркируется буквами ВЧ и цифрами, указывающими предел прочности при растяжении (кгс/мм²) и относительное уд­линение (%), например: ВЧ80-3, ВЧ45-5, ВЧ42-12.

Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графита (рис. 25, в), его маркируют буквами КЧ и цифрами, указывающими предел прочности при растяжении (кгс/мм²) и относительное удлинение (%). Ковкие чугуны КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10 используют для отливок, эксплуатируемых при значительных динамических и статических нагрузках (детали контактной сети, головки и наконечники рукавов тормозной магистрали). Из чугунов КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ60-3, имеющих большую прочность и некото­рую пластичность, изготавливают втулки, муфты, вилки карданных валов и т. п. Ковкие чугуны применяют главным обра­зом для изготовления мелких тонкостенных (до 40 – 50 мм) деталей в отличие от высокопрочных чугунов, которые используют для деталей большего сечения.

5. термическая обработка стали

5.1. Превращения при нагреве и охлаждении

Термическая (тепловая) обработка металлов и сплавов – это технологи­ческий процесс, связанный с нагревом, выдержкой и охлаждением, вызывающий изменение структуры сплава и, как следствие этого, изменение его свойств.

При нагреве стали выше критической точки А₁ (727°С) перлит переходит в аустенит. В каждом зерне перлита образуется несколько зерен аустенита. Следовательно, при переходе через критическую точку Ас₁ происходит измельчение зерна стали.

В процессе охлаждения, когда аустенит переходит в перлит, размеры зерна не изменяются. Какими были зерна аустенита, такими будут и зерна пер­лита. Зерно стали, полученное в результате той или иной обработки, называется действительным зерном. Все свойства стали зависят только от размера действитель­ного зерна. Стали с мелкозернистой структурой имеют более высокую динамическую и усталостную прочность, низкий порог хладноломкости.

Перегрев стали– укрупнение зерна аустенита в результате высокотемпературного нагрева, это в два – три раза снижает ударную вязкость, предел выносливости и повышает порог хладноломкости.

Видманштеттова структура образуется вследствие ускоренного охлаждения перегретой крупнозернистой стали из аустенитного состояния. При перекристаллизации в доэвтектоидной стали феррит, а в заэвтектоидной стали цементит вторичный выделяются не только на границах, но и внутри зерен аустенита.

Видманштеттова структура имеет два характерных признака: крупнозернистость и определенную направленность пластин феррита в доэвтектоидных или цементита в заэвтектоидных сталях. Это признак перегрева стали, но перегретая сталь не всегда имеет видманштеттову структуру, такая структура встречается в сложных по форме стальных отливках (корпус автосцепки), сварных швах и других перегретых деталях при термообработке. Это дефектная структура, и она должна быть устранена полным отжигом или нормализацией.

В большинстве случаев при термической обработке решающая роль в получении заданных структуры и свойств стали принадлежит охлаждению. Переохлаждение аустенита до тем­пературы 700 – 550°С приводит к образованию эвтектоидной смеси феррита и цементита различной дисперсности (размеров фаз). При малой степени переохлаждения (700 – 650°С) образуется крупнопластинчатая структура феррита и цементита – перлит с твердостью НВ180 – 250 (см. рис. 23, в). С увеличением ско­рости охлаждения и степени переохлаждения количество ферритоцементитных пластинок увеличивается, а их размеры и расстояния между ними уменьшают­ся. При переохлаждении до 650 – 600°С образуется дисперсная (мелкая) структура – сор­бит (твердость – НВ250 – 350), а до 600 – 550°С – мелкодисперсная (очень мелкая) структура – троостит (НВ350 – 450).

Перлит, сорбит, троостит – такое разделение ферритно-цементитной смеси несколько условно. Иногда структуру стали с твердостью НВ250 называют перлитно-сорбитной, а при твердости НВ350 – сорбитно-трооститной.

Если нагретую до аустенитного состояния сталь охладить до 250 – 150°С (в каком-либо охладителе), то произойдет бездиффузионная перестройка решетки гамма-железа в альфа-железо. Весь углерод, растворенный в аустените, остается в альфа-железе и твердый раствор становится пересыщенным. Такой твердый раствор называется мартенситом – основной структурой закаленной стали, его твердость – HRC60 – 64 (HB600 – 660).

«Избыточное» количество углерода искажает решетку альфа-железа, и она становится тетрагональной. Этим объясняется увеличение твердости. Степень искаженности (тетрагональности) и твердость тем выше, чем больше в стали углерода. Образование мартенсита происходит при температуре от М_Н до М_К.