3. Высокопрочный (модифицированный) чугун
Высокопрочный чугун – это чугун, имеющий графитные включения шаровидной или близкой к ней формы.
Зернистость металлической основы (матрицы) оказывает очень серьезное влияние на механические свойства чугуна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства.
Рис. 10. Графит шаровидной формы
Если в расплавленный чугун ввести мелкие тугоплавкие частицы других металлов (модификаторы), то они послужат дополнительными центрами кристаллизации. В результате в одном и том же объеме чугуна количество зерен будет возрастать, а их размер уменьшаться. Масса модификаторов составляет всего 0,1-0,3 % от массы чугуна.
При этом химический состав практически не меняется, а механические свойства улучшаются. Такой чугун называется высокопрочным (модифицированным). В качестве модификаторов используется магний или церий.
Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, поэтому прочностные качества этих чугунов наиболее высокие (не уступают конструкционным закаленным сталям), но пластичность ниже, чем у стали и ковкого чугуна.
Высокопрочные чугуны используются в основном для получения массивных отливок.
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.
При объёмной непрерывной закалке чугун медленно нагревают до температуры на 40-60 оС выше линии S–K на диаграмме состояния железо-углерод (рис. 22). Обычно, это соответствует температуре 850-930 оС, в результате получается структура аустенита и графита. Затем дают выдержку для прогрева и насыщения аустенита углеродом; выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, например, 10-15 мин для перлитных чугунов и до 1,5-2 часов для ферритных чугунов. Отливки простой конфигурации охлаждают в воде, а сложной – в масле. После закалки при оптимальной температуре и выдержке, обеспечивающей достаточное растворение углерода в аустените, в ферритном чугуне получается мартенситная структура с максимальной твёрдостью 55…60 HRС. В чугунах высокопрочных, аустенит которых обладает пониженной критической скоростью закалки, твёрдость после закалки достигает 60…62 HRC. Прочность после закалки понижается. Прокаливаемость высокопрочного чугуна выше прокаливаемости серого чугуна. После закалки чугун подвергают низкому отпуску для снятия части внутренних напряжений или высокому отпуску с получением сорбитной или троостосорбитной структуры.
Наиболее часто высокопрочный чугун применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства бесшовных труб, используемых в водо-, газо- и нефтепроводах.
Механические свойства и химический состав серого СЧ (по ГОСТ 1412-85), ковкого КЧ (по ГОСТ 1215-79) и высокопрочного ВЧ (по ГОСТ 7293-85) чугунов приведены в табл. 4 и 5.
Таблица 4. Свойства и назначение чугунов
|
Марка чугуна |
Предел прочности, МПа (кгс/мм2), при |
Относительное удлинение δ, % |
Твердость, НВ |
Назначение | |
|
растяжении В |
изгибе и | ||||
|
СЧ 15 |
147 (15) |
314 (32) |
1 |
163-229 |
Неответств. детали (крышки, шкивы) |
|
СЧ 18 |
176 (18) |
358 (36) |
1 |
170-241 |
Станины станков и механизмов, поршни, цилиндры |
|
СЧ 20 |
196 (20) |
392 (40) |
1 |
170-241 | |
|
СЧ 25 |
245 (25) |
451 (45) |
1 |
180-250 |
Детали, работающие на износ: тормозные барабаны, цилиндры |
|
СЧ 30 |
294 (30) |
490 (50) |
1 |
181-255 | |
|
КЧ 35-10 |
333 (35) |
- |
10 |
100-163 |
Фланцы, муфты, задний мост, картер, ступицы |
|
КЧ 37-12 |
362 (37) |
- |
12 |
110-163 | |
|
КЧ 45-7 |
441 (45) |
- |
7 |
150-207 | |
|
ВЧ 50 |
500 (50) |
- |
7 |
153-245 |
Цилиндры, шестерни, поршни |
Таблица 5. Химический состав чугунов
|
Чугун |
Массовые доли элементов, % | |||||
|
С |
Si |
Mn |
P |
S |
Другие элементы | |
|
Не более | ||||||
|
СЧ 15 |
3,5-3,7 |
2,0-2,4 |
0,5-0,8 |
0,2 |
0,15 |
- |
|
СЧ 18 |
3,4-3,6 |
1,9-2,3 |
0,5-0,7 |
0,2 |
0,15 |
- |
|
СЧ 20 |
3,3-3,5 |
1,4-2,4 |
0,7-1,0 |
0,2 |
0,15 |
- |
|
СЧ 25 |
3,2-3,4 |
1,4-2,2 |
0,7-1,0 |
0,2 |
0,15 |
- |
|
СЧ 30 |
3,0-3,2 |
1,3-1,9 |
0,7-1,0 |
0,2 |
0,12 |
Cr0,06 |
|
КЧ 35-10 |
2,5-2,8 |
1,1-1,3 |
0,3-0,6 |
0,12 |
0,20 |
Cr0,06 |
|
КЧ 37-12 |
2,4-2,7 |
1,2-1,4 |
0,2-0,4 |
0,12 |
0,06 |
Cr0,08 |
|
КЧ 45-7 |
2,5-2,8 |
1,1-1,3 |
0,3-1,0 |
0,1 |
0,2 |
Cr0,15 |
|
ВЧ 50 |
3,0-3,3 |
2,2-2,6 |
0,3-0,7 |
0,1 |
0,02 |
Ni0,6 |
|
ВЧ 80 |
3,2-3,6 |
2,6-2,9 |
0,4-0,7 |
0,1 |
0,01 |
Cu0,6 |