Металловедение

251

Однако практика производства чугунных отливок показывает, что, кроме белых и феррито-графитных чугунов, в реальных условиях получаются чугуны,

в структуре которых имеются и графит, и цементит, т. е. часть углерода нахо-

дится в свободном, а часть - в связанном состоянии.

В производственных условиях получают чугуны со следующими струк-

турами:

1. Феррит + перлит + графит (серый феррито-перлитный чугун). Структу-

ра таких чугунов показана на рис. 135, б. Поскольку перлит состоит из феррита

ицементита, следовательно, в этом чугуне есть и цементит, и графит.

2.Перлит + графит (серый перлитный чугун). Структура такого чугуна показана на рис. 135, в; в этом чугуне, поскольку в перлит входит цементит,

имеется цементит и графит.

3. Перлит + цементит + графит (рис. 135, г) или перлит + ледебурит +

графит. Ледебурит состоит из цементита и перлита. В этих чугунах также име-

ется и цементит, и графит (такие чугуны называют половинчатыми).

Кристаллизация указанных структур не может быть объяснена только од-

ной из рассмотренных диаграмм состояний (Fe - Fe3C или железо - графит).

При образовании этих структур идет смешанная кристаллизация по обеим сис-

темам: графитной (Fe - С) и цементитной (Fe-Fe3C).

Это объясняется так: кристаллизация начинается по графитной системе и выделяется какое-то количество графита, но для того, чтобы все время выде-

лялся графит, требуется весьма замедленное охлаждение, при этом чем ниже температура, тем скорость охлаждения, необходимая для кристаллизации гра-

фита, должна быть меньше, так как с понижением температуры скорость всех диффузионных процессов, в том числе и кристаллизации графита, уменьшает-

ся.

Если при какой-то температуре скорость охлаждения больше скорости,

обеспечивающей выделение графита, то выделение графита полностью или

252

частично прекращается, сплав по отношению к условиям кристаллизации гра-

фита оказывается переохлажденным, что способствует выделению цементита.

Это означает, что кристаллизация с графитной системы переходит на цемен-

титную, т. е. процесс кристаллизации становится смешанным.

Влияние элементов на структуру чугуна. На структуру чугунов, которые кроме железа и углерода содержат и другие элементы, сильно влияет химиче-

ский состав. Элементы кремний, титан, никель, медь, алюминий, способствую-

щие выделению графита, называют графитизирующими. Элементы марганец,

молибден, сера, хром, ванадий, вольфрам, наоборот, способствуют получению углерода в связанном состоянии в виде цементита. Их называют антиграфити-

знрующими или тормозящими графитизациго.

Обычно в производстве для получения заданной структуры регулируют содержание кремния, марганца, углерода. Чем больше кремния в чугуне, тем меньше в нем связанного углерода и тем мягче чугун. В серые чугуны вводят

1,5-3,5% Si. При содержании марганца в пределах 0,5-1,0% количество связан-

ного углерода увеличивается. Кроме того, марганец связывает серу в MnS, что уменьшает отбеливающее действие серы.

Фосфор образует в чугунах тройную фосфидную эвтектику, состоящую из Fe(P) -|- Fe3C + Fe3P. Фосфидная эвтектика плавится при температуре 905СС,

поэтому чем больше в чугуне фосфора, тем больше жидкотекучесть чугуна.

Фосфидная эвтектика обладает высокой твердостью, поэтому чем больше фос-

фора, тем выше твердость и хрупкость чугуна.

В обычном сером чугуне фосфора содержится 0,3-0,4%. При изготовле-

нии художественных отливок для повышения жидкотекучести в чугун вводят фосфор (до 1,0%).

Сера - вредная примесь, она способствует увеличению связанного угле-

рода (так называемое отбеливание чугуна), понижает жидкотекучесть, увели-

253

чивает усадку и склонность к образованию трещин. Сера допускается в мини-

мальных количествах (не более 0,08-0,1%).

Если в чугуны вводят такие элементы, как алюминий, медь, хром, никель или кремний - свыше 3,5%, марганец-

свыше 1%, то их называют легированны-

ми или специальными.

Влияние скорости охлаждения. На структуру чугуна значительно влияет скорость охлаждения. При одном и том же химическом составе структура полу-

чается различной в зависимости от тол-

щины отливки. Следовательно, для полу-

чения данной структуры в отливках раз-

ной толщины необходимо брать различный состав чугуна. Если отливать из чу-

гуна одного состава детали разной толщины, то в них получится различная структура.

Для выбора химического состава чугуна в зависимости от требуемой структуры, а следовательно, и свойств, опытным путем строят так называемые структурные диаграммы. На рис. 136 приведена структурная диаграмма, харак-

теризующая структуры, которые получаются в зависимости от суммарного со-

держания углерода и кремния в отливках с разной толщиной стенок. Так, если детали отлиты из чугуна состава С -f Si = 4% (на диаграмме

пунктирная линия а-й), то в деталях со стенкой толщиной до 10 мм полу-

чается белый чугун, от 10 до 20 ммполовинчатый чугун, от 20 до 60 ммпер-

литный серый чугун, от 60 до 120 мм - феррито-перлитный серый чугун.

Маркировка серых чугунов. Серые чутуны маркируют буквами СЧ, затем ставят два двузначных числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе - предел прочности при изгибе.

254

В ГОСТ 1412-70 установлены следующие марки серых чугунов: СЧ00 (без испытаний механических свойств), СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ24-44, СЧ32-52,

СЧ44-64 и др. Например, марка СЧ 15-32 показывает, что чугун имеет ζв = 150 МН/м2 (15 кгс/мм2) и ζизг= 320 МН/м2 (32 кгс/мм2).

Для получения чугуна стандартных марок регулируют химический со-

став, условия охлаждения и другие факторы. Отливки из серого чугуна широко применяют в машиностроении: для станин металлорежущих станков, махови-

ков, корпусов, поршневых колец, головок блоков двигателей, поршней, гильз автомобильных и тракторных двигателей, рам и других деталей.

§ 2. Чугуны с шаровидным графитом (высокопрочные чугуны)

Для получения графита в виде шаровидных включений в ковш с жидким чугуном вводят металлический маг-

ний в так называемых испарителях,

т. е. в металлических или графито-

вых коробках с отверстиями. Для получения шаровидного графита со-

держание магния в чугуне должно быть 0,03-0,07%.

Структура металлической основы чугунов с шаровидным графитом такая же, как и в обычном сером чугуне, т. е. в зависимости от химического состава чугуна, скорости охлаждения (толщины стенки отливки) могут быть получены чугуны со следующей структурой: феррит + шаровидный графит, феррит +

перлит + шаровидный графит (рис. 137), перлит + шаровидный графит.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем ставят два числа:

первое число показывает предел прочности при растяжении, второе - относи-

тельное удлинение, например, ВЧ38-17; ВЧ42-12; ВЧ45-5; ВЧ60-2; ВЧ80-3;

ВЧ120-4 (ГОСТ 7293-70).

255

Чугуны, модифицированные магнием, имеют более высокие механиче-

ские свойства, чем обычный серый чугун, и приближаются по свойствам к ста-

ли. Чугуны с шаровидным графитом применяют для самых ответственных де-

талей, например коленчатых валов, кулачковых валиков и др.

Замена стальных деталей литыми из высокопрочного чугуна является экономически выгодной. Например, при подсчете экономической эффективно-

сти замены стального коленчатого вала дизеля чугунным оказалось, что заго-

товка литого коленчатого вала из высокопрочного чугуна в три раза легче заго-

товки из легированной стали. Общие затраты на изготовление стального колен-

чатого вала в 3,5 раза больше чугунного.

§ 3. Ковкий чугун

Ковкий чугун получают в результате длительного отжига белого чугуна.

При отжиге происходит распад цементита с образованием графита, т. е. процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим. Так как в данном случае графит получается при отжиге и имеет характерную хлопьевид-

ную форму (см. рис. 134,б), то его часто называют углеродом отжига,

По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, явля-

ется доэвтектическим и имеет структуру ледебурит + цементит (вторичный) +

перлит.

Для получения структуры феррит + углерод отжига в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит эвтектоидный, т. е. входящий в перлит. Разложение цементита ледебурита и цементита вторичного (частично) происходит на первой стадии графитизации,

которую проводят при температуре выше критической (950-1000° С); разложе-

ние звтекто-идного цементита происходит на второй стадии графитизации, ко-

торую проводят путем выдержки при температуре ниже критической (740-720°

С), или при медленном охлаждении в интервале критических температур (760720° С) (рис. 138).

256

Отжиг белого чугуна с получением ферритного ковкого чугуна называют полным графитизирующим отжигом.

Ферритный ковкий чугун (рис. 139) представляет собой кон-

струкционный материал - мягкий (НВ ≤ 163), высокой пластичности • (δ до

12%) при удовлетворительной прочности [ζв = 300- -370 МН/м2 (30-37

кгс/мм2)].

В некоторых случаях, особенно для деталей, работающих на износ, тре-

буется ковкий чугун со структурой перлит + феррит + углерод отжига или со структурой перлит + углерод отжига.

Для получения таких структур вторую стадию графитизации проводят не до конца и тогда получают часть перлита неразложив-шегося, или не проводят ее совсем, а из аустенитного состояния ведут охлаждение на воздухе; в этом случае перлит совсем не успевает разложиться.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, означающими ковкий чугун, за-

тем ставят два числа: первое число показывает предел прочности при растяже-

нии, второе - относительное удлинение.

Установлены следующие марки ковких чугунов: КЧ30-6, КЧ 35-10, КЧ45-

6, КЧ56-4, КЧ63-2 и др.

§ 4. Легированные чугуны

257

Свойства чугунов по аналогии со сталью можно улучшить легированием специальными элементами, такими же, какие используют при легировании ста-

ли. Легирующие элементы влияют на металлическую основу чугуна, а также на характер и размеры графитных включений, способствуют измельчению струк-

туры.

Назначение легированных чугунов самое различное. Чугуны применяют износостойкие, жаростойкие, жаропрочные, коррозионностойкие, антифрикци-

онные.

Износостойкие чугуны. Для работы в условиях абразивного износа при-

меняют чугун, содержащий 3,5-5% Ni; 0,8% Сr, обладающий удовлетворитель-

ной износостойкостью при легких условиях работы (рабочие органы насосов и др.). Чугуны для работы в условиях сухого трения в основном легированы хро-

мом (до 0,6%) и никелем (до 2,5%) с добавками таких элементов, как титан,

медь вольфрам, молибден. Из таких чугунов изготовляют тормозные барабаны автомобилей, диски сцепления, суппорты токарных станков, гильзы цилиндров и др. Высокой износостойкостью обладает высокохромистый чугун, например,

марки ИЧХ12ГЗМ (12-14%Сr; 2,8-3,8% Мn; 0,4-0,8% Мо), применяемый для дробильных вальцов, шаров шаровых мельниц и др.

Жаростойкие чугуны. К ним относится хромистый чугун с содержанием хрома от 0,5 до 30%; например: чугун марки ЖЧХ-30 (28-32% Сr), применяе-

мый для деталей печей и вагранок, фурм и других деталей, работающих при высоких температурах (до 900° С); кремнистый чугун марки ЖЧС-5,5 (5-6% Si),

применяемый для изготовления деталей, работающих при температурах до 800°

С, для рам дверок мартеновских печей, деталей котлов и др.; алюминиевый чу-

гун марки ЖЧЮ-22 (19-25% Аl), обладающий наиболее высокой жаростойко-

стью и применяемый для деталей, работающих при температурах до 1150° С (шлаковые фурмы доменных печей, плавильные тигли и др.).

258

Жаропрочные чугуны. К ним относится, например, чугун с шаровидным графитом марки ЧН11Г7Х2Ш (10-12% Ni; 5-8% Мn; 1-2,5% Сr), обладающий высокими жаропрочными свойствами и применяемый для деталей дизелей,

компрессоров по сжижению газов и др.

Коррозионностойкие чугуны. Эти чугуны бывают низко- и высоколеги-

рованные. Низколегированный чугун, например, марки ЧН1ХМД (0,7-1,5% Ni; 0,2-0,6% Сr; 0,3-0,6% Мо; 0,2-0,5% Сu) применяют для деталей, работающих при повышенных температурах в газовых средах (блоки и головки цилиндров двигателей внутреннего сгорания и др.). Высоколегированные чугуны - это кремнистые сплавы (ферросилиды), содержащие 14-18% Si (например, марка С17), стойкие во всех кислотах и щелочах. Их применяют для изготовления де-

талей насосов, оборудования для концентрированных серной и азотной кислот и др.

Антифрикционные чугуны (см. гл. XIX).

§ 5. Термическая и химико-термическая обработка чугунов

Термическая обработка. Чугунные отливки подвергают отжигу (для сня-

тия внутренних напряжений и графитизирующему отжигу), нормализации, за-

калке с отпуском.

Отжиг для снятия внутренних напряжений (отливок из серого и высоко-

прочного чугунов) проводят при температуре 500-650° С (в зависимости от чу-

гуна) с выдержкой 3-10 ч (в зависимости от размера отливки).

Графитизирующий отжиг (отливок из тех же чугунов) проводят:

а) при температуре 680-750° С с выдержкой 1-4 ч для графитизации цементита перлита и получения вместо структуры перлит +

графит структуры феррит + перлит + графит или феррит + графит, что снижает прочность и твердость и улучшает обрабатываемость чугуна на металлорежу-

щих станках;

259

б) при температуре 900-9500 С с выдержкой 1-5 ч отливок половинчатого или отбеленного чугуна для графитизацип избыточного цемен-

тита или цементита ледебурита и получения структуры перлит + графит.

Нормализацию (отливок из серого, высокопрочного и ковкого чугунов)

проводят при 850-950° С для увеличения количества связанного углерода в ре-

зультате растворения части графита в аустените с получением перлитного чу-

гуна (вместо ферритного или феррито-перлитного чугуна), что повышает твер-

дость и износостойкость чугуна.

Закалку (отливок из серого, высокопрочного и ковкого чугунов) проводят при нагреве до 850-930° С с выдержкой 0,5-3 ч для прогрева и насыщения ау-

стенита углеродом (поэтому выдержка тем длительнее, чем больше в чугуне феррита и меньше перлита), с охлаждением в воде или масле с получением структуры мартенсит + графит с твердостью HRC55-60. Отпуск проводят при

250-300° С (для деталей, работающих на износ) или при 400-600° С.

Кроме обычной закалки чугунные отливки подвергают также изотерми-

ческой и поверхностной закалке.

Химико-термическая обработка. Чугунные отливки подвергают:

а) азотированию для повышения твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Обычно азотируют отливки из легированного и высо-

копрочного чугунов;

б) алитированию для повышения жаростойкости;

в) диффузионному хромированию для повышения твердости,

износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости.

Режимы химико-термической обработки чугуна в основном аналогичны режимам обработки стали (см. гл. IX).

260

Глава XVI

МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ

§ 1. Медь и ее свойства

Медь - древнейший металл. Он стал использоваться человеком еще очень давно: в природе встречались самородки меди, из которых можно было путем удара каменными орудиями изготовить украшения или простейшее оружие. В

настоящее время самородная медь встречается редко и основная масса металла добывается из руд, содержащих всего 1-2% меди.

Мировое производство меди в 70-х годах в капиталистических странах превышало 5 млн. т в год.

Наиболее важным свойством меди, обеспечившим ей широкое примене-

ние, является хорошая электропроводность и теплопроводность, высокая пла-

стичность и способность образовывать технологичные сплавы, которые отлич-

но обрабатываются и обладают хорошими механическими свойствами (подроб-

нее о сплавах см. ниже).

Температура плавления меди 1083° С, кипения - 2360° С. Предел прочно-

сти чистой меди не очень высок и составляет 220 МПа (22 кгс/мм2). Ее кристал-

лическая решеткакубическая гранецен-трнрованная, параметры решетки а =

0,361 Нм (3,61 А). Плотность равна 8,93 г/см3, а твердость меди почти в два раза меньше, чем у железа НВ 35.

§2. Медные руды и пути их переработки

Внастоящее время главнейшим природным источником для получения меди (~80% мировой добычи) служат сульфидные руды, содержащие чаще все-

го халькопирит CuFeS2, называемый медным колчеданом, или другие серни-

стые минералы меди, например борнит 5Cu2S • Fe2,S3, халькозин CuS и др. В

этих рудах обычно находится много пирита FeS2, а иногда и сульфиды различ-

ных цветных металлов. Особенно часто в рудах содержатся цинк, свинец, ни-

кель, молибден, а нередко серебро и золото.Вторым по значению источником