Специальные легированные чугуны

В современном машиностроении необходи­мо применять отливки из чугунов, обладающие наряду с конструкционной прочностью рядом специальных свойств, которые обеспечивают их надёжную и длительную эксплуатацию в различных агрессивных средах или специфи­ческих условиях. Структура и специальные свойства определяются, главным образом, степенью легированности чугуна. К этой группе чугунов по ГОСТ 7769–82 относятся 40 марок легированных чугунов: жаростой­кие, которые обладают окалиностойкостью, росто- и трещиноустойчивостью, жаропрочные и коррозионно-стойкие (одновременно и износостойкие) чугуны.

Жаростойкость серых чугунов и ВЧШГ может быть повышена легированием кремнием (ЧС5¸ЧС17) и хромом (ЧХ1¸ЧX32)*. Эти чу­гуны характеризуются жаростойкостью (окалиностойкостью) до 800 °С на воздухе, в топочных и генераторных газах. Высокой тер­мостойкостью и сопротивляемостью окалинообразованию обла­дают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15Д3Ш. В качестве жаро­прочных чугунов используют аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19Х3Ш и ЧН11Г7Ш. В зависимости от содержания каждый элемент в отдельности или в сочетании с другими придает чугуну одновременно несколько специальных свойств.

Наиболее распрос­транённым видом термической обработки является отжиг или низкотемпературный отпуск для снятия остаточных напряжений, которые возникают у большей части отливок из высоколегированных чугунов, имеющих высокие модуль упругости, линейную усадку, твёрдость и низкую теплопроводность.

Для повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу при температуре 1020¸1050 °С с охлаждением на воздухе и последу­ющему отпуску при температуре 550¸600 °С. После отжига леги­рованные карбиды приобретают форму мелких округлых включе­ний, а карбид М₃С растворяется в аустените. В качестве коррози­онно-стойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды ЧС13, ЧС15, ЧС17) и хромом (ЧХ22, ЧХ28, ЧХ32). Они обладают высокой коррозионной стойкостью в серной, азот­ной и ряде органических кислот. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом: 4С15М4, 4С17М3 (антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щело­чах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун 4Н15Д7. 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).

Основные принципы выбора чугунов для деталей машин

Благодаря присутствию графита чугуны представляют собой распространённый, а в ряде случаев незаменимый материал для деталей машин и инструмента, обладающий прекрасными технологическими свойствами. Во всех случаях, где анализ напряжённого состояния детали показывает, что превалируют напряжения сжатия и изгиба, а уровень растягивающих напряжений незначителен и по другим условиям работы физико-механические свойства чугуна соответствуют требованиям, предъявляемым к деталям, особенно если детали имеют сложную форму, следует при выборе материала отдавать предпочтение чугунам. Далее необходимо определить, какой вид чугуна – серый, ковкий или высокопрочный в порядке возрастания требований к комплексу механических свойств – более подходит для данной детали.

Если к деталям предъявляются требования специальных служебных свойств (коррозионной стойкости и жаростойкости, немагнитности и др.), необходимо использовать специальные чугуны, рассмотренные в разд. 5.7¸5.10.

Механические свойства

Поскольку в основу стандартизации чугунов заложен принцип регламентирования минимально допустимого значения времен­ного сопротивления разрыву (предела прочности при растяжении) σ_в и относительного удлинения в процентах, определяемых в образцах, вырезанных из стандартной литой заготовки диаметром 30 мм, в пределах выбранного вида чугуна по форме графита назначение марки не представляет затруднений. Для соответствующих видов чугуна выбор марки можно провести на основе номограммы (рис. 5.2) и
табл. 5.2¸5.8.

Для деталей из чугуна становится предопределённым и выбор одного из видов литейных технологий, поскольку чугун не подвергают обработке давлением. Расплав чугуна обладает хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к обра­зованию усадочных дефектов. Из него можно изготавливать отлив­ки самой сложной конфигурации с толщиной стенок 2¸500 мм. После извлечения отливок из литейных форм их подвергают простой термической обработке.

Технологические режимы термической обработки отливок из чугуна не отличаются большим разнообразием – чаще всего это отжиг для снятия литейных напряжений (реже – нормализация с отпуском) и графитизирующий отжиг для ковкого чугуна. В случаях использования чугуна как износостойкого материала для деталей машин, работающих в условиях адгезионного или абразивного изнашивания (например, коленчатые и распределительные валы автомобилей), или инструмента необходима поверхностная или объёмная закалка на высокую твёрдость. В ряде случаев для повышения износостойкости используют отбеливание рабочих слоёв при отливке или оплавление рабочей поверхности серого чугуна концентрированными источниками энергии (технология отбеливания рабочей поверхности кулачков распределительных валов с помощью оплавления при плазменном нагреве принята на Автовазе).

Износостойкость чугунов

Поскольку износостойкость сплавов не связана однозначно с уровнем механических свойств, определяемых при растяжении, а с точки зрения структурно-энергетической теории обусловлена способностью структуры адаптироваться к условиям внешнего нагружения и поглощению энергии внешнего воздействия без разрушения, необходимо в целях рационального выбора чугунов для конкретных узлов трения рассмотреть структурные факторы повышения износостойкости чугунов.

Износостойкость серого чугуна при опреде­лённых условиях трения в значительной степе­ни зависит от соотношения основных струк­турных составляющих: перлита, феррита, свободного цементита, графита. Перлит является основной структурной составляющей, обеспечивающей достаточный уровень износостойкости серого чугуна. С повышением дисперсности перлита относи­тельный износ чугуна снижется. При формировании мартенситно-бейнитной матрицы в структуре серого чугуна в процессе его закалки на порядок снижается износ.

Феррит является наименее износостойкой структурной составляющей, поэтому наличие его в структуре серого чугуна снижает твёр­дость и износостойкость последнего. В наи­большей степени это проявляется при содержа­нии феррита более 5…15 %. Для приближённой оценки влияния феррита на относительный износ И₀ серого чугуна можно использовать соотношение

И₀ = 1 + К (% Ф),

где К – коэффициент, характеризующий влия­ние феррита; К = 0,5¸1,5
для Si > 2,0 %; К = 1,5¸2,5 для Si < 2,0 %; % Ф – содержание феррита в структуре чугуна, %.

Наличие феррита в структуре серого чугуна вполне допустимо и может сказываться благоп­риятно только в условиях вращательного движения при малых скоростях и давлениях и относительно мягком контртеле (цветные сплавы, пластмасса). При этом улучшаются условия приработки пар трения и сокращается время приработки.

Графит оказывает большое влияние на износостойкость серого чугуна, особенно при трении со смазкой. Вследствие того что графи­товые включения способствуют удержанию смазки, с увеличением содержания графита износостойкость чугуна возрастает. Однако формирование графитовых включений, обра­зующих сплошную сетку, не допускается. Поэтому для обеспечения износостойкости оптимальным является равномерно распреде­ленный графит ПГр1, пластинчатой ПГф1 или завихрённой ПГф2 формы. Рекомендуемое содержание графита 5¸12 %, наиболее благо­приятная длина включений l = 90¸350 мкм (ПГд90, ПГд180, ПГд350). Расстояние между графитовыми включениями должно быть не менее 1/3 l. Междендритный гнездообразный графит резко снижает износостойкость серого чугуна, особенно при низком содержании фосфора
(Р < 0,12 %).

Эвтектический свободный цементит повы­шает износостойкость чугуна, особенно в условиях абразивного изнашивания, но при этом увеличивает износ контртела. Этот недостаток устраняется при использовании чугуна с мартенситной или бейнитной матри­цей. Отдельные крупные включения свободно­го цементита в структуре чугуна недопустимы, так как они легко выкрашиваются и ускоряют изнашивание. Наличие цементита или карби­дов в легированном чугуне в виде сплошной тонкой сетки с баллом Ц2, Ц4 в наибольшей степени способствует повышению его износостой­кости.

Наиболее высокий уровень эксплуатацион­ных свойств серого чугуна в условиях трения может быть достигнут за счет формирования «островковой» структуры его металлической матрицы в соответствии с принципом Шарпи-Бочвара. По этому принципу наиболее твердые структурные составляющие – фосфидная эвтектика, цементит или карбиды – дол­жны равномерно распределяться в менее твёрдой, вязкой матрице: перлитно-ферритной или аустенитной. Эти включения должны быть средней дисперсности и изолированы друг от друга или образовывать тонкую сплошную сетку, ячейки которой заполнены вязкой матрицей. Такая структура может быть достиг­нута при содержании фосфора в чугуне более 0,35 %. Фосфидная эвтектика должна соотве­тствовать баллам Ф2, Фр2. Сочетание структу­ры высокодисперсного перлита с включениями фосфидной эвтектики и среднепластинчатого графита обеспечивает высокую износостой­кость гильз двигателей внутреннего сгорания. Дополнительное легирование серого чугуна хромом в количестве Cr~ 1,5 (% Р) или ванадием V = 0,8 (% Р) приводит к образованию двойной или тройной эвтектики, в результате чего твёрдость повышается и возрастает износостойкость чугуна.

Влияние химического состава чугуна на износостойкость проявляется в изменении структуры чугуна.

Углерод оказывает определяющее влияние на формирование структуры матрицы и графи­та и является основным элементом, определяю­щим эксплуатационные свойства чугуна в условиях трения. В зависимости от конкретных условий эксплуатации рекомендуемое содер­жание углерода в износоустойчивых чугунах 2,2¸3,8 %.

Кремний хотя и способствует формированию феррита, увеличивает износостойкость чугуна, особенно при содержании его более 3,0¸3,5 %, так как  твёрдость феррита повышается. Содержание кремния в чугуне рекомендуется минимально возможное, но при этом необходи­мо обеспечить перлитную структуру матрицы и достаточное количество графита с учётом влияния углерода и скорости охлаждения отдельных частей отливки. Следовательно, для тонкостенных отливок содержание углерода и кремния должно быть несколько больше, чем для толстостенных.

Марганец повышает дисперсность перли­та, но при большом его содержании в структу­ре чугуна образуется свободный цементит. При этом заметно увеличивается коэффициент трения чугуна, а износостойкость может либо увеличиваться, либо уменьшаться в зависимос­ти от условий трения. Поэтому содержание марганца в сером чугуне не должно превышать 1,5 %. Однако в случае абразивного изнашива­ния для получения аустенитной матрицы содержание марганца может достигать 12 %.

Сера увеличивает количество связанного углерода, износостойкость серого чугуна и уменьшает коэффициент трения. Содержание серы  в  обычных  износостойких чугунах дол­жно быть не более 0,15 %.

Фосфор повышает износостойкость серого чугуна за счет образования фосфидной эвтек­тики. Для образования необходимого количес­тва и типа фосфидной эвтектики с учётом химического состава чугуна и скорости охлаж­дения оптимальное содержание фосфора выбирают равным 0,25¸1,0%. При содер­жании 0,25¸0,60 % Р фосфидная эвтектика образуется в виде разорванной сетки, а при содержании Р > 0,60 % – в виде замкнутой, сплошной сетки. С увеличением скорости охлаждения, т.е. для тонкостенных отливок, содержание фосфора в чугуне необходимо увеличивать.

Легирующие элементы – хром, никель, титан, медь, ванадий, молибден, алюминий, сурьма, олово, висмут – существенно повыша­ют износостойкость чугуна при различных условиях и видах трения. Различные комбина­ции этих элементов позволяют получать чугуны с различным соотношением структур­ных и фазовых составляющих. Это обусловли­вает широкую область применения серых легированных износостойких чугунов для изготовления деталей узлов трения (подшип­ники скольжения, поршневые кольца, гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, тормозные колодки и барабаны, направляю­щие металлорежущих станков и др.).

Хром образует высокостабильные карбиды, повышает износостойкость чугуна при обыч­ных и повышенных температурах. В среднелегированных износостойких чугунах содержа­ние хрома не должно превышать 1,5 %. При увеличении содержания хрома более 1,5 % в структуре чугуна образуются грубые включе­ния свободного цементита, которые снижают эксплуатационные свойства чугуна в условиях трения. Для устранения указанного недостатка рекомендуется комплексное легирование серого чугуна хромом и никелем в соотноше­нии
Сr : Ni= 1 : (0,5¸1,0).

Титан (до 0,3 %), ванадий (до 0,6 %), бор (до 0,1 %) и молибден (до 1,0 %) повышают износостойкость серого чугуна за счет образования структурно стабильных карбидов и повышения дисперсности перлита. При соотношении содержания карбидообразующих элементов и фосфора Σ(Сг+V+Тi) : Р = 1,5 в структуре чугуна формируется двойная, а частично и тройная карбидно-фосфидная эвтектика. Это повышает твёрдость эвтектики, а следовательно, и износостойкость чугуна в 1,5¸2,0 раза.

Алюминий, как и кремний, является графитизатором и вводится в серый чугун с повышенным содержанием марганца. Различные соотношения содержания марганца и алюминия позволяют получать чугуны с различным сочетанием структурных и фазовых составляющих в матрице чугуна. Это обусловливает широкое использование алюминиево-марганцевых чугунов в различных условиях трения.

Медь, сурьма, олово, висмут являются стабилизаторами перлита, повышают износостойкость чугуна за счет обеспечения структурной стабильности перлитной матрицы в процессе эксплуатации изделий. Кроме того, являясь поверхностно-активными элементами, сурьма, олово, висмут способствуют образованию оптимальных размеров и благоприятному распределению графитных включений.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации износостойкие серые чугуны разделяют на следующие основные группы:

- антифрикционные для подшипников скольжения;

 - фрикционные для тормозных узлов меха­низмов;

 - для гильз цилиндров дизельных двигате­лей;

 - для поршневых колец;

 - для седел клапанов и направляющих втулок клапанов;

 - для направляющих металлорежущих станков.

Взаимосвязь структуры и свойств антифрикционных чугунов для подшипников скольжения рассмотрена в разд. 5.7. Фрикционный чугун используется в тормоз­ных узлах и фрикционных передаточных механизмах, работающих при трении без смазки. Основные требования, предъявляемые к фрикционному чугуну, –высокое и стабильное значение коэффициента трения ( f = 0,25¸0,50), высокие износостойкость, теп­лопроводность, теплостойкость и термостой­кость. Для предотвращения схватывания между элементами пары трения фрикционный чугун должен иметь минимальную склонность к пластическому деформированию, т.е. высокий предел текучести.

Оптимальное сочетание износостойкости и коэффициента трения обеспечивается нали­чием в структуре чугуна перлитной матрицы с дисперсностью Пд1,0¸Пд1,4, содержание феррита не должно превышать 10 %. Фосфидная эвтектика должна быть в виде отдельных включений площадью ФЭп6000. Графит должен быть пластинчатой или завихрённой формы (ПГф1, ПГф2, ПГф3), равномерно распредёленный ПГр1, с длиной пластин l = 60¸200 мкм и расстоянием между ними около 1/3 l. При формировании точечного междендритного графита износостойкость чугуна резко снижается. Доля включений графита 2¸6 % (ПГ2, ПГ4, ПГ6).

Твёрдость НВ фрикционного серого чугуна должна составлять 1900…2600 МПа. При повышении твёрдости более 2600 МПа изно­состойкость чугуна увеличивается, но вместе с тем уменьшается коэффициент трения, что приводит к увеличению тормозного пути. В результате обработки экспериментальных данных установлена корреляционная зависи­мость между износом И (%) на 1000 км эксплу­атации тормозных колодок из серого чугуна и его твёрдостью НВ:

И = 26,5 е^-0,01НВ .

У серого чугуна для гильз цилиндров структура должна состоять из высокодис­персного (сорбитообразного) перлита Пд0,3; Пд0,5; фосфидной или фосфидно-карбидной эвтектики, содержание феррита не должно превышать 5 %. Графит должен быть среднепластинчатый, неориентированный ПГд90¸ПГд 180. В чугуне для гильз высокофор­сированных дизелей допускается структурно-свободный цементит не выше балла Ц2, Цп4.

Износ гильз цилиндров двигателя ЗИЛ-130, изготовленных из низколегированного чугуна СЧ25 твёрдостью 187¸207 НВ, составляет 1,5¸2,5 мкм на 1000 км пробега автомобиля. Гильзы из среднелегированного  фосфористого  чугуна  с  Сг = 0,5¸0,6 %,  Ni = 0,4¸0,6 %, Мо = 0,5¸0,6 %, Сu = 0,7¸0.8 %, Р = 0,4 % и твёрдостью 197¸255 НВ имеют износ 1,0¸1,5 мкм на 1000 км пробега.

При легировании серого чугуна комплексом Сг–Ni–Мо–Сu минимальную интенсив­ность изнашивания 0,6…0,8 мг/ч имеет чугун с Σ(С+Si) = 4,6¸5,1 %. При легировании ком­плексом Ni–Мо–Сu–V минимальную интен­сивность изнашивания 3,0…5,0 мг/км имеет чугун с Σ(С+Si) = 4,4¸4,8 %. При содержа­нии в чугуне карбидообразующих элементов – хрома, ванадия и фосфора в соотношении (Сг+2V):Р = 1,2¸1,4 – в структуре фосфидной эвтектики появляется цементит, что повыша­ет её твёрдость. Сочетание двойной фосфид­ной эвтектики с высокодисперсным перли­том и среднепластинчатым графитом обеспе­чивает максимальную износостойкость гильз цилиндров автотракторных двигателей. Для повышения дисперсности и стабильности перлита чугун для гильз цилиндров обрабаты­вают микролегирующими добавками: (0,01¸0,04) % В, (0,06¸0,3) % Sb, (0,08¸0,12) % Sn.

Чугун для поршневых колец двигателей внутреннего сгорания должен отвечать требо­ваниям ГОСТ 621–87. Наиболее предпочти­тельной является структура мелкопластинча­того или сорбитообразного перлита с равно­мерно распределенным графитом завихрённой и прямолинейной формы размером не более ПГд180. Феррит допускается в виде отдельных мелких включений общей площадью не более 5 %. Наличие структурно-свободного цементи­та не допускается, так как это приводит в повышенным твёрдости, хрупкости и плохой обрабатываемости колец. Твёрдость поршне­вых колец должна быть 98¸106 НRВ. Высоко­температурный отпуск заготовок поршневых колец при температуре 550¸600 °С в течение 3 ч с последующим охлаждением на воздухе устраняет неравномерность распределения структурных составляющих и твёрдости, характерную для литого состояния.

Чугун для сёдел клапанов и направляющих втулок клапанов должен иметь высокую износостойкость, быть устойчив к ударным нагрузкам и воздействию температур до 600 °С. Эксплуатационная долговечность сёдел клапанов обеспечивается применением сложнолегированных серых чугунов. В зависимости от комбинации легирующих элементов (Сг, Ni, Мо, Сu, Р) и режимов термообработки структу­ра чугуна для сёдел клапанов может состоять из перлита, графита, включений карбидно-фосфидной эвтектики или сорбита и включений карбидофосфидов. После высокого отпуска при температуре 570 °С в течение 1¸1,5 ч металлическая основа представляет собой бейнит, в котором равномерно распределена сетка карбидофосфидной эвтектики площадью не более 5 % площади шлифа. Твёрдость должна быть 32,0¸35,0 НRС_Э.

Сопротивление изнаши­ванию высокопрочного чугуна определяется главным образом его металлической основой и твёрдостью. Износостойкость увеличивается при переходе от ферритной к перлитной и бейнитной структурам металлической основы. ЧШГ с бейнитной металлической основой несмотря на присутствие графита по абразивной износостойкости не уступает износостойкой стали 110Г13Л. Соотношение значений относительной изно­состойкости в абразивной среде низколегиро­ванного чугуна с пластинчатым графитом, перлитного и бейнитного ЧШГ, а также белого чугуна и марганцовистой стали следующее: 1,0 : 1,4 : 2,2 : 4,0 : 2,2.

При трении «металл-металл» со смазкой высокопрочные чугуны по антифрикционным свой­ствам превосходят ряд других антиф­рикционных материалов. Соотношение значе­ний относительного износа бронзы ОЦС 5-2-5, ЧПГ, ЧШГ с зернистым перлитом, бейнитного ЧШГ, азотированного ЧШГ, мартенситного ЧШГ следующие: 23 : 14 : 8 : 8 : 6 : 5.

Легирование до 4¸5 % кремния за счет образования силикоферрита повышает изно­состойкость ферритного ЧШГ при сухом трении. Легирующие элементы способствуют увеличению доли перлита в матрице высоко­прочного чугуна и повышают его износостой­кость.

Комплексное легирование кремнием (2,5¸4,5 %), марганцем (0,5¸2,5 %) и медью (до 2,0 %) обеспечивает высокую износостой­кость ЧШГ, а абсолютный износ этого чугуна с перлитной структурой в абразивной среде (кварцевый песок) может быть определён по формуле

ΔМ = 3,69 + 2,8 Si – 1,0 Сu – 0,57 СuМn,

где ΔМ – потеря массы испытуемого образ­ца, г; Si, Сu, Мn – массовая доля элементов в чугуне, %.

При увеличении содержания фосфора с 0,1 до 0,7¸0,8 % износостойкость нелегированного ЧШГ повышается в десятки раз, что связано с образованием в структуре равномерно рас­пределённых включений фосфидной эвтекти­ки. Более высокое содержание фосфора снижа­ет износостойкость ЧШГ из-за выкрашивания крупных включений фосфидной эвтектики.

⇐ Предыдущая30313233343536373839Следующая ⇒

Поделиться: