Чугуны

Чугун

Серые чугуны благодаря низкой стоимости, хорошим литейным качествам, легкой обрабатываемости и высокой циклической вязкости широко применяют для изготовления корпусных деталей стационарных, а также транспортных машин. Недостатками серых чугунов (табл. 10) являются малые прочность и ударная вязкость, хрупкость (относительное удлинение δ < 0,3%), а также низкое значение модуля упругости (рис. 79). Серые чугуны, как и многие другие литейные материалы, не подчиняются закону Гука; кривая напряжения-деформации у них не имеет прямолинейного участка.

В качестве характеристики сопротивления чугунов упругой деформации принимают условную величину — относительный модуль упругости, определяемый по деформации при напряжении, равном 0,25—0,3 предела прочности на растяжение. В связи с этим непосредственное сравнение модулей упругости чугунов и материалов, подчиняющихся закону Гука, является нестрогим.

Механические свойства серых чугунов

Механические свойства ковких чугунов

Механические свойства высокопрочных чугунов

Модуль нормальной упругости чугунов

Модули упругости высокопрочных и ковких чугунов имеют более устойчивую величину; эти материалы можно рассматривать как упругие.

Малая прочность серых чугунов обусловлена главным образом пластинчатой формой графитных включений (рис. 80, а), эквивалентных внутренним трещинам. Перлитизация (присадка силикокальция, ферросилиция, графитного порошка) способствует получению наиболее благоприятной для прочности перлитной структуры (рис. 80, б), коагуляции графита, уменьшает склонность к отбеливанию и повышает прочность на 30—50%.

Структуры чугунов

Ковкие чугуны, получаемые отливкой белых (цементитных) чугунов с последующей длительной термообработкой, в результате которой цементит распадается с выделением феррита и коагулированного (хлопьевидного) графита (рис. 80, в), превосходят серые перлитные чугуны по прочности на 10—15% и в отличие от последних обладают довольно высокой пластичностью (δ до 12%). Недостатком является низкая производительность технологического процесса (длительность термообработки до 150 ч).

Высокопрочные чугуны — это чугуны, легированные Cr, Mg и другими элементами, термообработанные на зернистый перлит, с шаровидной формой графитовых включений (рис. 80, а), получаемой сфероидизирующим модифицированием (модификаторы: металлический Mg, лигатуры Mg с Si и Ni, редкоземельные металлы). Типичный состав высокопрочного чугуна: 3,4—3,6% С; 2,5—3,5% Si; 1,2—1,3% Мn; 0,03—0,1% Mg; 0,15—0,25% Cr; не более 0,005% S; не более 1% Р. Термообработка заключается в гомогенизирующем отжиге и нормализации при 950°С (выдержка 6—8 ч) с последующим охлаждением со скоростью 30—60°С/мин. Далее следует отпуск при 650—700°С с выдержкой 8 ч и охлаждение на воздухе.

Гораздо производительнее изотермическая закалка с 850°С в расплаве солей (50% NaNO3, 50% KNО3) при 300—350°С с выдержкой 2 ч и охлаждением в воде.

Высокопрочные чугуны по механическим свойствам превосходят серые и ковкие чугуны и приближаются к углеродистым конструкционным сталям.

Чугуны, дополнительно легированные небольшими количествами Ni (0,3—0,5 %), Мо (0,2—0,3%), Nb (0,1%) и подвергнутые изотермической закалке, имеют следующие механические свойства: σв = 1200 Мпа; δ = 3%; ан = 0,3 МДж/м2.

Высокопрочные чугуны можно подвергать поверхностной закалке с нагревом ТВЧ и упрочнению наклепом. Чугуны с присадкой Al поддаются азотированию (HV ≈ 900).

Из высокопрочных чугунов изготовляют ответственные тяжелонагруженные детали, например, коленчатые валы, которые по прочности не уступают кованым и штампованным валам из углеродистых и низколегированных сталей, а по износостойкости превосходят их. Стоимость изготовления литых валов во много раз меньше, чем штампованных.

Литейные качества высокопрочных чугунов ниже, чем серых (усадка серых чугунов 0,8—1,2%, высокопрочных 1,3—1,8%). Все высокопрочные чугуны льются значительно лучше, чем литейные стали. Необходимо тщательное обессеривание чугуна, иначе в отливке выделяются сульфиды магния (в виде черных пятен), вызывающие местное ослабление отливок.

Следует иметь в виду, что высокопрочные чугуны значительно уступают серым чугунам по циклической вязкости.

Циклической вязкостью называют свойство металлов частично превращать энергию упругих деформаций в теплоту вследствие внутренних потерь на трение. Чем больше циклическая вязкость, тем выше способность металла гасить колебания при циклической нагрузке.

Циклическая вязкость характеризуется коэффициентом ψ гистерезиса (процентное отношение потери v энергии за цикл деформации и полной энергии w деформации):

Циклическая вязкость чугуна

На рис. 81 приведены коэффициенты гистерезиса для чугунов и сталей в функции амплитуды τ колебания напряжений за цикл деформации.

Коэффициенты гистерезиса для чугунов и сталей

Циклическая вязкость серых чугунов в 5—6 раз больше, чем углеродистых сталей, и в 10—20 раз больше, чем легированных сталей. Высокопрочные чугуны по циклической вязкости примерно равноценны сталям; модифицированные чугуны занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными.

Циклическая вязкость цветных металлов крайне низкая. Исключение составляют магниевые сплавы, приближающиеся по циклической вязкости к углеродистым сталям.