Соотношение свойств ВЧШГ в отливках и стандартных пробах

Основными химическими элементами, определяющими структуру и свойства ВЧШГ, являются углерод и кремний. Лимитируется содержание в чугунах вредных примесей (серы и фосфора) и технических примесей (марганца, хрома, меди, никеля). Рекомендуемые химические составы чугуна в зависимости от толщины стенки отливки приведены в табл.7.

Содержание фосфора в ЧШГ не должно превышать 0,05%; при более высоком содержании фосфора резко снижается ударная вязкость при отрицательных температурах.

Содержание магния в ЧШГ обычно составляет от 0,02 до 0,07%. При этом должно соблюдаться соотношение Mg_ocт / S_ocт не менее 3,0. Если это соотношение не соблюдается, то в структуре чугуна появляются переходные формы графита, а при значении отношения меньше 1,0 - только пластинчатый графит.

Таблица 7

Рекомендуемые химические составы ВЧШГ (но ГОСТ 7293-85)

Из табл.7 видно, что содержание углерода во всех марках ВЧШГ примерно одинаково и составляет 3,2-3,8%. Основное различие между марками чугуна состоит в содержании кремния и в особенностях технологического процесса изготовления отливок и деталей.

На рис.5 приведена структурно-прочностная номограмма для отливок из ВЧШГ, получаемого путем комплексного модифицирования лигатурами Fe-Si-Mg-Ca-РЗМ. Верхняя часть номограммы – прочностная – характеризует зависимости предела прочности s_В чугунов от содержания в них кремния для нескольких существенно отличающихся толщин стенок отливок (от 10 до 100 мм). В нижней части – структурной – показано влияние кремния на содержание в структуре металлической основы чугуна различных составляющих (перлита П, феррита Ф, структурно свободного цементита Ц) для отливок с теми же толщинами стенок.

Видно, что прочностные свойства и структура чугуна определяются, прежде всего, содержанием кремния и толщиной стенки отливки. Максимумы прочности не совпадают с максимальными количествами перлита в структуре, смещаясь от последних в сторону содержания небольших количеств структурно свободного цементита (5-8 %).

На номограмме показан пример ее использования. Предположим, что в отливке с толщиной стенки а = 50 мм чугун должен соответствовать марке ВЧ 50. Из номограммы можно определить, какой марке должен соответствовать этот чугун в литой стандартной пробе (т.е. его соответствие марке по ГОСТ 7293-85), каковы особенности структуры чугуна в стандартной пробе и отливке и каким должно быть содержание кремния в чугуне.

Из точки на вертикальной шкале с s_В = 500 МПа проводим горизонтальную линию до пересечения с кривой 3 (а = 50 мм). От точки пересечения А проводим вертикальную линию вверх до пересечения с кривой 2 (точка В) и вниз до горизонтальной шкалы, на которой определяем необходимое содержание кремния в чугуне (2,55%). По ординате точки В находим необходимый предел прочности чугуна в стандартной пробе. Видно, что эта величина близка к s_В = 600 МПа, т.е. чугун должен соответствовать марке ВЧ 60 по ГОСТ 7293-85. В структурной части номограммы вертикальная линия пересекает линии 3 по содержанию перлита (точка D) и феррита (точка Е), ординаты которых дают значения ~ 60%П и ~ 40%Ф. Ординаты точек пересечения вертикальной линии с линиями 2 (точек D^′, E^′ и F^′) показывают содержания в структуре чугуна стандартной пробы соответственно ~ 79% перлита, ~ 19% феррита и около 2% цементита.

Значительное повышение прочности чугуна может быть обеспечено путем дополнительного легирования чугуна элементами, способствующими перлитизации и графитизации структуры, например, медью или никелем. Из этих элементов чаще всего используют медь. На рис.6 показано влияние 0,5 и 1,5% меди на смещение линий 2 структурно-прочностной номограммы, т.е. на изменение предела прочности и структуры чугуна в литых стандартных пробах. Видно, что уже при 0,5% меди на структурной диаграмме появляется область с чисто перлитной структурой, а максимум предела прочности s_В достигает 800 МПа. При увеличении содержания меди до ~ 1,5% на структурной диаграмме появляется широкая перлитно-бейнитная область, которой соответствуют очень высокие значения прочности (s_В = 900-1000 МПа и более). Это значит, что с помощью комплексного модифицирования и легирования чугуна медью в количестве 1,5-2% можно в литом состоянии (т.е. без термической обработки) получать чугун марок ВЧ 80 и ВЧ 100 с троосто-бейнитной структурой матрицы.

Гарантированно можно обеспечить получение чугунов марок ВЧ 100 и ВЧ 120 с помощью термической обработки на бейнитную или бейнитно-мар-тенситную структуру. Бейнитные чугуны таких марок не включены в действующие национальные стандарты, но в небольших объемах производятся по техническим условиям промышленных корпораций. В качестве примера в табл.8 приведены марки и механические свойства бейнитных ЧШГ по техни­ческим условиям международной корпорации Mechanite Worldwide.

В структуре бейнитных чугунов находится и некоторое коли­чество остаточного аустенита: в чугуне К-900/7 30-40%, в чугуне К-1000/5 20-30%, в чугуне К-1200/3 10-20%.

Высокопрочный чугун получают путем сфероидизирующего модифицирования. Обычно сфероидизирующее модифицирование совмещают (комплексное модифицирование) или сопровождают (предсфероидизирующее или послесфероидизирующее, т. е. повтор­ное, модифицирование) графитизирующим модифицированием. Некоторые сфероидизирующие и комплексные модификаторы и методы обработки ими чугуна приведены в табл.9.

Некоторые примеси оказывают вредное влияние на процесс модифицирования и свойства чугуна, десфероидизируя графит. Поэтому их содержание в чугуне ограничивается (до 0,009%Рb; 0,13%Sn; 0,026%Sb; 0,04%Ti; 0,08%As; 0,3%A1). С целью нейтрализации десфероидизирующего действия этих элементов, а также меди, ванадия и некоторых других элементов» в состав комплексных модификаторов вводят РЗМ.

Таблица 8

Характеристики бейнитных ЧШГ корпорации Mechanite Worldwide

Таблица 9