Конструкционные жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочность. Жаропрочные стали перлитного, мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Жаропрочные стали аустенитного класса с карбидным и интерметаллидным упрочнением. Области применения жаропрочных сталей. Жаропрочные сплавы на железоникелевой и никелевой основах.

Жаропрочность. Жаропрочные стали перлитного, мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Жаропрочные стали аустенитного класса с карбидным и интерметаллидным упрочнением. Области применения жаропрочных сталей.

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.
Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести.
Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.
Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность?²_в=, например?_в^300°С= 300МПа.
Прочность зависит от продолжительности испытаний. Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение , которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время. Например МПа, верхний индекс означает температуру испытаний, а нижний – заданную продолжительность испытания в часах. Для котельных установок требуется невысокое значение прочности, но в течение нескольких лет.
Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.
При испытаниях образцы помещают в печь с заданной температурой и прикладывают постоянную нагрузку. Измеряют деформацию индикаторами.
При обычной температуре и напряжениях выше предела упругости?>?_упр ползучесть не наблюдается, а при температуре выше 0,6Т_пл, когда протекают процессы разупрочнения, и при напряжениях выше предела упругости?>?_упр наблюдается ползучесть.
В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается кривой состоящей из трех участков (рис. 14.1):
Рис. 14.1. Кривая ползучести

1. 
   ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;
2. 
   АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести;
3. 
   ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость.

Если напряжения достаточно велики, то протекает третья стадия (участок СД), связанная с началом разрушения образца (образование шейки).
Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве выше 400° С.
Предел ползучести — это напряжение, которое за определенное время при данной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации. Обычно принимают?=1% за 1000 ч;?= 1% за 10⁴ ч;?= 1% за 10⁵ ч. Предел ползучести обозначают s^t_?/?. Например s⁵⁰⁰_1/1000, где верхний индекс (500) — это температура испытания °С, первый нижний индекс — заданное суммарное удлинение (1%), второй·— заданная продолжительность испытания в часах.
Классификация жаропрочных сталей и сплавов.
В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтовые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы. При температурах до 300° C обычные конструкционные стали имеют высокую прочность, нет необходимости использовать высоколегированные стали.
Для работы в интервале температур 350…500°C применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов.
Перлитные жаропрочные стали. К этой группе относятся котельные стали и сильхромы. Эти стали применяются для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания. Стали содержат относительно мало углерода. Легирование сталей хромом, молибденом и ванадием производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Используются в закаленном и высоко отпущенном состоянии. Иногда закалку заменяют нормализацией. В результате этого образуются пластинчатые продукты превращения аустенита, которые обеспечивают более высокую жаропрочность. Предел ползучести этих сталей должен обеспечить остаточную деформацию в пределах 1 % за время 10000…100000 ч работы.
Перлитные стали обладают удовлетворительной свариваемостью, поэтому используются для сварных конструкций (например, трубы пароперегревателей).
Для деталей газовых турбин применяют сложнолегированные стали мартенситного класса 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Увеличение содержания хрома повышает жаростойкость сталей. Хром, вольфрам, молибден и ванадий повышают температуру рекристаллизации, образуются карбиды, повышающие прочность после термической обработки. Термическая обработка состоит из закалки от температур выше 1000°С в масле или на воздухе и высокого отпуска при температурах выше температуры эксплуатации.
Для изготовления жаропрочных деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания), применяются хромокремнистые стали – сильхромы: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.
Жаропрочные свойства растут с увеличением степени легированности. Сильхромы подвергаются закалке от температуры около 1000°С и отпуску при температуре 720…780°С.
При рабочих температурах 500…700°C применяются стали аустенитного класса. Из этих сталей изготавливают клапаны двигателей, лопатки газовых турбин,сопловые аппараты реактивных двигателей. и т.д. Основными жаропрочными аустенитными сталями являются хромоникелевые стали, дополнительно легированные вольфрамом, молибденом, ванадием и другими элементами. Стали содержат 15…20 % хрома и 10…20 % никеля. Обладают жаропрочностью и жаростойкостью, пластичны, хорошо свариваются, но затруднена обработка резанием и давлением, охрупчиваются в интервале температур около 600°С, из-за выделения по границам различных фаз. По структуре стали подразделяются на две группы:

1. Аустенитные стали с гомогенной структурой 17Х18Н9, 09Х14Н19В2БР1,12Х18Н12Т. Содержание углерода в этих сталях минимальное. Для создания большей однородности аустенита стали подвергаются закалке с 1050…1100°С в воде, затем для стабилизации структуры – отпуску при 750°С.

2. Аустенитные стали с гетерогенной структурой 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.
Термическая обработка сталей включает закалку с 1050…1100°С. После закалки старение при температуре выше эксплуатационной (600…750°С). В процессе выдержки при этих температурах в дисперсном виде выделяются карбиды, карбонитриды, вследствие чего прочность стали повышается.
Жаропрочные сплавы на железоникелевой и никелевой основах.
Детали, работающие при температурах 700…900° C, изготавливают из сплавов на основе никеля и кобальта (например, турбины реактивных двигателей).
Никелевые сплавы преимущественно применяют в деформированном виде. Они содержат более 55 % никеля и минимальное количество углерода (0,06…0,12 %). По жаропрочным свойствам превосходят лучшие жаропрочные стали.
По структуре никелевые сплавы разделяют на гомогенные (нихромы) и гетерогенные (нимоники).
Нихромы. Основой этих сплавов является никель, а основным легирующим элементом – хром (ХН60Ю, ХН78Т).
Нихромы не обладают высокой жаропрочностью, но они очень жаростойки. Их применяют для малонагруженных деталей, работающих в окислительных средах, в том числе и для нагревательных элементов.
Нимоники являются четвертными сплавами никель – хром (около 20 %) – титан (около 2%) – алюминий (около 1 %) (ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ). Используются только в термически обработанном состоянии. Термическая обработка состоит из закалки с 1050…1150°С на воздухе и отпуска – старения при 600…800°С.
Увеличение жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов достигается упрочнением твердого раствора введением кобальта, молибдена, вольфрама.
Основными материалами, которые могут работать при температурах выше 900° C (до 2500° С), являются сплавы на основе тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена, ниобия и других.
Температуры плавления основных тугоплавких металлов: вольфрам – 3400° С, тантал – 3000°С, молибден – 2640° С, ниобий – 2415° С, хром – 1900° С.
Высокая жаропрочность таких металлов обусловлена большими силами межатомных связей в кристаллической решетке и высокими температурами рекристаллизации.
Наиболее часто применяют сплавы на основе молибдена. В качестве легирующих добавок в сплавы вводят титан, цирконий, ниобий. С целью защиты от окисления проводят силицирование, на поверхности сплавов образуется слой MoSi₂ толщиной 0,03…0,04 мм. При температуре 1700°С силицированные детали могут работать 30 часов.
Вольфрам – наиболее тугоплавкий металл. Его используют в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах различного назначения, в электротехнике и электронике (нити накала, нагреватели в вакуумных приборах).
В качестве легирующих элементов к вольфраму добавляют молибден, рений, тантал. Сплавы вольфрама с рением сохраняют пластичность до –196°С и имеют предел прочности 150 МПа при температуре 1800°С.
Для сплавов на основе вольфрама характерна низкая жаростойкость, пленки образующихся оксидов превышают объем металла более, чем в три раза, поэтому они растрескиваются и отслаиваются Изготавливают изделия, работающие в вакууме).

 

 

Инструментальные стали

В группе инструментальных сталей можно выделить углеродистые, легированные и быстрорежущие инструментальные стали.

Углеродистые стали используются для изготовления инструментов всех видов – режущих, штамповых и измерительных. Эти стали относятся к высокоуглеродистым и содержат углерода 1,0 … 1,3%. Углеродистые инструментальные стали производят качественными марок У7,У8, У9, …, У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А, …, У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У9 содержит углерода 0,9%. Высококачественные стали более чисты по содержанию серы, фосфора и примесей других элементов, они лучше сопротивляются ударным нагрузкам, чем качественные стали. В термически обработанном состоянии эти стали обладают высокой поверхностной твердостью и износостойкостью, достаточной прочностью и пластичностью. Основными преимуществами инструментальной углеродистой стали по сравнению с легированной и быстрорежущей является:

1) возможность проведения закалки с низких температур (770…8200С);
2) получение высокой твердости и износостойкости в поверхностном слое при сохранении вязкой сердцевины в инструментах сечением 15…25 мм, работающих на износ с динамическими нагрузками (ручные метчики, штампы для высадки и др.);
3) невысокая твердость в исходном (отожженном) состоянии, хорошая обрабатываемость резанием и давлением, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструментов;
4) низкая себестоимость.

Вместе с тем углеродистым сталям присущи существенные недостатки, ограничивающие область их применения:

1) отсутствие высокой теплостойкости, так как твердость и износостойкость этих сталей резко снижаются при нагреве выше 150…2000С, поэтому инструменты из углеродистой стали применяются для обработки сравнительно мягких материалов (некоторые цветные металлы и сплавы, пластмассы, древесные материалы) и при небольших скоростях резания;
2) небольшая прокаливаемость (10…15 мм), что ограничивает размеры инструментов;
3) чувствительность к перегреву, что требует точного соблюдения режимов термообработки.

Углеродистые стали используются для инструментов, не подвергающихся в процессе работы нагреву до температур выше 150…2000С и не требующих при изготовлении значительного шлифования. Из-за низкой прокаливаемости эти стали пригодны для мелких инструментов или инструментов с поперечным сечением до 25 мм с незакаленной сердцевиной, в которой режущая часть приходится на поверхностный слой. Это главным образом инструменты для ручной работы – напильники, метчики, развертки, ножовки, стамески, топоры, а также слесарно-монтажный и штамповый инструмент для деформирования в холодном состоянии. Несквозная закалка уменьшает деформацию инструментов и повышает благодаря вязкой сердцевине их устойчивость к ударам и вибрациям. Инструмент с поперечным сечением 15…25 мм охлаждают в воде или водных растворах солей и щелочей. Инструменты с незакаленной сердцевиной меньшего сечения для уменьшения деформаций и опасности растрескивания охлаждают в масле или расплавах солей при 160…2000С.

Режущие инструменты – мелкие метчики, сверла, пилы по металлу, ножовочные полотна, фрезы малого диаметра, напильники и некоторые другие инструменты изготавливают из заэвтектоидных сталей У10, У11, У12 и У13. Их подвергают закалке и низкому отпуску при температуре 150…1800С. Такие инструменты обладают повышенной износостойкостью и высокой твердостью на рабочих гранях до температур не выше 2000С.

Заэвтектоидные стали используют также для изготовления некоторых измерительных инструментов, например, калибров простой формы и небольших штампов холодной высадки, работающих при невысоких нагрузках. Стали марок У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость, целесообразно использовать для изготовления инструментов, подвергающихся ударным нагрузкам. К таким инструментам можно отнести, например, деревообрабатывающий инструмент, зубила, некоторые штампы, ножницы для резки жести, молотки, стамески, кернеры, кувалды и др. После закалки эти стали отпускают на структуру троостита при температуре 270…3500С. Легированные инструментальные стали содержат до 5% легирующих элементов. Они вводятся в сталь для улучшения закаливаемости, уменьшения деформаций и растрескивания инструментов после термообработки. Постоянным элементом низколегированных сталей является хром. Для улучшения свойств сталей в них дополнительно вводят марганец, кремний, вольфрам.

По назначению инструментальные легированные стали делят на две группы:

I группа – сталь для режущих и измерительных инструментов;

II группа – сталь для штампового инструмента.

Рассмотрим стали первой группы.

Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеродистых инструментальных. Их теплостойкость примерно также одинакова – 200…2500С. Однако благодаря легированию хромом эти стали получают лучшую закаливаемость и прокаливаемость. Дополнительное легирование ванадием уменьшает также чувствительность сталей к перегреву и способствует получению более мелкого зерна при закалке. Это в свою очередь позволяет использовать эти стали для изготовления инструментов больших размеров и более сложной формы. Из стали марки 7ХФ изготавливают инструмент, работающий с ударными нагрузками, – зубила, стамески, долота и пр. Для чистовой обработки металлов используют инструмент из стали ХВ4. Эта сталь отличается особо высокой твердостью и износостойкостью. Эти свойства придают ей карбиды вольфрама, которые практически не растворяются при температуре закалки. Из-за высокой твердости сталь ХВ4 называют алмазной сталью. Ее применяют для гравировальных резцов, резцов для чистовой обработки твердых материалов, пил по металлу, фрез и др. Стали марок 9ХС, ХВГ относятся к сталям глубокой прокаливаемости и закаливаются в масле. Сталь 9ХС имеет повышенные эксплутационные свойства и применяется для изготовления фрез, сверл, резьбонарезных и других инструментов с поперечным сечением до35 мм. Сталь ХВГ характеризуется малой деформацией при закалке и применяется для длинных стержневых инструментов (сверла, развертки, протяжки и т.п.) с поперечным сечением до 45 мм. Стали для измерительных инструментов (плиток, шаблонов, калибров) должны иметь не только высокую твердость и износостойкость, а также обладать способностью приобретать при доводке очень чистую поверхность. Для изготовления измерительных инструментов высокой точности используются высокоуглеродистые хромистые стали марок Х и 12Х. В закаленной стали в течение длительного времени при комнатной температуре самопроизвольно протекает процесс старения, обусловленный частичным распадом мартенсита. Этот процесс вызывает размерные изменения, что недопустимо для инструментов высокой точности. Для предупреждения старения инструменты продолжительное время (несколько десятков часов) подвергают низкому отпуску. Отпуск уменьшает содержание углерода в мартенсите и снижает внутренние напряжение. Это стабилизирует форму и размеры инструмента.

Рассмотрим стали для штампового инструмента.

Штамповыми называют стали, применяемые для изготовления инструмента, изменяющего форму материала деформированием без снятия стружки. По условиям работы эти стали делятся на стали для деформирования материала в холодном и в горячем состоянии. Штамповые стали для холодного деформирования должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающимися с достаточной вязкостью.

При больших скоростях деформирования, вызывающих разогрев инструмента до 400…5000С, от сталей требуется достаточная теплостойкость. Для изготовления крупных штампов необходима также высокая прокаливаемость стали и ее минимальные объемные изменения при закалке. В связи с различными условиями работы инструментов состав и режимы термической обработки штамповых сталей могут существенно отличаться друг от друга. В качестве штамповых сталей для деформирования в холодном состоянии используются нетеплостойкие стали высокой твердости, например, стали марок Х6ВФ, 4ХС, 6ХС и др. Стали для штампов горячей обработки давлением работают в тяжелых условиях ударных нагрузок, периодичного нагрева и охлаждения поверхности. От этих сталей требуется сложный комплекс эксплутационных и технологических свойств. Кроме высоких механических свойств эти стали должны обладать теплостойкостью и окалиностойкостью. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют легированные стали с содержанием 0,4…0,6% углерода. Для повышения вязкости отпуск этих сталей ведут при более высоких температурах – 550…6000С. Наилучшими в этой группе являются стали марок 5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНВ и др. Эти стали сохраняют достаточно высокие механические свойства до температуры около 5000С. Быстрорежущие инструментальные стали относятся к высоколегированным сталям, сохраняющим свои прочностные свойства при температурах до 550…6500С. преимущества этих сталей проявляются главным образом при обработке сравнительно твердых сталей с повышенными скоростями резания. Применение быстрорежущих сталей в качестве материала для режущих инструментов позволяет увеличить скорость резания в 2…4 раза. Стойкость инструмента при этом увеличивается в 10…40 раз по сравнению с инструментами из углеродистых и низколегированных сталей. Все марки быстрорежущей стали обозначают буквой Р (от фр. rapide – быстрый, скорый), цифра после которой указывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама (в процентах). Содержание ванадия (до 2%) и хрома, количество которого примерно 4% во всех сталях, в марке не указывается. Стали, содержащие дополнительно молибден, кобальт или повышенное количество ванадия, имеют в марке соответственно буквы М, К, Ф и цифры, показывающие их массовую долю в процентах. Например, сталь марки Р6М5 содержит примерно 6% вольфрама и 5% молибдена. Все быстрорежущие стали содержат около 0,8…1,1% углерода. Наиболее широкое применение в промышленности получили вольфрамовые стали Р9 и Р18 (содержат соответственно 9 и 18% вольфрама). С целью снижения расхода дефицитного вольфрама часть его заменяется молибденом. Такие стали значительно дешевле вольфрамовых. В настоящее время самой распространенной быстрорежущей сталью, содержащей молибден, является сталь марки Р6М5. Эту сталь используют для изготовления всех видов режущего инструмента при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей. Быстрорежущие стали подвергают термической обработке специальных видов. Требуемую теплостойкость эти стали приобретают после закалки и многократного отпуска. Отличительной особенностью закалки быстрорежущих сталей является медленный нагрев и прогревание при 480 и 8500С в средах, предотвращающих их окисление и обезуглероживание. Для повышения износостойкости инструмент из быстрорежущих сталей подвергают низкотемпературному цианированию при 520…5600С в течение 10…15 мин. В результате на поверхности образуется слой толщиной 0,03…0,06 мм, насыщенный азотом и углеродам. Для уменьшения прилипания стружки и повышения коррозионной стойкости инструмент обрабатывают перегретым паром при температуре 550..5700С. При этом на поверхности образуется пленка Fe3O4, которая повышает коррозионную стойкость и работоспособность стали. По режущим свойствам различают стали нормальной и повышенной производительности. К первым относят стали марок Р18, Р12, Р9, Р9Ф5, Р6М5. Инструмент из таких сталей сохраняет работоспособность примерно до 6000С. Стали марок Р18Ф2, Р14Ф4 с повышенным содержанием ванадия имеют более высокую теплостойкость (до 630…6500С), но уступают сталям первой группы по прочности и пластичности. Стоимость быстрорежущих сталей примерно в 5…6 раз превышает стоимость легированных инструментальных сталей. Поэтому для экономии быстрорежущих сталей режущей инструмент изготавливают сборным. Из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента, которая в виде пластинок крепится к державке из обычной углеродистой стали.

Чугуны

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 2 и до 6,67%. Однако применяемые чугуны содержат углерода не более 4,3%, редко — до 5%. По цвету излома чугуны классифицируют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод находится в виде цементита; излом их имеет матово-белый цвет. В серых чугунах углерод частично или полностью выделяется в виде графита, чем и объясняется серый, а иногда даже черный цвет их излома. Кроме белых и серых чугунов, имеются ковкие чугуны, по­лучаемые путем отжига белых чугунов. Серые и ковкие чугуны подвергают модифицированию. Из модифицированных чугунов все большее распространение приобретают высокопрочные чугуны (серые чугуны, модифицированные магнием). Изделия из чугуна получают главным образом путем литья (чугунные отливки), хотя имеются данные о том, что чугуны можно при определенных условиях подвергать горячей обработке давле­нием, после которой механические свойства чугунов повышаются, приближаясь к свойствам высококачественной углеродистой конс­трукционной стали. Такие чугуны за границей получили название деформируемых. Ответственные отливки из серых, ковких и высокопрочных чугунов для улучшения механических свойств подвергают термической или химико-термической обработке. Высокие литейные свойства, хорошая обрабатываемость реза­нием и небольшая стоимость обеспечивают широкое применение се­рых, высокопрочных и ковких чугунов для изготовления деталей машин. Благодаря смазывающему действию графита чугуны обла­дают антифрикционными свойствами и их используют для изготов­ления подшипников. При действии повторно-переменных нагрузок чугуны обнаруживают хорошую выносливость и отличаются спо­собностью рассеивать вибрации. Путем легирования могут быть получены чугуны с повышенными механическими и особыми хими­ческими и физическими свойствами.

Белые чугуны

Структура белых чугунов образуется у железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 2%, при их относительно быстром охлаждении — по диаграмме Fe — Fe₃C. Важнейшей структурной составляющей белых чугунов, определяющей их свой­ства, является ледебурит. При комнатной температуре ледебурит представляет эвтектическую смесь перлита и цементита. Наиболь­шее влияние на свойства белых чугунов оказывает цементит. Ти­пичные микроструктуры белого чугуна приведены на рис. 45. В мик­роструктуре доэвтектического белого чугуна (рис. 45, а) темные участки перлита окружены ледебуритом, состоящим из перлита и цементита. Выделения вторичного цементита сливаются с перлитом и поэтому в структуре не видны. Эвтектический чугун имеет струк­туру ледебурита (рис. 45, б). В заэвтектическом чугуне светлые крупные пластинки цементита расположены на фоне ледебурита (рис. 45, в).

Микроструктура белого чугуна

Чем больше цементита в структуре белого чугуна, тем выше его твердость и хрупкость. Вследствие высокой твердости и хрупкости применение белых чугунов для изготовления деталей машин весьма ограничено. Их используют главным образом для изготовления деталей, от которых требуется высокая твердость и износостойкость (например, для изготовления лемехов плугов, крестовин, тормозных колодок и других деталей). Применение белых чугунов для дета­лей машин ограничено также из-за их невысоких литейных свойств и плохой обрабатываемости резанием. Поэтому белые чугуны исполь­зуют в основном как передельные (для производства стали), а также для производства ковких чугунов.

Серые чугуны

Серые чугуны получают при медленном охлаждении железоугле­родистых сплавов, содержащих углерода более 2% — по диаграмме Fe — C. Их выплавляют в основном в шахтных печах, называемых вагранками. Основной структурной составляющей серых чугунов, определя­ющей их свойства, является графит. Процесс кристаллизации гра­фита называют графитизацией. Графит может выделяться как непосредственно из жидкого раствора, так и из аустенита и це­ментита. На процесс графитизации, кроме скорости охлаждения, темпе­ратуры нагрева и других технологических факторов, оказывает влияние содержание различных элементов. Одни элементы, как кремний, углерод, алюминий, титан, способствуют графитизации, другие, например, марганец, сера, хром, затрудняют ее и способ­ствуют отбеливанию, т. е. получению белого чугуна. Основными элементами, влияющими на графитизацию, помимо углерода, являются кремний и марганец. Кремний способствует графитизации и улучшает литейные свойства; его содержание в серых чугунах составляет от 0,5 до 4,5%. Марганец, наоборот, способст­вует отбеливанию и ухудшает литейные свойства; поэтому его со­держание в серых чугунах допускается от 0,5 до 1%. Сера яв­ляется вредной примесью в чугуне: она затрудняет графитизацию и ухудшает литейные свойства; в серых чугунах ее содержание ограничивают 0,07%. Фосфор в небольших количествах улучшает литейные свойства чугуна; содержание его составляет не более 0,4%. В небольших количествах присутствуют также газы: кисло­род (до 0,005%), водород (до 0,0015%) и азот (до 0,015%), затрудня­ющие графитизацию.

Изменяя содержание элементов, скорость охлаждения и другие факторы, влияющие на графитизацию, можно получить разную сте­пень графитизации и, следовательно, серые чугуны с разной микро­структурой. Структура серых чугунов состоит из стальной основы (со структурой доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали) и выделений графита.

По структуре стальной основы серые чугуны разделяют на четыре группы:

1. ферритные; структура феррит и графит;
2. ферритно-перлитные; структура феррит, перлит и графит;
3. перлитные; структура перлит и графит;
4. перлитно-цементитные; структура перлит, цементит и графит.

Типичная микроструктура серого чугуна приведена на рис. 46.

Микроструктура серого чугуна

При наибольшей степени графитизации получают ферритные чугуны, а при наименьшей — перлитно-цементитные (называемые также половинчатыми). Половинчатые чугуны имеют от­беленную поверхность и сердцевину со структурой серого чугуна. Половинчатые чугуны применяют для изготовления различных де­талей (например, прокатных валков, лемехов плугов), к которым предъявляют требования высокой твердости и износостойкости.

Наибольшее влияние на механические свойства серых чугунов оказывают выделения графита.

Имея малую прочность, графит ослабляет стальную основу; его влияние на чугун подобно действию надрезов. Поэтому чем больше графита в структуре, тем ниже прочность серого чугуна. Однако механические свойства серого чугуна зависят не только от количества, но и от формы, величины и расположения графитных выделений. В серых чугунах выделения графита имеют форму пластинок различной степени размельченности. Чем крупнее пла­стинки графита, тем ниже механические свойства серого чугуна.

 

Величина и форма графитных пластинок, а также степень диспер­сности перлита регламентированы ГОСТ 3443-57.

Серые чугуны имеют низкий предел прочности на растяжение и высокие предел прочности на сжатие и твердость; поэтому их в основном используют для изготовления деталей, работающих на сжатие и подвергающихся износу (станины и суппорты станков, изложницы, стойки и др.). Пластические свойства серого чугуна низкие. По литейным свойствам серые чугуны превосходят стали. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием. Для улучшения структуры и повышения механических свойств серые чугуны подвер­гают модифицированию, обычно ферросилицием.

Механические свойства серых чугунов регламентируются ГОСТ 1412-54. ГОСТ предусматривает десять марок серых чугунов: СЧ 00, СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 24-44, СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 35-56, СЧ 38-60 (СЧ — серый чугун, первые две цифры обозначают величину предела прочности при растяжении, а две по­следние — при изгибе)..

Наилучшие механические свойства имеют перлитные серые чу­гуны с мелкими пластинками графита. Такие чугуны называют высококачественными (марки СЧ 32-52, СЧ 35-56 и особенно СЧ 38-60).