Многочисленные типы чугунов (известные как механит), каждый из которых имеет различную комбинацию механических и технических свойств, подходящих для конкретных целей, производятся с помощью лицензионных или запатентованных контролируемых процессов.

Четыре общих типа классификации:

(i) Общее машиностроение,

(ii) жаропрочный,

(iii) Износостойкость,

(iv) Устойчивость к коррозии.

Они имеют высокий предел прочности на разрыв от 1650 до 3650 кг / см ² ; а при закалке в масле и отпуске может быть получена прочность 5 000 кг / см ² .

Чугун с шаровидным графитом или высокопрочный чугун — это чугун, в котором графит по существу имеет сферическую или шаровидную форму и практически не содержит чешуйчатого графита.

Существует две марки чугуна с шаровидным графитом:

(i) Марка литья и

(ii) Графитирующий отожженный сплав.

Его получают путем добавления сплавов магния или церия к расплавленному серому чугуну. Добавление этих сплавов заставляет графит принимать форму небольших узелков или сфероидов вместо обычных угловатых чешуек. Предел прочности на разрыв варьируется от 4 400 до 7 000 кг / см ² в зависимости от состава. Чугун с шаровидным графитом обладает преимуществами чугуна (текучесть, низкая температура плавления, хорошая обрабатываемость) в дополнение к высокой прочности на разрыв.

BIS определяет различные типы специально обработанного чугуна следующим образом:

AFG Ni 16 Cu 7 Cr 2 -> Отливка из аустенитного чугуна с чешуйчатым графитом, содержащая 16% Ni, 7% Cu и 2% Cr.

ASG Ni 20 Cr 2 -> Отливка из аустенитного чугуна с шаровидным графитом, содержащая 20% Ni и 2% Cr.

ABR 33 Ni 4 Cr 2 -> Стойкое к истиранию чугунное литье с минимальным пределом прочности на разрыв 33 кг / мм ² и содержащее 4% никеля и 2% хрома.

Легированные чугуны производятся либо в вагранке путем плавления легирующих смесей, либо путем добавления легирующего металла в разливочный ковш после извлечения расплавленного чугуна из печи.Еще более эффективными способами получения однородных композиций являются нагревание допустимых соединений в воздушной печи или электропечи.

Преимуществами легирования чугунов являются повышение прочности, твердости, коррозионной стойкости и реакции на термическую обработку.

Никель добавлен до 5% для улучшения обрабатываемости. Добавление никеля также может одновременно повысить твердость и прочность. Присутствие никеля также улучшает коррозионную стойкость. Он способствует графитизации и, таким образом, компенсирует эффект тонких срезов, обеспечивая однородность толстых и тонких срезов.Он также снижает температуру закалки и, таким образом, позволяет закалку чугуна без образования трещин.

Хром добавлен до 3%. Он контролирует образование графита и способствует образованию карбидов. Таким образом, более высокое процентное содержание хрома делает железо более твердым за счет увеличения процентного содержания связанного углерода. Это также увеличивает коррозионную стойкость. Он также увеличивает твердость без чрезмерной хрупкости.

Никель и хром при добавлении в соотношении 3: 1 (всего 4%) заставляют их графит и карбидообразующие тенденции нейтрализовать друг друга.Полученный в результате чугун имеет улучшенное измельчение зерна, твердость и прочность без какой-либо потери обрабатываемости.

Содержание молибдена в чугуне до 1,5% улучшает прочность и износостойкость, но снижает обрабатываемость. Добавление молибдена замедляет графитизацию, замедляет критическое превращение и, таким образом, улучшает однородность структуры. Из-за этого чугун становится прочным.

Ванадий до 0,5% улучшает карбидообразование и, таким образом, значительно увеличивает прочность и твердость чугуна.Медь в небольших количествах повышает устойчивость к атмосферной коррозии.

Осуществляется нагреванием чугунного изделия до 430… 450 ° C, выдержкой при этой температуре от 30 минут до 5 часов и затем медленным охлаждением изделия в печи. Хотя внутренние напряжения уменьшаются, но есть небольшое снижение твердости или прочности при комнатной температуре.

Чугун иногда смягчают для облегчения обработки. Это осуществляется путем отжига, который состоит из нагрева до 760-825 ° C (до 980 ° C в случае легированного железа), выдержки при этой температуре в течение некоторого времени и затем медленного охлаждения.

Отжиг увеличивает содержание свободного углерода, но снижает прочность, хотя в случае легированных сталей снижение прочности меньше.

Закалка обычно проводится в случае легированных сталей и достигается путем нагрева выше температуры превращения 815 ° C до 870 ° C, закалки и затем отпуска для повышения твердости и водостойкости.При закалке от 0,5 до 0,8% связанного углерода превращается в перлитную или сорбитовую структуру. Закалка обычно проводится в масле, но иногда также используется закалка водой и воздухом.

Легированные чугуны особого состава также азотируются для получения высокой твердости поверхности и износостойкости. Азотирование проводят при температуре от 510 ° C до 600 ° C в контакте с безводным газообразным аммиаком. Обычно требуется от 20 до 90 часов, в зависимости от предполагаемой глубины и размера отверждения.

Это длительный процесс термообработки для повышения прочности чугуна за счет изменения формы и размера графита.Эта обработка лучше всего подходит для белого чугуна, в котором углерод более равномерно распределен по всей структуре. Три типа чугунов, а именно. Белая сердцевина, черная сердцевина и перлитный оттенок производятся этой обработкой.

В процессе белого сердца отливки упаковывают в ящики с гематитовой рудой, медленно нагревают примерно до 900 ° C, выдерживают при этой температуре в течение нескольких дней и, наконец, охлаждают до комнатной температуры. Таким образом, эти секции полностью обезуглероживаются. Чугун с белым сердцем используется для изготовления розеток для мотоциклов, сельскохозяйственных машин и т. Д.

В процессе «черного сердца» воздух во время нагрева исключается путем окружения отливок в контейнерах инертным веществом для предотвращения обезуглероживания. Цементит разрушается с образованием розеток графита в матрице феррита. Отливка для этой обработки не должна содержать более 2,5% углерода. Поскольку температура плавления чугуна увеличивается с уменьшением содержания углерода, этот чугун трудно лить. Ковкий чугун Black Heart используется для изготовления букс, картеров заднего моста, ступиц колес и т. Д.

Обработка перлитного чугуна аналогична обработке черного чугуна, но перлитная структура получается путем увеличения содержания марганца примерно на 1% или путем нагревания закаленного и отпущенного ковкого чугуна с черной сердцевиной. Этот процесс позволяет получить структуру из чугуна, аналогичную структуре стали, и такой чугун используется для изготовления корпусов мостов и дифференциалов, шестерен и распределительных валов.

Прочность на разрыв и относительное удлинение трех типов соответственно составляет 3500, 3000 и 4500 кг / см и 5%, 10% и 5%.

Предел прочности чугуна от 1350 до 5350 кг / см ² . Предел упругости близок к пределу прочности на разрыв. Серый чугун может бесконечно выдерживать статическую нагрузку, близкую к пределу прочности на разрыв, без деформации или поломки. Серый чугун имеет низкую пластичность и ломается с заметной деформацией. Поскольку серый чугун не деформируется перед разрушением, важно знать рабочие нагрузки, в противном случае следует использовать консервативный коэффициент безопасности.

При статическом нагружении предел прочности чугуна на растяжение меньше, чем на сжатие; ударная вязкость большинства чугунов низкая. Демпфирующая способность или способность поглощать вибрации высока. Легкость обработки серого чугуна обычно обратно пропорциональна прочности отливки.

Охлаждение, термообработка и добавки сплава снижают обрабатываемость. Отливка из белого или закаленного чугуна широко используется для износостойких деталей машин.Высоколегированный чугун из хрома, никеля и кремния особенно устойчив к серной и кислотной коррозии.

Чугун наиболее широко используется в машиностроении и смежных отраслях из-за простоты литья и широкого диапазона полезных свойств. Чугун — это очень общий термин. На самом деле он доступен в виде мягких, хрупких, твердых, хрупких и прочных чугунов.

Чугун имеет широкий диапазон обрабатываемости, то есть от очень хорошей до практически не поддающейся обработке.Отожженный чугун для постоянной формы имеет самую высокую обрабатываемость, поскольку углерод в таком чугуне находится в состоянии мелкодисперсных графитовых чешуек, а не в комбинированном состоянии, как карбид, и, кроме того, он не содержит пригоревшего песка на поверхности. . Ковкий чугун также очень хорошо обрабатывается.

Ниже приводится порядок убывания обрабатываемости различных типов чугунов:

а. Перлитные ферритные чугуны.

г.Перлитные утюги.

г. Пестрое железо с перлитным и массивным цементитным белым железом.

г. Белый чугун особенно трудно обрабатывать, потому что его структура в основном состоит из массивного карбида.

Свариваемость всех чугунов довольно низкая. Кузнечную сварку и сварку под флюсом нельзя применять для чугуна. Газовая и дуговая сварка может использоваться со специальными стержнями, особенно когда секции имеют толщину более 6 мм, при условии, что отливка нагревается докрасна перед сваркой, а затем медленно охлаждается до комнатной температуры.Сварка бронзы используется для серого чугуна и белого чугуна до придания им деформации и без предварительного нагрева при условии, что получаемые температуры составляют от 810 ° C до 860 ° C.

Хотя чугуны не устойчивы к ржавчине, образование ржавчины происходит очень медленно и медленнее по сравнению с легированными сталями. Чугуны с высоким содержанием кремния и хрома довольно устойчивы к кислотам.

Однако как эти, так и нелегированные марки обладают очень низкой устойчивостью к щелочам.Аустенитные чугуны с высоким содержанием никеля устойчивы к кислотам (за исключением азотной кислоты), коррозии под напряжением в горячем состоянии и к щелочам при низких напряжениях. Чугуны с высоким содержанием кремния (от 11 до 17% Si) очень хорошо выдерживают все кислоты, кроме горячей соляной кислоты.

Для сосудов высокого давления серый чугун полезен при температуре до 340 ° C, а для других применений он может использоваться при температуре до 425 ° C. Когда серый чугун повторно нагревается до температуры выше 425 ° C, это вызывает рост зерна, деформацию и хрупкость.При нагревании выше 580 ° C происходит слишком сильное образование накипи. Более низкое содержание углерода, кремния и хрома в чугунах увеличивает их допустимые температуры.

Серый чугун — Научно-исследовательский институт чугунного литья, Inc.

Серый чугун — уникальный инженерный материал

от
D.E. Краузе, исполнительный директор, 1940-1973 гг.
(Научно-исследовательский институт серого чугуна)
Научно-исследовательский институт чугунного литья

СПРАВКА: Krause, D.E., «Серый чугун — уникальный технический материал» Отливки из серого, ковкого и ковкого чугуна — текущие возможности, ASTM STP 455, Американское общество испытаний и материалов, Филадельфия, 1969, стр. 3-28.

РЕФЕРАТ: Серый чугун — самый универсальный из всех литейных металлов. Высокое содержание углерода обеспечивает легкость плавки и литья в литейном производстве, а также легкость механической обработки при последующем производстве. Низкая степень или отсутствие усадки и высокая текучесть обеспечивают максимальную свободу проектирования для инженера.Путем соответствующей корректировки состава и выбора метода литья предел прочности при растяжении может изменяться от менее 20000 фунтов на квадратный дюйм до более 60000 фунтов на квадратный дюйм, а твердость — от 100 до 300 BHN в литом состоянии. Посредством последующей термообработки твердость может быть увеличена до H g. Следует тщательно проверить, прежде чем указывать более высокую степень прочности и твердости железа. Излишнее увеличение прочности и твердости может увеличить стоимость отливки, а также увеличить стоимость обработки из-за более низких скоростей обработки.Хотя соотношение между твердостью по Бринеллю и пределом прочности на разрыв для серого чугуна непостоянно, показаны данные, которые позволят использовать испытание на твердость по Бринеллю для оценки минимального предела прочности чугуна в отливке.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: отливки из серого чугуна, проектирование отливок, методы литья, отливки из ковкого чугуна, отливки из ковкого чугуна, металлы, испытания, оценка

7 сентября 1990 г.

Кому: Всем читателям репортажа Д.E Krause

Хотя этот краткий технический документ, первоначально представленный в 1969 году, по-прежнему является одним из лучших обзоров металлургии и свойств серого чугуна, мы обращаем ваше внимание на один пункт, на который недавние исследования и опыт литейного производства пролили больше света. Дело в эффектах марганца и серы.

В отличие от традиционного взгляда на эти элементарные эффекты, отмеченного здесь, работы 1980-х годов подтверждают, что во многих случаях уровни марганца сверх этого количества в сочетании с серой (около 1.В 7 раз выше уровня серы) имеют тенденцию к снижению прочности и твердости за счет увеличения количества феррита. Однако низкие уровни, слишком близкие к этому «сбалансированному соотношению» 1,7, имеют тенденцию способствовать более высокой и более неустойчивой твердости и / или карбидов.

Следовательно, для большинства применений оптимальный рабочий уровень марганца составляет примерно (1,7 x% серы), от + 0,3% до 0,5%. Например, для чугуна с содержанием серы 0,10% оптимальный диапазон содержания марганца будет составлять от 0,47% до 0,67%. При приближении к нижнему пределу диапазона обычно сохраняется более высокая твердость и прочность на разрыв, а при приближении к верхнему пределу уменьшается и то, и другое.На этот эффект также влияют другие металлургические условия, характерные для каждого основного чугуна, поэтому необходимо определять оптимальный диапазон для каждой конкретной операции плавки.

Мы надеемся, что это разъяснение будет информативным и полезным как для производителей литья, так и для пользователей.

Уильям Ф. Шоу, исполнительный директор, Научно-исследовательский институт чугунного литья

Серый чугун — один из старейших черных металлов. Несмотря на конкуренцию со стороны новых материалов и их активное продвижение, серый чугун по-прежнему используется в тех областях, где его свойства доказали, что он является наиболее подходящим из доступных материалов.После кованой стали серый чугун является наиболее широко используемым металлическим материалом для инженерных целей. В 1967 году производство отливок из серого чугуна превысило 14 миллионов тонн, что примерно в два с половиной раза превышает объем всех других типов отливок вместе взятых. Его популярность и широкое распространение объясняются несколькими причинами. Он имеет ряд желаемых характеристик, которыми не обладает ни один другой металл, и при этом является одним из самых дешевых из черных металлов, доступных инженеру. Отливки из серого чугуна доступны почти во всех промышленных областях и могут быть произведены в литейных цехах с относительно небольшими инвестициями.Цель данной статьи — привлечь ваше внимание к характеристикам серого чугуна, которые делают этот материал столь полезным.

Серый чугун — один из металлов, которые легче всего лить в литейном производстве. У него самая низкая температура разливки среди черных металлов, что отражается в его высокой текучести и способности принимать сложные формы. Вследствие особенности на заключительных стадиях затвердевания он имеет очень низкую, а в некоторых случаях вовсе не усадку от жидкости к твердому телу, так что надежные отливки легко получить.В большинстве случаев серый чугун используется в литом состоянии, что упрощает производство. Серый чугун обладает отличными обрабатывающими свойствами, легко удаляет стружку и дает поверхность с превосходными характеристиками износа. Стойкость серого чугуна к задирам и истиранию при правильной матрице и структуре графита является общепризнанной.

Отливки из серого чугуна можно производить практически любым известным литейным способом. Как ни странно, несмотря на то, что серый чугун является старым материалом и широко используется в инженерном строительстве, его металлургия не была полностью изучена до сравнительно недавнего времени.Механические свойства серого чугуна определяются не только составом, но также в значительной степени зависят от литейной практики, особенно от скорости охлаждения отливки. Весь углерод в сером чугуне, кроме того, который соединен с железом с образованием перлита в матрице, присутствует в виде графита в виде чешуек различного размера и формы. Именно наличие этих хлопьев, образовавшихся при затвердевании, характеризует серый чугун. Присутствие этих хлопьев также придает серому чугуну большинство желаемых свойств.

Металлургия серого чугуна

Маккензи [1] в своей лекции памяти Хоу 1944 года назвал чугун «сталью плюс графит». Хотя это простое определение все еще применимо, на свойства серого чугуна влияет количество присутствующего графита, а также форма, размер и распределение чешуек графита. Хотя матрица напоминает сталь, содержание кремния обычно выше, чем в литых сталях, и более высокое содержание кремния вместе со скоростью охлаждения влияет на количество углерода в матрице.Серый чугун относится к семейству высокоуглеродистых кремниевых сплавов, которые включают ковкий и шаровидный чугун. За исключением магния или других шаровидных элементов в чугуне с шаровидным графитом, за счет различных методов плавки и литья можно производить все три материала из одного и того же состава. Несмотря на широкое использование серого чугуна, его металлургия не совсем понятна многим пользователям и даже производителям этого материала. Одно из первых и наиболее полных обсуждений механизма затвердевания чугунов было представлено в 1946 г. Бойлсом [2].Подробное обсуждение металлургии серого чугуна можно найти в легко доступных справочниках [3-7]. Самый последний обзор металлургии чугуна и образования графита сделан Визером и др. [8]. Чтобы избежать ненужного дублирования информации, здесь будут обсуждаться только наиболее важные особенности металлургии серого чугуна.

Состав

Серый чугун коммерчески производится с широким диапазоном составов. Литейные производства, отвечающие одним и тем же требованиям, могут использовать различные составы, чтобы использовать более дешевое сырье, доступное на месте, и общий характер отливок, производимых в литейном цехе.По этим причинам следует избегать включения химического состава в спецификации для отливок, если только это не является существенным для применения. Диапазон составов, которые можно найти в отливках из серого чугуна, следующий: общий углерод от 2,75 до 4,00 процентов; кремний от 0,75 до 3,00 процентов; марганец от 0,25 до 1,50 процента; сера от 0,02 до 0,20 процента; фосфор от 0,02 до 0,75 процента. Один или несколько из следующих легирующих элементов могут присутствовать в различных количествах: молибден, медь, никель, ванадий, титан, олово, сурьма и хром.Азот обычно присутствует в диапазоне от 20 до 92 частей на миллион.

Концентрация некоторых элементов может превышать указанные выше пределы, но обычно диапазоны меньше указанных.

Углерод на сегодняшний день является наиболее важным элементом серого чугуна. За исключением углерода в перлите матрицы, углерод присутствует в виде графита. Графит присутствует в виде чешуек и, как таковой, значительно снижает предел прочности матрицы на разрыв. Можно производить все марки чугуна согласно Спецификации ASTM для отливок из серого чугуна (A 48-64), просто регулируя содержание углерода и кремния в чугуне.Было бы невозможно производить серый чугун без соответствующего количества кремния. Добавление кремния снижает растворимость углерода в железе, а также снижает содержание углерода в эвтектике. Эвтектика железа и углерода составляет около 4,3%. Добавление каждого 1,00% кремния снижает количество углерода в эвтектике на 0,33%. Поскольку углерод и кремний являются двумя основными элементами в сером чугуне, совокупное влияние этих элементов в виде процента углерода плюс 1 / с процента кремния называется углеродным эквивалентом (CE).Серые чугуны, имеющие значение углеродного эквивалента менее 4,3%, называются доэвтектическими чугунами, а чугуны с углеродным эквивалентом более 4,3% называются заэвтектическими чугунами. Для доэвтектического железа в автомобильной и смежных отраслях каждое увеличение значения углеродного эквивалента на 0,10% снижает предел прочности на разрыв примерно на 2700 фунтов на квадратный дюйм.

Если скорость охлаждения или затвердевания слишком велика для выбранного значения углеродного эквивалента. железо может замерзать в метастабильной системе железо-карбид железа, а не в стабильной системе железо-графит, что приводит к образованию твердых или закаленных кромок на отливках.Значение углеродного эквивалента может быть изменено путем изменения содержания углерода и кремния или их обоих. Увеличение содержания кремния в большей степени влияет на уменьшение твердых кромок, чем увеличение содержания углерода до того же значения углеродного эквивалента. Кремний имеет другие эффекты, кроме изменения содержания углерода в эвтектике. Увеличение содержания кремния снижает содержание углерода в перлите и повышает температуру превращения феррита плюс перлит в аустенит. Это влияние кремния на критические интервалы обсуждалось Редером [9].

Наиболее распространенный диапазон содержания марганца в сером чугуне составляет от 0,55 до 0,75 процента. Увеличение содержания марганца способствует образованию перлита при охлаждении в критическом диапазоне. Следует признать, что эффективна только та часть марганца, которая не сочетается с серой. Фактически вся сера в сером чугуне присутствует в виде сульфида марганца, а количество марганца, необходимого для этой цели, в 1,7 раза превышает содержание серы. Марганец часто превышает 1.00 процентов, но в некоторых типах отливок из сырого песка могут встречаться поры.

Сера редко преднамеренно добавляется в серый чугун и обычно поступает из кокса в процессе вагранки. Сера до 0,15 процента способствует образованию графита типа А. Где-то выше 0,17 процента сера может привести к образованию раковин в отливках из сырого песка. Большинство литейных заводов поддерживают содержание серы ниже 0,15 процента, при этом от 0,09 до 0,12 процента, что является обычным диапазоном для вагранки чугуна.Колло и Тим [10] сообщают, что если содержание серы будет снижено до очень низкого значения вместе с низким содержанием фосфора и кремния, в результате получится более прочное железо, которое было обозначено как «TG», или прочный графитовый чугун.

Содержание фосфора в отливках из серого чугуна с высокой производительностью составляет менее 0,15%, при нынешней тенденции к увеличению количества стали в шихте; содержание фосфора ниже 0,10% является обычным явлением. Фосфор обычно встречается в виде эвтектики железо-железо-фосфид, хотя в некоторых чугунах с более высоким содержанием углерода может образовываться тройная эвтектика железо-железо-фосфид-железо-карбид.Эта эвтектика будет находиться на границах эвтектических ячеек, и при содержании фосфора выше 0,20% может наблюдаться снижение обрабатываемости. Содержание фосфора более 0,10 процента нежелательно в чугунах с более низким углеродным эквивалентом, используемых для головок и блоков двигателей и других применений, требующих герметичности. Для повышения износостойкости содержание фосфора часто увеличивается до 0,50 процента и выше, как в автомобильных поршневых кольцах. На этом уровне фосфор также улучшает текучесть чугуна и увеличивает жесткость окончательной отливки.

Медь и никель ведут себя в чугуне аналогичным образом. Они укрепляют матрицу и уменьшают склонность к образованию твердых кромок на отливках. Поскольку они являются мягкими графитизаторами, они часто заменяют часть кремния в сером чугуне. Аустенитный серый чугун может быть получен путем увеличения содержания никеля примерно до 15 процентов вместе с примерно 6 процентами меди или до 20 процентов без меди, как показано в Спецификации ASTM для отливок из аустенитного серого чугуна (A 436-63).

Хром обычно присутствует в количествах ниже 0.10 процентов как остаточный элемент, перенесенный из шихтовых материалов. Хром часто добавляют для повышения твердости и прочности серого чугуна, и для этого уровень хрома повышается до 0,20–0,35 процента. За пределами этого диапазона необходимо добавить графитизатор, чтобы избежать образования карбидов и твердых кромок. Хром улучшает свойства серого чугуна при повышенных температурах.

Одним из наиболее широко используемых легирующих элементов с целью повышения прочности является молибден.Его добавляют в количестве от 0,20 до 0,75 процента, хотя наиболее распространенный диапазон составляет от 0,35 до 0,55 процента. Наилучшие результаты достигаются, когда содержание фосфора ниже 0,10 процента, поскольку молибден образует сложную эвтектику с фосфором и, таким образом, снижает его легирующий эффект. Молибден широко используется для улучшения свойств серого чугуна при повышенных температурах. Поскольку модуль упругости молибдена достаточно высок, добавки молибдена к серому чугуну увеличивают его модуль упругости.

Ванадий действует на серое чугун так же, как и молибден, но его концентрация не должна превышать 0.15 процентов, если нужно избегать карбидов. Даже в таких небольших количествах ванадий благотворно влияет на свойства серого чугуна при повышенных температурах.

О положительном влиянии относительно небольших добавок олова (менее 0,10%) на стабильность перлита в сером чугуне сообщили Davis et al [11]. О результатах широкого использования олова в автомобильных двигателях сообщили Таш и Кейдж [12]. Его использование особенно полезно в сложных отливках, в которых некоторые секции довольно медленно охлаждаются в температурном интервале Ar3.Было обнаружено, что добавка до 0,05% сурьмы имеет аналогичный эффект. В больших количествах эти элементы имеют тенденцию снижать ударную вязкость и ударную вязкость серого чугуна, поэтому необходим тщательный контроль за их использованием.

Хотя большинство серого чугуна содержат некоторое количество титана, и влияние титана на механические свойства исследовалось много раз, только недавно Сиссенер и Эрикссон [13] сообщили о влиянии титана, восстановленного из титансодержащего шлака в электрической дуге. печь.При содержании титана от 0,15 до 0,20 процента чешуйки графита имеют тенденцию возникать как графит типа D, а не преимущественно типа A, что обычно считается желательным. Они обнаружили, что для чугунов с углеродным эквивалентом менее 3,9 процента добавление титана имеет тенденцию к снижению прочности на разрыв. но для чугунов с более высоким углеродным эквивалентом прочность на разрыв повышается. Увеличение содержания титана в сером чугуне с 0,05 до 0,14 процента за счет использования чугуна, содержащего титан, увеличило прочность заэвтектического чугуна в соответствии со спецификацией ASTM A 48 испытательным стержнем A (7/8 дюйма.диаметр) от 22000 до 34000 фунтов на квадратный дюйм. Дальнейшая работа ведется с добавками титана.

Нормально. азот не считается легирующим элементом и обычно встречается в сером чугуне в результате присутствия в шихтовых материалах. Моррог [14] сообщил, что при более высоком уровне азота чешуйки графита становятся короче, а прочность железа повышается. Серый чугун обычно содержит от 20 до 92 частей на миллион (от 0,002 до 0,008 процента) азота. Если содержание азота приближается к 100 ppm или превышает его, может возникнуть неисправность, если содержание титана недостаточно для соединения с азотом.

Влияние размера секции на конструкцию

Считается, что все литые металлы чувствительны к сечению. По мере увеличения размера раздела. скорость затвердевания уменьшается с сопутствующим увеличением размера зерна и последующим уменьшением прочности на разрыв. Влияние скорости замерзания на прочность и твердость в сером чугуне более выражено, чем в других литых металлах. Это результат механизма затвердевания. Для доэвтектического железа первой фазой, отделяющейся при охлаждении, является аустенит в форме дендритов при температуре ликвидуса.По мере охлаждения дендриты аустенита растут, а оставшаяся жидкость обогащается углеродом до тех пор, пока не будет достигнут эвтектический состав 4,3 процента углеродного эквивалента. Это происходит при температуре около 2092 ° F в зависимости от содержания кремния. При этой температуре одновременно осаждаются эвтектические аустенит и графит в виде чешуек.

Осаждение аустенит-графита происходит в нескольких центрах или зародышах, и они увеличиваются в размере до тех пор, пока вся жидкость не уйдет, создавая структуру ячеистого типа.В течение этого периода роста клеток фосфор отклоняется к границам клеток и замерзает в виде эвтектики при температуре около 1792 ° F. Наличие фосфора на границах ячеек позволяет четко их выявить путем травления реактивом Стеда. Показано, что чешуйки графита растут только в пределах ячейки и связаны между собой. Размер ячейки зависит от степени зародышеобразования железа и скорости замораживания. Оно будет варьироваться от 500 до 25 000 ячеек на квадратный дюйм.

Поскольку графит имеет гораздо меньшую плотность, чем железо, нормальное сжатие, которое произойдет, когда железо перейдет из жидкого состояния в твердое, полностью компенсируется образованием графита. Для чугуна с обозначением ASTM A 48, класс 30B усадка практически отсутствует, так что качественные отливки легко производятся при условии, что форма имеет адекватную жесткость. Структура графита, наблюдаемая в сером чугуне, полностью устанавливается к тому времени, когда железо затвердевает. При дальнейшем охлаждении на чешуйках графита осаждается некоторое количество углерода до тех пор, пока не будет достигнута температура Ar3.В результате высокого содержания кремния в сером чугуне превращение аустенита в перлит и феррит не происходит при фиксированной температуре, а происходит в температурном диапазоне, называемом «перлитным интервалом» и полностью объясненным Бойлсом [15]. Поскольку присутствие кремния делает карбид железа нестабильным, пропорция феррита и перлита в матрице после завершения преобразования будет зависеть от скорости охлаждения в этом температурном диапазоне. Для тяжелых профилей и высокого содержания кремния матрица может быть полностью ферритной.

Тип, форму и размер чешуек графита можно определить, следуя процедуре, описанной в методе ASTM для оценки микроструктуры графита в чугунных отливках (A 247-67). Поскольку графит является относительно мягким материалом, необходимо проявлять особую осторожность при подготовке образца для металлографического исследования. Если все сделано неправильно, истинная форма графита может быть скрыта из-за деформированного металла, растекавшегося по графиту. Истинное изображение графита будет раскрыто только после нескольких операций травления и полировки.

Процессы литья

Для производства отливок из серого чугуна используется несколько процессов формования. Некоторые из них оказывают заметное влияние на структуру и свойства получаемой отливки. Выбор конкретного процесса зависит от ряда факторов, и во многом с этим связана конструкция отливки. Процессы с использованием песка в качестве материала для формования в некоторой степени влияют на скорость затвердевания отливки, в то время как процесс непрерывного формования оказывает очень заметное влияние на структуру и свойства.

Формовка из сырого песка часто является наиболее экономичным методом производства отливок. До внедрения формования под высоким давлением и очень жесткого оборудования для опок точность размеров была не такой хорошей, как при формовании корпуса. Если формы из сырого песка недостаточно твердые или прочные, во время затвердевания может происходить некоторое движение стенок формы, и возникают дефекты усадки. Хотя отливки весом до 1000 фунтов и более можно изготавливать из сырого песка, он обычно используется для отливок средних и малых размеров.Для более крупных отливок на поверхности формы иногда опрыскивают чернильной смесью и сушат кожу, чтобы получить более чистую поверхность на отливке. Эта процедура часто используется на блоках двигателя.

Для выдерживания более высоких ферростатических давлений, возникающих при разливке более крупных отливок; часто используются сухие песчаные формы. В некоторых случаях используется тот же песок, что и для формовки из сырого песка, хотя обычно добавляют другое связующее для увеличения прочности в сухом состоянии.

Процесс формования оболочки также используется для изготовления стержней, которые используются в других типах пресс-форм, помимо пресс-форм для скорлупы.Его главное преимущество заключается в способности упрочнять форму или стержень в контакте с нагретым металлическим узором, что повышает точность изготовления стержня или формы. Помимо повышенной точности, отливка получается намного более чистой, чем при использовании любого другого высокопроизводительного процесса. Хотя методы и связующие для горячего ящика и новейшие процессы холодного ящика отличаются от тех, которые используются для процесса формования оболочки, принцип аналогичен в том, что ядро ​​затвердевает, находясь в контакте с рисунком.

Центробежное литье чугуна в металлических формах с водяным охлаждением широко используется в производстве чугунных труб, а также для некоторых других применений. С использованием песка или другой огнеупорной футеровки металлических форм этот процесс используется для изготовления больших гильз цилиндров.

Для некоторых типов отливок процесс постоянной формы является очень удовлетворительным, и его возможности были описаны Фраем [16]. Поскольку скорость охлаждения или замерзания чугуна, отлитого в постоянные формы, довольно высока, более тонкие участки отливки будут содержать цементит.Для удаления цементита отливки должны быть отожжены, и обычно отжигают все отливки. Наиболее экономичный состав чугуна для неразъемных отливок — заэвтектический. Этот тип чугуна расширяется при затвердевании, и, поскольку формы очень жесткие, давление, создаваемое отделением графита во время замерзания эвтектики, обеспечивает герметичное литье. Поскольку графит встречается преимущественно в виде графита типа D с очень мелкими хлопьями, отливки в постоянные формы могут иметь очень чистую отделку.По этой причине он находит широкое применение при изготовлении клапанных пластин для холодильных компрессоров. Этот процесс также идеально подходит для таких компонентов, как автомобильные тормозные цилиндры и гидроклапаны. Хотя преимущественно графитовая структура типа D в отливках в постоянные формы с ферритной матрицей имеет гораздо более высокую прочность, чем отливки в песчаные формы с сопоставимым содержанием графита, эта структура не считается идеальной для применений с пограничной смазкой. Однако отливки очень хорошо работают в масляной ванне.

Если не требуются какие-то особые свойства и они не достигаются только с помощью определенного процесса литья, обычно выбираемый способ дает отливки с наименьшими затратами для готовой детали.

Дизайн литья

Существует ряд требований, которые должны быть выполнены, прежде чем конструкция отливки может считаться полностью удовлетворительной. В некоторых отношениях конструкция отливки для серого чугуна несколько проще, чем для любого другого литейного металла, поскольку усадка при затвердевании минимальна, а для более мягких марок вообще отсутствует.За некоторыми исключениями, проблема подачи металла в более тяжелые секции не требует особого внимания. Усадка моделистов также невысока. Низкие характеристики усадки способствуют отсутствию горячих разрывов, встречающихся в некоторых других литейных металлах. Эти факторы предоставляют инженеру большую свободу проектирования.

Хотя отливка должна быть спроектирована так, чтобы выдерживать прилагаемые к ней нагрузки, во многих случаях прогиб под нагрузкой является первоочередной задачей для обеспечения надлежащего выравнивания компонентов под нагрузкой.Существует ряд справочников, содержащих информацию, полезную для проектировщика [17-19]. Однако внешний вид многих отливок предполагает, что на дизайнера чрезмерно повлияли характеристики плоских пластин и других кованых форм. Похоже, он не может или не может использовать конические секции, галтели с большим радиусом и секции переменной толщины, которые легко получить в отливке. Вместо чистой конструкции отливка представляет собой скопление пластин, ребер, выступов и небольших радиусов.Из-за низкого уровня относительного удлинения для серого чугуна единственным удовлетворительным методом определения уровней напряжений в отливке под нагрузкой является использование тензодатчиков SR-4. Без надлежащего анализа напряжений первая тенденция состоит в том, чтобы «усилить» участок, в котором произошел сбой. Grotto [20] показал, что такой подход не приводит к лучшему дизайну и часто ухудшает состояние.

Метод формования должен быть определен до того, как будет достигнута окончательная конструкция отливки.Если отливка имеет внутренние стержни, они должны иметь средства поддержки, и они должны быть предусмотрены в конструкции. При использовании методов формования, позволяющих лучше контролировать точность размеров, часто можно уменьшить толщину сечения. По мере уменьшения толщины сечения и соответственно увеличения скорости охлаждения увеличивается прочность на единицу площади поперечного сечения. Как правило, уменьшение литейного сечения на 50 процентов приводит к уменьшению прочности сечения несколько менее чем на 40 процентов.Если отливки имеют сложные узлы сердечника, такие как в головках цилиндров дизельных двигателей, необходимо принять меры для удаления песка из каналов с сердечником и проведения осмотра.

В связи с возрастающей тенденцией к более высоким скоростям обработки и скорости съема металла необходимо подумать о способе удержания отливки во время операции обработки, чтобы высокое давление зажима не искажало деталь. Кроме того, в конструкции должны быть предусмотрены легко обслуживаемые точки локации.Шланг не следует размещать в точке фиксации, потому что при шлифовании соединения во время чистовой операции можно ожидать некоторого изменения количества удаляемого металла.

Механические свойства серого чугуна зависят от скорости охлаждения. Следует проявлять некоторую осторожность, чтобы избежать чрезмерных диапазонов толщины сечения, иначе будут обнаружены твердые кромки на концах тонких сечений и слишком низкая твердость в тяжелых сечениях. Может быть желательно увеличить толщину самых легких участков, чтобы избежать этого условия.Иногда может оказаться полезным выступ вдоль внешних краев фланца. Если отливка будет использоваться там, где возникает проблема с вибрацией, необходимо учитывать демпфирующую способность отливки. Хотя серый чугун обладает довольно высокой демпфирующей способностью, следует также учитывать конструкцию литья во избежание резонанса. Следует избегать появления небольших выступов на отливках или укреплять их, чтобы избежать чрезмерных поломок при транспортировке, чистовой обработке и дробеструйной очистке. Несмотря на то, что за последние 10 лет проблеме проектирования отливок уделялось много внимания, в области проектирования отливок из серого чугуна необходимо сделать гораздо больше.

Механические свойства серого чугуна

Свойствами, представляющими основной интерес для разработчиков и пользователей отливок, являются: устойчивость к износу; твердость; сила; и, во многих случаях, модуль упругости. Некоторые отношения между этими свойствами для серого чугуна совершенно иные, чем для стали. Различное соотношение между твердостью и пределом прочности серого чугуна, по-видимому, сбивает инженера с толку, хотя большая часть его опыта могла быть связана с другими металлами.

Прекрасные характеристики серого чугуна в областях применения, связанных с поверхностями скольжения, такими как направляющие станков, отверстия цилиндров и поршневые кольца, хорошо известны. Производительность двигателей внутреннего сгорания и станков замечательна, если учесть простоту обработки серого чугуна. Серый чугун также известен своей устойчивостью к истиранию и заеданию. Было дано много объяснений этому поведению, например, смазывающему эффекту чешуек графита и удержанию масла в графитовых областях.Это, скорее всего, так, но также возможно, что чешуйки графита допускают некоторую незначительную аккомодацию перлитной матрицы в областях контакта между сопрягаемыми поверхностями. Редко возможно получить идеальное прилегание, и, как правило, выступы на сопрягаемых металлических поверхностях могут привести к высокому единичному давлению, вызывающему заедание.

Испытание на твердость по Бринеллю является наиболее часто используемым для серого чугуна, и, когда это возможно, предпочтительнее использовать шарик диаметром 10 мм и нагрузку 3000 кг. Если толщина секции или площадь, подлежащая испытанию, не выдерживают нагрузки 3000 кг, часто используется нагрузка 1500 кг.Значения твердости, полученные при более низкой нагрузке, могут заметно отличаться от значений, полученных при более высокой нагрузке, и эта возможность указывается в тесте ASTM для определения твердости металлических материалов по Бринеллю (E 10-66). Для серого чугуна разница в значениях твердости может достигать 35 BHN, и, если разница существует, она всегда ниже для более низкой нагрузки. Поскольку в большинстве случаев испытание на твердость по Бринеллю можно считать неразрушающим испытанием, твердость по Бринеллю используется как показатель обрабатываемости, сопротивления износу и прочности на разрыв.Для легких секций, таких как поршневые кольца и другие легкие отливки, имеющие небольшой размер графита, испытание на твердость по Роквеллу часто бывает удовлетворительным.

Испытание на твердость по Бринеллю на самом деле является специализированным испытанием на сжатие и измеряет комбинированное влияние твердости матрицы, конфигурации графита и объема графита. Твердость по Бринеллю серого чугуна с полностью перлитной матрицей может варьироваться от 148 до более 277 в зависимости от крупности перлита и, в большей степени, от объема присутствующего графита.В этом диапазоне твердости фактическая твердость перлита может варьироваться от примерно 241 до более 400 твердости по Кнупу, как определено измерениями микротвердости.

Практически все спецификации и стандарты на серый чугун классифицируют его по пределу прочности. Предел прочности серого чугуна для данной скорости охлаждения или размера сечения очень сильно зависит от количества графита в чугуне. Значение углеродного эквивалента для чугуна будет приблизительно соответствовать количеству присутствующего графита.На предел прочности при растяжении также очень сильно влияет скорость охлаждения, особенно в интервале эвтектического затвердевания, и, как правило, она связана с размером сечения. Признавая влияние размера сечения на прочность, спецификация ASTM A 48 не только классифицирует железо по прочности, но также требует выбора размера испытательного стержня, в котором должна быть получена прочность.

Большинство покупателей отливок из серого чугуна полагаются на испытание на твердость по Бринеллю, чтобы определить, соответствует ли отливка спецификациям.Переменное соотношение между твердостью по Бринеллю и пределом прочности для серого чугуна сбивает с толку инженеров-материаловедов, которые привыкли к фиксированному отношению твердости по Бринеллю к пределу прочности на разрыв для кованой стали около 492. Для серого чугуна это соотношение будет варьироваться от очень низкого до От 140 для низкопрочного чугуна до более 250 для серого чугуна, имеющего предел прочности более 60 000 фунтов на квадратный дюйм. Признавая широкое использование испытания на твердость по Бринеллю для оценки прочности чугуна в отливке, 9-й отдел Технического комитета по чугуна и стали (ISTC) Общества автомобильных инженеров находится в процессе пересмотра стандарта SAE J431 a.Серый чугун для автомобильных отливок, в котором отливки из серого чугуна соответствуют различным уровням прочности, будет иметь минимальную твердость по Бринеллю.

Было опубликовано множество работ, посвященных вопросу корреляции твердости по Бринеллю с пределом прочности при растяжении. Вероятно, наиболее обширный отчет был подготовлен Маккензи [21] на основе данных, полученных для «Отчета о воздействии» для комитета ASTM A-3 (теперь A-4). Его доклад был широко опубликован и показал значительный разброс. Он чувствовал, что часть разброса могла быть результатом способа измерения твердости по Бринеллю.Когда он выбрал данные, взятые с плеч образцов для испытаний на растяжение, корреляция была намного лучше.

Многие пользователи, особенно инженеры, критически относятся к свойствам литого металла, полученным на испытательных стержнях. Ситуация с серым чугуном сильно отличается от ситуации с другими литыми металлами. В то время как для других черных металлов, особенно стали и чугуна с шаровидным графитом, используются испытательные стержни с необычно высоким соотношением стояка и испытательного стержня, что совершенно не похоже на соотношение, используемое для промышленного литья, испытательные стержни для серого чугуна представляют собой довольно простые отливки и закрыты, очень похожие на коммерческие. отливки.Это можно сделать, поскольку в сером чугуне усадка либо очень мала, либо отсутствует. Тщательные исследования показали, что если испытательный стержень имеет такую ​​же термическую историю, что и участок рассматриваемой отливки, твердость и предел прочности на разрыв будут аналогичными. В отливке с различными размерами сечения свойства отливки будут одинаковыми только при одинаковых скоростях затвердевания и охлаждения. Можно предсказать предел прочности на разрыв в других частях отливки, если определить твердость по Бринеллю.

Поскольку было легче оценить влияние размера сечения и состава серого чугуна на цилиндрические отливки, это было сделано в трех литейных цехах из 150 ковшей обычного производимого чугуна, разлитых в прутки диаметром от s / s до 6 дюймов. Формы были аналогичны формам, используемым для промышленного литья. Размеры стержней были следующие:

Хотя отливки производились в нормальных производственных условиях, все этапы производства наблюдались более тщательно, чем обычно. Все испытания проводились в исследовательской лаборатории с правильно откалиброванным оборудованием и квалифицированными операторами.Размеры образцов для испытаний на растяжение соответствовали спецификации ASTM A 48. Образцы для испытаний на растяжение были обработаны от центра отливки для всех размеров и, кроме того, были обработаны с позиции примерно 3/4 дюйма снаружи для 4 и 6-дюймовые отливки.

Образцы для испытаний на растяжение имели уменьшенный диаметр сечения 0.75 дюймов, за исключением испытательного образца из 7/8 дюйма. отливка диаметром 0,5 дюйма в уменьшенном сечении. Испытания на твердость по Бринеллю проводились с нагрузкой 3000 кг и шариком диаметром 10 мм. Измерения твердости проводились на поперечном сечении отливки, соответствующем положению, из которого был взят образец для испытания на растяжение.

Foundry F обычно производит отливки от легких до средних, такие как головки и корпуса небольших компрессоров, отливки компонентов кондиционирования воздуха, корпуса клапанов и регуляторов давления, коллекторы и другие типы отливок для автомобилей.Поскольку размеры секций редко превышают 1 дюйм, испытание ограничивается 7/8 и 1,2 дюйма. бары. Некоторые из чугунов легированы одним или несколькими элементами (медью, хромом и молибденом) в небольших или умеренных количествах. Данные показаны на рис. 1. Также показана предлагаемая минимальная твердость по Бринеллю, рассматриваемая Комитетом МНТЦ SAE Division 9. Только за двумя исключениями, все значения находятся над чертой.

Foundry S — это литейное производство, специализирующееся на производстве блоков и головок дизельных и бензиновых двигателей для грузовых автомобилей и судов, а также сопутствующих товаров, таких как маховики, коллекторы, картеры трансмиссии и корпуса сцепления.Поскольку изготавливаются более тяжелые секции, чем в литейном цехе F, отливаются отливки испытательных стержней диаметром до 4 дюймов. Полученные данные представлены на рис. 2. Легированные чугуны имеют более высокий уровень прочности. Обратите внимание, что образцы для испытаний, вырезанные из почти внешней поверхности стержней диаметром 4 дюйма, демонстрируют более высокую прочность при заданной твердости, чем образцы для испытаний, обработанные от центра стержня диаметром 4 дюйма. бары. Обычно это происходит из-за большего размера чешуек графита в центре стержня. Также обратите внимание, что все значения находятся над линией SAE.

Foundry W производит отливки от средних до тяжелых для больших газовых компрессоров, двигателей, насосов, маховиков и других подобных изделий с сечением до 4 дюймов. На этом литейном заводе отливается весь диапазон размеров испытательных стержней. Полученные данные представлены на рис. 3. Разброс значений становится несколько больше при более высоких уровнях прочности. Обратите внимание, что модифицированные чугуны имеют более высокую прочность, чем стержни из основного железа, что объясняет увеличение диапазона пределов прочности на разрыв для данной твердости.Некоторые значения прочности на разрыв ниже линии SAE получены от центра секций диаметром 6 дюймов и имеют довольно большой размер чешуек графита.

Некоторые пользователи литья указывают минимальный предел прочности на разрыв в определенном месте отливки. Это особенно верно для таких отливок, как корпуса гидравлических насосов, цилиндры дизельных двигателей, работающих в тяжелых условиях, поршни и головки, а также другие отливки, подвергающиеся высоким нагрузкам. Данные, полученные для производственных отливок, показаны на рис. 4. Также на этом рисунке для сравнения показаны данные, полученные на образцах для испытаний на растяжение, вырезанных из отожженных отливок постоянной формы.Эти отливки будут заэвтектическими по составу с графитом типа D и ферритной матрицей. Эти утюги имеют более высокую прочность при заданной твердости, чем утюги, отлитые в песке.

Кривые, показывающие минимальную твердость по Бринеллю для данной прочности на разрыв для указанных утюгов, вместе с данными Маккензи и Кейна, показаны на рис. 5. Кривые хорошо согласуются, за исключением минимальных значений, указанных Маккензи. Возможно, что чугуны для литейных заводов F, S и W имели более высокую концентрацию остаточных легирующих элементов, что могло бы сохранить перлитную матрицу с соответственно более высокой прочностью.

Иногда необходимо обработать образцы для испытаний на растяжение с уменьшенным сечением диаметром 0,357 дюйма из отливки, поскольку форма отливки не позволяет изготовить образец большего размера. Некоторые пользователи литья подняли вопрос о надежности меньших образцов. В течение нескольких лет из одной и той же отливки были взяты образцы нескольких размеров, и было обнаружено, что при тщательной обработке результаты надежны. Данные на рис. 6 являются репрезентативными и были получены для небольшого автомобильного диска сцепления.Данные по твердости и прочности на разрыв для этой отливки показывают, что 5/8 дюйма. пластина имеет скорость охлаждения, аналогичную 1,2-дюймовой. тестовая полоса.

При попытке предсказать предел прочности отливки на основе твердости по Бринеллю учитывается больше факторов, чем просто толщина сечения. Для секций, от которых не возникает препятствий тепловому потоку во время охлаждения, можно установить очень хорошее соотношение твердости и прочности на разрыв. Для более сложных отливок, таких как головки цилиндров дизельных двигателей, имеющие много каналов с сердцевиной, схема охлаждения может быть сложной.Секция внутри головки может довольно быстро замерзнуть, но после прохождения эвтектического температурного интервала происходит накопление тепла, и секция может охлаждаться больше, чем простая секция, в два-четыре раза толще. В таких случаях необходимо проработать корреляцию для каждого типа отливки.

показывает довольно незначительное влияние прочности на разрыв и твердости на модуль упругости, поскольку в основном он находится в диапазоне от 29 000 000 до 30 000 000 фунтов на квадратный дюйм. Модуль упругости серого чугуна зависит не только от прочности на разрыв, но и от уровня напряжения.В результате этих факторов модуль упругости будет варьироваться от примерно 12 000 000 фунтов на квадратный дюйм для очень мягкого железа до более 20 000 000 фунтов на квадратный дюйм для высокопрочного железа. Кривая напряжения-деформации для серого чугуна при растяжении представляет собой почти изогнутую линию от начала координат. Об этом сообщали многие исследователи, и Моррог [14], сообщая о некоторых работах Гилберта, предполагает, что кривая является результатом некоторых изменений объема в пространствах, занятых графитом. Они также показали, что между хлопьями имеют место микротрещины.Некоторые исследователи использовали измерения резонансной частоты, а также измерения скорости звука, которые зависят от модуля упругости, для прогнозирования прочности на разрыв.

В станках и других областях применения, где требуется максимальная жесткость конструкции, желателен высокий модуль упругости. Существуют и другие применения, в частности, связанные с термической усталостью, для которых требуется низкий модуль упругости, чтобы свести к минимуму повышение уровней напряжений, связанных с расширением в результате повышения температуры в рабочих условиях.Высокопроизводительные тормозные барабаны являются примером такого рода ситуаций. Было обнаружено, что чугун с довольно высоким содержанием углерода (от 3,60 до 3,92 процента) будет работать лучше, чем чугун с низким содержанием углерода. Чугуны с более высоким содержанием углерода почти всегда имеют более низкий модуль упругости. К несчастью. прочность на разрыв у таких высокоуглеродистых чугунов обычно бывает низкой. и возникает необходимость добавить сплав для упрочнения матрицы.

Инженеры по материалам часто рассматривают процентное удлинение, полученное на образцах для испытаний на растяжение, как меру пластичности материала.С этой концепцией. серый чугун не считается пластичным.

Тем не менее. серый чугун в виде товарных отливок удовлетворительно выдерживает значительные умеренные ударные нагрузки. При тщательном контроле практики плавления и выборе сырья Колло и Тим [10] сообщили о том, что у чугунов с удлинением при разрыве под нагрузкой 2,4%, а при ферритизации такого чугуна было получено удлинение 5,4%. Серый чугун с одинаковой прочностью на разрыв может показывать разницу в 50 процентов в отношении энергии разрушения, поглощаемой при ударной нагрузке.Хотя считается, что серый чугун не чувствителен к надрезам, это, скорее всего, результат того, что он достаточно хорошо пропитан надрезами в виде чешуек графита, так что наличие еще одного надреза не оказывает существенного влияния на поведение при ударе.

Термическая обработка серого чугуна

Хотя большинство отливок из серого чугуна используется в литом состоянии, серый чугун подвергается термообработке по разным причинам, например, для снятия остаточных напряжений, улучшения обрабатываемости, повышения твердости поверхности посредством индукционной или газопламенной закалки. или закалить всю секцию путем закалки в масле и обработки вытяжкой.Рекомендуемая практика такой термообработки и полученные результаты можно найти в справочниках по чугуну, в частности, в Справочнике по металлам ASM [22]. Структура графита не может быть изменена термической обработкой. хотя графит может увеличиваться в объеме, если перлитное железо полностью ферритизировано, и в этом случае графит обычно осаждается на первоначально присутствующих хлопьях. Однако матрица довольно чувствительна к термообработке, как и в случае стали.

Термическая обработка для снятия напряжений обычно проводится в диапазоне температур от 1000 до 1100 ° F.Ниже 950 ° F снятие напряжений происходит довольно медленно, в то время как при температурах выше 1100 ° F может наблюдаться некоторая потеря прочности, особенно в нелегированных чугунах, обозначенных ASTM A 48. Класс 35B и более мягких. Термическая обработка для снятия напряжений может применяться для улучшения размерной стабильности обработанных отливок и требуется для деталей, работающих под давлением, работающих при температуре от 450 ° F до 650 ° F, в соответствии со спецификациями ASTM для отливок из серого чугуна для деталей, работающих под давлением, для температур выше до 650 ° F (A 278-64).Скорости нагрева и охлаждения для такой термообработки обычно ограничиваются 400 F / ч на дюйм толщины. Это особенно важно при нагревании, поскольку остаточные напряжения в отливке могут увеличиваться в результате теплового расширения различных частей отливки.

Отливки меньшего размера, такие как детали холодильного компрессора, часто подвергаются отжигу для снятия напряжений, чтобы сохранить очень близкие рабочие зазоры в готовом компрессоре. Если возникают трудности с остаточными напряжениями в готовых обработанных деталях, желательно оценивать уровень внутренних напряжений после каждой операции механической обработки.Отливки иногда имеют более низкий уровень внутренних напряжений, поскольку они возникают в процессе формования оболочки, чем в любой другой момент процесса. Такие отливки, подвергнутые отжигу для снятия напряжений, а затем подвергнутые дробеструйной или дробеструйной очистке, покажут повышение уровня напряжений. При отжиге для снятия напряжений больших отливок желательно прикрепить к отливке термопары, чтобы следить за тем, чтобы перепады температур не становились слишком большими. Если не принять меры предосторожности, отливку можно сломать при нагревании.

Чугунный стол шириной 4 фута и длиной 6 футов треснул во время термообработки для снятия напряжения. Хотя термопара управления печью показала равномерную скорость нагрева в рекомендуемых пределах, термопары в различных местах отливки показали разницу температур в 300 ° F. Другой стол такой же конструкции был установлен вне печи с термопарами и тензодатчиками, чтобы можно было воспроизвести разницу температур. Было обнаружено, что для этой разницы температур были достигнуты растягивающие напряжения 9200 фунтов на квадратный дюйм в критических областях.

Отжиг для улучшения обрабатываемости проводится в двух диапазонах температур. Если основной целью является просто снижение твердости до некоторого более низкого уровня и отсутствие карбидов, обычно используются температуры от 1250 до 1450 ° F в зависимости от того, насколько желательно снижение твердости. Если отливки содержат цементит или карбиды, необходимо нагреть до диапазона от 1650 до 1725 ° F, чтобы разрушить такие карбиды.

Серый чугун успешно закаливается пламенем или индукционным нагревом.Матрица утюга должна быть перлитной. Также желательно поддерживать содержание кремния на минимально возможном уровне, обычно ниже 1,75 процента. По мере увеличения содержания кремния в сером чугуне не только увеличивается температура Ac3, но и возникает двухфазное поле феррита и аустенита. Удовлетворительная твердость не будет достигнута при нагревании чугуна в этом диапазоне температур. Более высокие температуры аустенизации, требуемые для чугуна с более высоким содержанием кремния, также увеличивают возможность растрескивания во время цикла закалки.Принято указывать желаемую твердость в единицах твердости по Роквеллу по шкале С, хотя измерения твердости проводились с помощью склероскопа. Прямое измерение твердости по шкале С по шкале С не является удовлетворительным, поскольку наличие чешуек графита в твердой матрице приводит к растрескиванию или раздавливанию вокруг индентора, что дает низкие значения.

Для таких деталей, как гильзы цилиндров, за счет закалки путем аустенизации и закалки в масле с последующей вытяжкой для получения желаемой твердости значительно улучшаются характеристики гильзы.Есть много применений, для которых этот тип термообработки больше подходит, чем закалка пламенем или индукционная закалка.

Обработка серого чугуна

Из широко используемых черных металлов в строительстве серый чугун для заданного уровня твердости является одним из наиболее легко обрабатываемых. Серый чугун легко режется, так как стружка мелкая и легко удаляется из зоны резки. Кроме того, нетрудно заметить, что сколы могут испортить готовую поверхность.Поведение при свободном резании является результатом случайно распределенных чешуек графита, которые нарушают целостность матрицы. Хотя серый чугун очень успешно обрабатывается без СОЖ, они могут оказаться необходимыми, если требуются высокие скорости обработки и жесткие допуски. Охлаждающая жидкость не только помогает в удалении стружки, но и контролирует температуру отливки, что необходимо для работы с жесткими допусками.

Несмотря на хорошую обрабатываемость серого чугуна, возникают различные проблемы обработки, такие как твердые кромки, снижение стойкости инструмента, невозможность получить удовлетворительно гладкую поверхность и трудности с соблюдением требуемых допусков на размеры.Некоторые из этих проблем являются результатом выбора неправильного сорта чугуна, недостатков конструкции отливки или неправильных процедур обработки. Рекомендуемые инструменты, скорости, подачи и глубины резания для серого чугуна различных классов прочности и для различных типов операций механической обработки легко найти в ряде справочников [3, 5, 23, 24] и не будут здесь обсуждаться.

Поскольку многие отливки закупаются в соответствии со спецификацией ASTM A 48, твердость будет варьироваться в зависимости от заданного класса прочности.Отливки, постоянно близкие к верхнему пределу твердости, могут потребовать снижения скорости резания поверхности для получения удовлетворительного срока службы инструмента по сравнению с отливками, близкими к нижнему пределу твердости. Чугун нормального состава для данного типа отливки может затвердеть с образованием пятнистой или закаленной структуры при превышении критической скорости охлаждения. Такое состояние может возникнуть из-за ребра на отливке, или, если отливка имеет широкий диапазон размеров сечения, литейный цех может прибегнуть к добавкам необычно тяжелых сплавов, чтобы поддерживать твердость на более высоком уровне, что приведет к получению чугуна. слишком сложен для более легких участков.Встреча с такими твердыми участками очень часто приводит к поломке инструмента или значительному повреждению режущей кромки, чтобы помешать последующим удовлетворительным операциям обработки. Иногда конструкция отливки может быть изменена, чтобы избежать образования закаленных краев, или практика литейного производства может быть изменена путем перемещения заслонок или использования отливов различных типов для замедления скорости затвердевания проблемной зоны. За счет правильного использования модификаторов литейный цех может значительно уменьшить количество твердых кромок.Уолц [25] указывает, что литейный цех во время проверки может проверить отсутствие острых кромок с помощью довольно простой проверки файла и, таким образом, избежать повреждения дорогостоящего инструмента. При надлежащем контроле качества и процедурах проверки количество твердых и замороженных кромок и выступов должно быть незначительным.

Внезапный отказ фрезы не всегда был результатом столкновения с крапчатым или охлажденным железом. Исследование выхода из строя большой фрезы с торцевыми зубьями со вставленными зубьями показало, что причиной разрушения был тяжелый обезуглероженный слой феррита.Отливки были отожжены до низкого уровня твердости, максимум 121 BHN, и при этом был получен толстый слой феррита, лишенный графита. Этот материал был скорее очень твердым, чем твердым, но он остановил фрезу, что привело к скалыванию твердосплавных зубьев.

Поскольку на такой обезуглероженной поверхности нет хлопьев графита, блестящая и яркая поверхность создаст впечатление твердости. Неадекватная очистка отливки или наличие пригоревшего в песке может вызвать преждевременный выход инструмента из строя.Златин [26] сообщил, что при возникновении такого состояния может потребоваться снизить скорость обработки до половины от скорости обработки, используемой для последующих резаний, если необходимо получить удовлетворительную стойкость инструмента.

Дефект обработанной поверхности, который иногда встречается в отверстиях цилиндров, направляющих и направляющих станков, а также на других поверхностях, требующих обработки с низким среднеквадратичным значением, называется ямчатой ​​или открытой поверхностью. Чугун со слишком высоким содержанием углерода для рассматриваемой секции и который обычно имеет длинные чешуйки графита, может привести к вырванию частиц железа во время черновой обработки, что приведет к недостаточному запасу материала для чистовой обработки.Лэмб [27] утверждает, что минимум 0,010 дюйма следует оставить для чистового пропила, если требуется гладкая поверхность. Если чешуйки графита слишком большие, возникнут трудности с обрывом резьбы при нарезании резьбы и могут возникнуть «прорывы» на краях отливок, таких как отверстия в корпусах гидрораспределителей золотникового типа. Хотя слишком высокое содержание углерода может привести к дефектам поверхности такого типа, затупившиеся инструменты и слишком тяжелые пропилы перед чистовой резкой или хонингованием вызовут аналогичный дефект.Филд и Калес [28] обсуждают факторы, влияющие на качество обработанной поверхности, и подчеркивают важность острых режущих инструментов.

В результате требований все более жестких допусков для обработанного литья, проблемы с сохранением размеров становятся все более частыми. Некоторые из них могут возникать из-за остаточных напряжений в отливке, некоторые из-за изменений твердости и количества удаляемой готовой заготовки, а другие из-за недостатков в операции механической обработки. Всякий раз, когда возникают проблемы с круглыми отверстиями и трудности с поддержанием плоскостности обработанных деталей, предполагается, что причиной являются остаточные напряжения в отливке.В зависимости от конструкции определение направления и уровня остаточных напряжений в отливке может быть сложным и обычно требует разрушения отливки. Для простых цилиндрических деталей наличие остаточных напряжений иногда можно обнаружить, просто выпилив в отливке пропилы и измерив изменение ширины пропила. Для более сложных отливок или более точного измерения остаточных напряжений необходимо прибегать к использованию тензодатчиков СР-4. Как правило, требуется метод проб и ошибок для правильного расположения манометров на отливке.Хотя оценка остаточного напряжения отливки после окончательной механической обработки может показать, что такие напряжения ответственны за деформацию, из этого не обязательно следует, что эти напряжения были в исходной отливке. Сильные напряжения могут быть вызваны различными операциями механической обработки. Использование слишком твердого круга при плоском шлифовании может вызвать поверхностные напряжения.

Помимо внутренних напряжений, остаточных или возникающих в процессе обработки, трудности с поддержанием критических размеров могут возникать по другим причинам.Если отливка подвергается давлению зажима, которое искажает отливку в удерживающем приспособлении во время обработки, могут возникнуть трудности с удерживающими размерами. Поскольку модуль упругости серого чугуна с пределом прочности на разрыв 30 000 фунтов на квадратный дюйм примерно вдвое меньше, чем у стали, то же давление зажима на часть той же толщины стенки вдвое увеличивает деформацию отливки из серого чугуна по сравнению со сталью.

Если обработка выполняется без СОЖ, отливка будет нагреваться во время обработки.Корпус подшипника с отверстием диаметром 2-1 / 2 дюйма и стенкой 3/8 дюйма расширится примерно на 0,0005 дюйма при повышении температуры на 25 ° F, было обнаружено, что изменение на 1/32 дюйма. в диаметре расточки отливки с нормальным 3/32 дюйма. Удаление припуска приведет к изменению температуры отливки на 25 ° F. Если настройка инструмента основана на измерениях отливки на выходе из токарного станка, конечный диаметр отверстия при комнатной температуре будет изменяться в диапазоне 0,0005 дюйма.

Несмотря на различия в жесткости станков, всегда наблюдается некоторый прогиб.Для той же отливки корпуса подшипника, упомянутой выше, было обнаружено, что вариации твердости по Бринеллю влияют на диаметр чистового отверстия. Ранее механический цех классифицировал готовые отверстия на три размерных ряда. Считалось, что эту операцию калибровки можно исключить, снизив допуски на обработку до «0,00025 дюйма на отверстии диаметром от 2,5 до 3,0 дюймов. Отливки обрабатывались всухую на одношпиндельном токарном автомате. Были сделаны два пропила, и черновой и чистовой инструменты были установлены тандемом на одном держателе.Оператора попросили настроить машину на получение правильного размера и запретили изменять настройку независимо от диаметра отверстия. И оператор, и инспектор сгруппировали отливки по диаметрам отверстий: меньший, в пределах допустимого и превышающий. Образцы из трех групп были подвергнуты интенсивному исследованию, и одним из факторов оказалась твердость, как показано на рис. 7.

Если относительно тонкостенные отливки не отцентрированы должным образом в приспособлении для механической обработки, с одной стороны будет снято больше заготовки, чем с другой, и можно ожидать деформации отверстия.

Будущее серого чугуна

Свойства отливок из серого чугуна почти в такой же степени зависят от литейной практики, как и от металлургии материала. За последние 10 лет был достигнут большой прогресс в направлении лучшего контроля размеров отливок, и появилась тенденция к более тонким профилям. Эта тенденция будет продолжаться, и введение новых модификаторов с небольшими количествами таких элементов, как церий, кальций, барий и стронций, оказалось эффективным для получения желаемых свойств в более легких секциях.Де Си [29] описал поведение кислорода в железе и его связь с практикой инокуляции.

Разработка и широкое использование процедуры для определения значения углеродного эквивалента расплавленного чугуна в плавильной печи описана Редшоу и Пейном [30] и Кашем [31]. Этот тест позволяет литейщику контролировать состав чугуна в более узких пределах и, таким образом, обеспечивает более однородные свойства отливок.

Добавление небольшого количества олова способствовало улучшению свойств серого чугуна в более тяжелых частях без создания проблем с твердостью в более легких частях.

Хотя твердость по Бринеллю по-прежнему широко используется и является полезным тестом для оценки прочности серого чугуна, Уолтер [32] описал метод, включающий измерения резонансной частоты для прогнозирования технических свойств серого чугуна. Абар и др. [33] описали результаты аналогичного теста. Картер [34] сообщил об использовании вихретокового тестера в качестве инструмента быстрой проверки для прогнозирования свойств отливок из серого чугуна.

Барто и др. [35] описали результаты литья под давлением чугуна из серого чугуна, который должен иметь специализированные применения.Экспериментальные работы показали, что определенные виды обработки поверхности форм позволяют отливать более тонкие секции, чем считалось возможным ранее.

Сложная металлургия серого чугуна и влияние довольно малых количеств второстепенных элементов в железе на характеристики затвердевания серого чугуна привлекли внимание ряда металлургов. Моррог [36] обсуждал необходимость лучшего понимания металлургии серого чугуна. Бейтс и Уоллес [37] показали влияние небольших количеств микроэлементов в сером чугуне и исследовали способы минимизации нежелательных эффектов этих элементов.

Существует необходимость в разработке материалов форм или обработок поверхности форм для исключения или минимизации дробеструйной и пескоструйной обработки, которая является дорогостоящей и может создавать остаточные напряжения в отливках. Состояние ухудшается по мере того, как детали отливки становятся тоньше.

Улучшенные свойства, полученные с использованием высокочистого сырья при производстве серого чугуна, должны стимулировать дальнейшие исследования, особенно в отношении получения большей ударной вязкости. Существует потребность в марке чугуна между обычным серым чугуном и чугуном с шаровидным графитом, при условии, что его можно производить с той же легкостью, что и серый чугун.Крупные инвестиции в производство серого чугуна в течение последних нескольких лет указывают на то, что серый чугун еще какое-то время будет считаться ценным инженерным материалом.

Артикул:

• [1] Маккензи. Дж. Т., «Серый чугун-сталь плюс графит», Литейное производство, Том 72, № 8, август 1944 г., стр. 86-88,154; № 9, сентябрь 1944 г., стр. 70-72; № 10, октябрь 1944 г., стр. 86–88.
• [2] Бойлс, Альфред, Структура чугуна, Американское общество металлов, Парк металлов.ОН, 1947.
• [3] Справочник по отливкам из серого чугуна, Общество основателей серого и высокопрочного чугуна, Кливленд, Огайо, 1958.
• [4] ASM Metals Handbook, 8-е изд., Vol. Я. Американское общество металлов, Парк Металлов, Огайо, 1961, стр. 349-365.
• [5] Ангус, Х. Т., Физические и технические свойства чугуна, Британская ассоциация исследований чугуна, Бирмингем, Англия. 1960.
• [6] Справочник по литым металлам. Американское общество литейщиков.Дес-Плейнс, Иллинойс, 1957.
• [7] Типичные микроструктуры литых металлов. 2-е изд. Институт британских литейщиков, Лондон, 1966.
• [8] Визер П. Ф., Бейтс. К. Э. и Уоллес. Дж. Ф., «Механизм образования графита в сплавах железо-кремний-углерод» Сообщество основателей податливых материалов, Кливленд, Огайо, 1967.
• [9] Редер, Дж. Э., «Критический диапазон температур в чугунах», Transactions, American Foundrymen’s Society, Vol. 73, 1965.С. 473-487.
• [10] Collaud, A. and Thieme. Дж. К., «Прочность чугуна с чешуйчатым графитом как показатель качества и новые методы повышения ударной вязкости».
• [11] Дэвис. J. A., Krause, D. E., Lownie, H. W., Jr., «Олово как сплав в сером чугуне», Transactions, American Foundrymen’s Society, Vol. 65, 1957, стр. 592-597.
• [12] Тач. А. Дж. И Кейдж, Р. М., «Легирование олова ускоряет производство блоков цилиндров из серого чугуна.Журнал Общества автомобильных инженеров, Vol. 73. № 1, январь 1965 г., стр. 66–69.
• [13] Сиссенер, Джон и Эриксон, Джон, «Влияние титана, восстановленного из оксида титана, содержащего шлаки, на механические свойства чугуна», Труды, 34-й Международный конгресс литейщиков; Бумага № 1, Editions Techniques des Industries de la Fonderie, Париж, 1967.
• [14] Морро, Х., «Состояние металлургии чугунов», Журнал Института чугуна и стали, январь.1968, стр. 1-10.
• [15] Бойлс, Альфред. «Интервал перлита в сером чугуне», Transactions, American Foundrymen’s Society, Vol. 48, 1940, стр. 531-573.
• [16] Фрай, Г. Р., «Процесс изготовления постоянной формы применительно к производству отливок из серого чугуна», Modern Castings, Vol. 54, № 4, октябрь 1968 г., стр. 52–55.
• [17] Кейн, Дж. Б., Дизайн отливок из черных металлов. Американское общество литейщиков, Дес-Плейнс, Иллинойс, 1963.
• [18] Практическое руководство по проектированию отливок из серого чугуна для инженерных целей, Совет ассоциаций металлургических заводов, Лондон, 1960.
• [19] Справочник по дизайну отливок, Американское общество металлов, Металл Парк, Огайо, 1962.
• [20] Гротто, Л. А., «Разработка отливок двигателя путем экспериментального анализа напряжений», Сделки, Американское общество литейщиков, Vol. 69, 1961, стр. 636-645.
• [21] Маккензи, Дж. Т., «Твердость по Бринеллю серого чугуна — ее связь с другими свойствами», Литейное производство, Vol. 74, № 10, октябрь 1946 г., стр. 88-93; С. 191-194.
• [22] Справочник по металлам ASM, 8-е изд., Vol. 2, Американское общество металлов, Metals Park Ohio, 1964. стр. 203-213.
• [23] ASM Metals Handbook, 8-е изд., Vol. 3, Американское общество металлов, Парк Металлов, Огайо. 1967.
.
• [24] Справочник данных по обработке, Metcut Research Associates, Inc., Цинциннати, Огайо, 1966.
• [25] Уолц, В., «Современные технические решения создают проблемы для литейной промышленности по производству литых металлов», Transactions, American Foundrymen’s Society, Vol. 72,1964, стр.914-922.
• [26] Златин, Норман, «Обрабатываемость нелегированного и легированного серого чугуна», «Серый и ковкий чугун», март 1965 г., стр. 5-14.
• [27] Лэмб, А. Д., «Материальные и технические факторы при обработке отливок из чугуна, Новости из серого и высокопрочного чугуна», часть I, апрель 1967 г., стр. 5-13; Часть II, май 1967 г., стр. 11-20.
• [28] Филд, М. и Калес, Дж. Ф., «Факторы, влияющие на механическую обработку серого чугуна, серого и высокопрочного чугуна. Новости», апрель 1966 г.С. 5-23.
• [29] Де Си А., «Кислород. Оксиды. Перегрев и зарождение графита в чугуне », Транзакции, Американское общество литейщиков. Vol. 75. 1967. pp. 161–172.
• [30] Редшоу А.А., Пейн К.А. и Хоскинс. J. A., «Контроль серого чугуна с помощью методов кривой охлаждения, транзакции. Американское общество литейщиков, Vol. 70. 1962, стр. 89–96.
• [31] Каш, Ф. Э., «Углеродный эквивалент кривых охлаждения — быстрое и практическое испытание», Transactions, American Foundrymen’s Society, Vol.71, 1963. С. 266-274.
• [32] Уолтер, Г. Х., «Корреляция характеристик структуры и измерений резонансной частоты с инженерными свойствами серого чугуна», Публикация 650519, Общество инженеров автомобильной промышленности, 1965.
• [33] Абар, Дж. У., Челлитти, Р. А. и Спенглер, А. Ф., «Использование акустики для прогнозирования механических свойств серого чугуна», Сделки, American Foundrymen’s Society, Vol. 74, 1966, стр. 7-I2.
• [34] Картер К.Д., «Неразрушающий вихретоковый контроль серого чугуна, серого и высокопрочного чугуна. Новости», февраль 1966 г., стр. 8–10.
• [35] Барто, Р. Л., Херд, Д. Т., и Столтенберг, Дж. П., «Литье под давлением чугуна и стали». Сделки. Американское общество литейщиков, Vol. 75, 1967, с. 181 — 192.
• [36] Морро, Х., «Прогресс и проблемы в понимании чугуна», Сделки, Американское общество литейщиков, Vol. 70, 1962. С. 449-458.
• [37] Бейтс, К.Э. и Уоллес. Дж.