1.Анализ предметной области
1.1Общая характеристика
Чугун представляет собой сложный железоуглероди¬стый сплав, в котором углерода содержится от 2 до 4,3%, кремния – 0,5-4,25%, марганца – 0,2-2%, серы – 0,02-0,2%, фосфора – 0,1-1,2%. Влияние элементов, входящих в состав чугуна, на его свойства велико. Они определяют структуру и свойства чугуна.
Чугун с шаровидным графитом — это высокопрочный конструкционный материал, имеющий очень хорошие эксплуатационные характеристики. При плавке данного металла добавляется магний, благодаря чему в отливке графит получается не пластинчатый, а практически идеальной шаровидной формы. В итоге чугун с шаровидным графитом отличается лучшими качествами, чем серый.
Физико-механические свойства материала отливки из ВЧШГ определяются химическим составом, технологией получения, условиями охлаждения, наличием легирующих элементов и др. Состав металла является одним из основных факторов, определяющих ме¬ханические свойства ВЧШГ.
Рекомендуемый ГОСТ 7293-85 химический состав чугуна приведен в табл. 1.
Марка чугуна Массовая доля элементов, %
С Si Mn Р S Сr Сu Ni
Толщина стенки отливки, мм Не более
до 50 св. 50 до 100 св. 100 до 50 св. 50 до 100 св. 100
ВЧ 35 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,3-1,7 0,8-1,5 0,2-0,6 0,1 0,02 0,05 — —
ВЧ 40 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,2-1,7 0,5-1,5 0,2-0,6 0,1 0,02 0,1 — —
ВЧ 45 3,3-3,8 3,0-3,5 2,7-3,2 1,9-2,9 1,3-1,7 0,5-1,5 0,3-0,7 0,1 0,02 0,1 — —
ВЧ 50 3,2-3,7 3,0-3,3 2,7-3,2 1,9-2,9 2,2-2,6 0,8-1,5 0,3-0,7 0,1 0,02 0,15 — —
ВЧ 60 3,2-3,6 3,0-3,3 — 2,4-2,6 2,4-2,8 — 0,4-0,7 0,1 0,02 0,15 0,3 0,4
ВЧ 70 3,2-3,6 3,0-3,3 — 2,6-2,9 2,6-2,9 — 0,4-0,7 0,1 0,15 0,15 0,4 0,6
ВЧ 80 3,2-3,6 — — 2,6-2,9 — — 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15 0,6 0,6
ВЧ 100 3,2-3,6 — — 3,0-3,8 — — 0,4-0,7 0,1 0,01 0,15 0,6 0,8
Таблица 1. Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Магний
Является основным элементом – сфероидезатором. Для образования графита шаровидной формы остаточное содержание магния в чугуне должно быть не ниже 0,03%, в противном случае графит кристаллизуется в шаровидной форме только частично, вследствие чего механические свойства чугуна снижаются. При более низком содержании магния часть графита кристаллизуется в виде пластинок, что снижает механические свойства сплава. Толщина стенок отливок, а следовательно и и скорость охлаждения вносят коррективы на минимальное содержание магния в чугуне, чем выше толщина стенки отливки – тем требуется более высокое содержание Mg. Обычно магния в ВЧШГ поддерживают в пределах 0,04-0,08%.
Кремний
Кремний оказывает значительное влияние на микроструктуру и на меха-нические свойства ВЧШГ. При содержании З,0—3,3% кремний способствует получению устойчивой ферритной структуры в сыром состоянии; однако пластичность чугуна при этом снижается. С точки зрения пластичности лучше выдерживать содержание кремния в пределах 2,0-2,4%.
Марганец
С повышением содержания марганца уменьшается доля феррита и увеличивается количество перлита; при этом повышается предел прочности при растяжении и уменьшается относительное удлинение. При производстве ВЧШГ с ферритной структурой в литом состоянии содержание марганца не должно превышать 0,4%. Для повышения износостойкости содержание марганца увеличивают до 1,0-1,3%.
Никель
Никель способствует уве¬личению количества перлита в ВЧШ, причем полностью перлитная структура получа¬ется уже при 4,8% Ni, а бейнитная структура — при 6,4% Ni. Влияет на тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость и жаростойкость чугуна. С увеличением содержания никеля эти свойства повышаются.
Медь
Си в количестве 1,0—1,5% приводит к образованию перлита, повышая прочность чугуна и пони¬жая его пластичность. Содержание меди более 2% препятствует образованию в структуре сплава шаровидного графита.
Алюминий
Оказывает вредное влияние на ВЧШГ, способствуя образованию ПГ уже при содержании 0,2% и особенно при 0,25—0,6%.
Молибден
Способствует измельчению перлита и графитовых включений.
Сера
Самая вредная примесь. Чем выше содержание серы в “исходном чугуне”, тем труднее получить полностью (идеально) шаровидную форму графита и, следовательно, высокие механические свойства. Содержание серы в исходном жидком чугуне до модифицирования не должно превышать 0,03%, для внутриформенного модифицирования желательно иметь значение не выше 0,02% или даже ниже.
Фосфор
Примесь. Оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства, образую фосфидную эвтектику (ФЭ), снижает относительное удлинение и ударную вязкость. Чтобы получить чугун с высокой пластичностью, содержание фосфора не должно превышать 0,08%.
Хром
Примесь. С увеличением содержания хрома, в определенных пределах, повышаются жаростойкость, коррозионная стойкость и износостойкость. Способствует образованию карбидов потому его содержание в ЧШГ не должно превышать 0,1%.
Углерод—важнейшая составляющая чугуна. Углерод находится в чугуне в различных состояниях: в виде химически связанного соединения с железом Fе3С, назы¬ваемого карбидом железа (или цементитом), и в сво-бодном состоянии – в виде графита.