Горячая пластическая деформация чугуна: структура, свойства, технологические основы

Покровский А.И.

Минск, 2010 г.

1.6. Деформируемость различных классов чугунов и анализ трансформации структуры и свойств

Возможность обработки чугуна давлением определяется его химическим составом и структурой, состоящей из металлической матрицы и графитных или цементитных включений. Металлическая матрица чугуна при температурах выше критической точки А_} представляет собой пластичную фазу — аустенит. Включения же оказывают отрицательное влияние на пластичность, особенно если они в виде цементитного каркаса или графитных включений разветвленной формы. У серого чугуна пластинчатые графитные включения играют роль острых надрезов, в вершинах которых зарождаются трещины. У белого чугуна цементит, образуя каркас, снижает пластичность. Наименьшую площадь поверхности и соответственно меньшую концентрацию напряжений в зоне раздела имеют графитные включения шаровидной формы.

У чугуна с шаровидным графитом местные концентрации напряжений, возникающие в сером чугуне в местах залегания пластинок графита, резко снижены, а сплошность (непрерывность) металлической основы и живое ее сечение несравненно больше. Кроме того, поверхность графита шарообразной формы значительно меньше поверхности, занимаемой таким же объемом графита в форме пластин или игл.

Оба эти фактора (повышенная сплошность металлической основы и меньшая концентрация напряжений) указывают на то, что пластичность металлической основы чугуна с шаровидным графитом проявляется в большей степени, чем с графитом пластинчатой формы.

Обработке давлением чугуна в горячем состоянии способствует низкое содержание серы, не превышающее 0,03%. Сера в таком количестве при высоких температурах находится в твердом растворе и полностью связана марганцем. Низкое содержание фосфора также содействует обрабатываемости давлением в горячем состоянии. При содержании до 0,1% фосфор находится исключительно в твердом растворе в феррите.

1.6.1. Серый чугун

Несмотря на то что серый чугун имеет наиболее неблагоприятную для деформирования пластинчатую форму графита, производились попытки его горячей деформации.

Брилжмену  удалось пластически деформировать заключенные в медную оболочку образцы серого чугуна. Если же образны соприкасались непосредственно с жидкостью, передающей давление, в ряде опытов чугун оставался хрупким.

П. П. Руденок |8| исследовал деформируемость серого перлитно-ферритного чугуна в интервале температур 20—1100 °С в условиях статического и динамического растяжения, статического и динамического осаживания, ударной вязкости. Прочность серого чугуна при статическом растяжении с повышением температуры до 400 °С практически не изменяется (200 Μ Па), так же как и пластичность (2%). Начиная с 400 и до 1000 °С происходит плавное падение прочности и рост пластичности по затухающим кривым. При температуре ΙΟ00 °С прочность падает до 50 МПа, пластичность возрастает до 6%, относительное сужение шейки максимально при 1000 °С. При испытаниях на динамическую прочность серый чугун имеет практически абсолютную хрупкость. Максимальное обжатие серого чугуна при 900 °С составляет при статическом воздействии 25%, при динамическом воздействии — 27%. Ударная вязкость серого чугуна возрастает от 50 кДж/м² при комнатной температуре до 5,5 кДж /см² при 900 ^°С. а затем резко падает. При всех видах разрушения серый чугун давал только хрупкий излом без каких-либо признаков вязкого разрушения.

Во время объемной штамповки образец разрушался на начальном этапе до момента соприкосновения образца со стенками штампа при открытом осаживании. После предварительного обжатия бандажированной заготовки со степенью Деформации до 70% чугун при испытаниях при комнатной температуре показывает более высокие прочность и пластичность, в частности предел прочности при осадке повышается от 500 до 840 Μ Па, а пластичность при осадке повышается от 5 до 20%, т. е. в 4 раза. Авторы не советуют применять для обработки давлением серого чугуна такие способы деформации, которые отличаются низким гидростатическим давлением (открытая ковка, открытая прокатка), а рекомендуют горячее выдавливание.

В. В. Бойцов [45Jпоказал, что в микроструктуре серого чугуна после прессования беспорядочно расположенные включения графита получают ориентацию вдоль оси прессования. Испытания на растяжение показали, что предел прочности чугуна в продольном направлении возрастает в 1,25—2 раза, а в поперечном направлении не меняется.

В работе [42] после успешной прокатки серого чугуна марки СЧ 35-56 получен следующий прирост механических свойств: предел прочности при растяжении — от 30— 40Q(U—1200 МПа предел текучести — от 10 до 600—700 МПа, относительное удлинение — от 0,5 до 2—5%, твердость Η В — от 175—225 до 250— 320 МПа, модуль упругости — от 100 000—150 000 до 160 000-190 000 МПа, предел выносливости при испытаниях на изгиб — от 100—150 до 250—400 МПа, предел выносливости при растяжении-сжатии от 40—100 до 200—280 МПа. Рост свойств происходит до укова 2,0—2,5, затем стабилизируется. Высокие показатели механических свойств после деформации объясняются двумя факторами: 1) вытягиванием включений графита, принимающих игольчатую равнонаправленную форму, уменьшая вредное его влияние на металлическую основу; 2) измельчением зерен металлической основы благодаря процессам рекристаллизации.

По предположению работы [16], прирост механических свойств максимален у чугунов, имеющих наиболее неблагоприятную форму графита до деформации. В частности, при одинаковой металлической матрице прирост прочности у серого чугуна больше, чем у ковкого, и еще больше, чем у высокопрочного. Иными словами, потолок механических свойств у всех типов чугунов после деформации примерно одинаков и соответствует свойствам сталей. Однако в отличие от сталей чугуны после обработки давлением имеют более высокие износостойкость и коррозионную стойкость, лучшую прирабатываемость, меньшую плотность.

При прессовании [30] прочность труб из серого чугуна на разрыв не превысила 115 МПа, а прочность на изгиб значительно повысилась по сравнению с литыми и достигла 400— 480 МПа.