Чугуны

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

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

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).

 

Высокопрочные чугуны с графитом округлой формы

Исследованиями установлено, что присутствие в серых чугунах графитных выделений округлой формы улучшает их механические свойства и, в частности, повышает предел прочности при растяже­нии, пластичность и ударную вязкость.

Для получения в серых чугунах графита округлой формы их подвергают модифицированию. Серые чугуны с графитом округлой формы, модифицированные магнием, получили название высоко­прочных чугунов, или чугунов с шарообразным графитом. При мо­дифицировании происходит изменение структуры серого чугуна (рис. 47, а). Сначала при введении магния (рис. 47, б) образуется структура белого чугуна. После модифицирования магнием и фер­росилицием (рис. 47, в) микроструктура чугуна состоит из сталь­ной основы (ферритной, ферритно-перлитной или перлитной) и вы­делений графита округлой формы.

Микроструктура чугуна с графитом округлой формы

Микроструктура чугуна с графитом округлой формы

Высокопрочные чугуны имеют более высокие механические свой­ства, чем серые. Механические свойства высокопрочных чугу­нов регламентированы ГОСТ 7293-54.

ГОСТ предусматривает пять марок высокопрочных чугунов: ВЧ 45-0, ВЧ 50-1,5, ВЧ 60-2, ВЧ 45-5, ВЧ 40-10 (ВЧ — высокопрочный чугун, первые две цифры обозначают величину предела прочности при растяже­нии, а вторые-величину относительного удлинения). Удар­ная вязкость высокопрочных чугунов ан = 0,15-0,29 Мдж/м2 1,5-3,0 кГ — м/см2).

Высокопрочные чугуны применяют для изготовления деталей машин, работающих на износ и подвергаемых ударным и повторно- переменным нагрузкам (например, зубчатых колес, коленчатых валов, поршневых колец и др.). Высокие механические, а также ли­тейные свойства высокопрочных чугунов позволяют заменять ими в ряде случаев сталь, цветные металлы и сплавы.

 

Ковкие чугуны

Для получения ковких чугунов отливки из белых чугунов подвер­гают графитизирующему отжигу в отжигательных печах.

Ковкие чугуны, так же как и серые, имеют структуру, состоя­щую из стальной основы и выделений графита. Разница только в том, что в ковких чугунах он выделяется в процессе отжига. По­ этому графит в ковких чугунах называют также углеродом (графитом) отжига. Выделения графита в ковких чугунах имеют хлопьевидную, а не пластинчатую форму. Микроструктура ковкого чугуна приведена на рис. 48.

Микроструктура ковкого чугуна

Микроструктура ковкого чугуна

В зависимости от структуры стальной основы ковкие чугуны разделяют на три группы:

  1. ферритные; структура феррит и углерод отжига;
  2. ферритно-перлитные; структура феррит, перлит и углерод отжига;
  3. перлитные; структура перлит и углерод отжига.

Наибольшую прочность и твердость имеют перлитные ковкие чугуны; они применяются для изготовления деталей, работающих на износ.

Самые распространенные — ферритные и феррит­но-перлитные ковкие чугуны, обладающие большей пластичностью. Хорошие литейные свойства ковких чугунов обеспечивают возмож­ность отливки из них деталей сложной формы, например, деталей арматуры (вентилей, тройников и др.), автомобилей, сельскохозяй­ственных и других машин.

Механические свойства ковких чугунов регламентированы ГОСТ 1215-59.

ГОСТ предусматривает четыре марки ферритных чугунов: КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10, КЧ 37-12 и четыре марки ферритно- перлитных чугунов: КЧ 45-6, КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3, а также КЧ 63-2 (КЧ — ковкий чугун, первые две цифры обозначают ве­личину предела прочности при растяжении, а вторые — величину относительного удлинения). Твердость по Бринеллю ферритных чугунов не более 1600 Мн/м2 (HB 163), а ферритно-перлитных — в пределах 2364-2638 Мн/м2 (HB 241-269).

Ковкие чугуны подвергают модифицированию для получения большего числа центров графитизации и ускорения процесса отжи­га, который является длительной технологической операцией (осо­бенно при отжиге толстостенных отливок). В качестве модификато­ров применяют Al, Al — B, Al — Bi, Al — B — Bi и др.

С этой же целью проводят и низкотемпературную обработку бе­лого чугуна — изотермический нагрев при температурах 200-500° в течение 3,5-4 ч. Сочетание модифицирования алюминием с низ­котемпературной обработкой позволяет сократить время отжига толстостенных отливок на ферритный ковкий чугун с 60-70 ч до 21 ч. Ускоренный отжиг ковкого чугуна по этой технологии дает большой экономический эффект.

С. А. Салтыковым, Г. И. Троицким, А. Д. Ассоновым и другими был предложен способ предварительной закалки белого чугуна (нагрев до 950-980° С и охлаждение в масле) перед графитизирующим отжигом. Мелкозернистая структура и внутренние напряже­ния, возникающие при закалке, создают многочисленные центры графитизации, вследствие чего время отжига для получения ков­кого чугуна сокращается до 10-15 ч.