§2.10. Чугун

Это сплав железа (Fe) в основном с углеродом (C), содержание которого превышает 2, 14%. Температура плавления составляет 1147С (см. рис. 2.19).

Присутствие эвтектики в структуре чугуна облегчает его использование как литейного сплава. Углерод здесь находится в виде цементита или графита, или того и другого. Чугун, у которого весь углерод при нормальных условиях химически связан в виде цементите, из-за светлого излома называется белым чугуном. Если у чугуна много графита, то такой сплав называют серым чугуном. У серого чугуна графит имеет форму пластинок. Имеются также высокопрочный чугун с графитом шаровидной (глобулярной) формы, ковкий чугун, у которого графит имеет форму хлопьев, и др.

Отличительной особенностью чугуна является наличие свободного углерода- графита и форма его включений, определяющих вид чугуна.

Графит- это мягкая непрочная неметаллическая фаза, слабо связанная с металлической основой. Поэтому включения графита нарушают сплошность металлической основы и ослабляют ее. Особенно сильное влияние оказывают пластинчатые включения, играющие роль как бы трещин и надрезов, т.е. концентраторов напряжений.

Благоприятная форма графита (шарообразная) достигается модифицированием чугуна, т.е. введением в расплав магния. Так получают высокопрочный чугун.

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом (томлением) отливок из белого доэвтектического чугуна с низким содержанием углерода (<2,5%С) и кремния.

В производственных условиях получают чугуны со следующими структурами:

1. Феррит+ перлит+ графит (серый ферритно- перлитный чугун).

2. Перлит+ графит (серый перлитный чугун).

3. Феррит+ графит (серый ферритный чугун)

4. Перлит+ цементит+ графит или перлит+ ледебурит+ графит. Такие чугуны называю половинчатыми.

На рис.2.26….2.30 показаны микроструктуры чугунов.

Рис. 2.26

Микроструктура перлитного серого чугуна – перлит + графит.

Рис. 2.27 Микроструктура ферритно- перлитного серого чугуна-

феррит+ перлит+ графит.

Рис.2.28

Микроструктура ферритного серого чугуна- феррит+ графит.

Рис. 2.29 Шаровидный графит Рис. 2.30 Хлопьевидный графит

Здесь светлое поле- соответствует ферриту, темные пластинки- графиту.

Другие элементы, добавленные в сплав, оказывают следующее влияние:

- Si, Ti, Ni, Cu, Al способствуют выделению графита и смягчению чугуна;

- Mn, Mo, S, Cr, V, W способствуют получению углерода в виде цементита в связанном состоянии;

- фосфор (Р) образует в чугуне тройную фосфовидную эвтектику, при которой выше твердость и хрупкость чугуна, но температура плавления снижается до 905С. В обычном сером чугуне 0,3- 0,4%Р, в художественных отливках до 1%Р;

- сера (S) понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Обычно в чугуне 0,08- 1%S.

- графит уменьшает прочность.

Чугуны с добавками Al, Cu, Cr, Ni, Si >3,5%, Mn>1% называют легированными.

На структуру чугуна сильно влияет скорость охлаждения.

В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии в форме цементита, Fe₃C. Из-за большого количества хрупкого цементита белый чугун хрупок и тверд. Вследствие высокой твердости он хорошо сопротивляется износу, но очень плохо обрабатывается резанием и поэтому ограниченно применяется в машиностроении.

Серый чугун распространен очень широко из-за дешевизны, высоких литейных свойств, хорошей обрабатываемости резанием и удовлетворительных механических свойств. Кроме того, он отличается хорошими антифрикционными свойствами и малой чувствительностью к надрезам.

Наибольшую прочность имеет чугун на перлитной основе.

Получение более прочных чугунов (высокопрочных) может быть достигнуто образованием в его структуре благоприятной формы графита. Это обеспечивается модифицированием чугуна, а именно добавкой в расплав перед заливкой в формы 0,4…0,6% магния. Свободный углерод остается в виде графита шаровидной формы.

Ковкий чугун получают графитизирующим отжигом (томлением) отливок из белого доэвтектического чугуна с низким содержанием углерода и кремния.

Марки чугунов.

Серые чугуны:

СЧ 10 ...СЧ 15- ферритные и ферритно-перлитные. Здесь цифры указывают на предел прочности в кГс/мм². Так, СЧ10 имеет  _вр= 10 кГс/мм² 100МПа. Их применяют для малоответственных деталей при небольших нагрузках (станины, маховики, рамы).

СЧ 21...СЧ35- перлитные. Применяют для ответственных отливок деталей, работающих на износ.

Антифрикционные чугуны.

АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3. Антифрикционные свойства, т.е. сниженный коэффициент трения, определяются соотношением перлита и феррита, а также количеством и формой графита.

АЧВ-1- обычно работает при повышенных скоростях скольжения.

АЧВ-2- обычно работает в паре с сырым валом.

В структуре таких чугунов присутствует шаровидный графит.

АЧК-1; АЧК-2- ферритно-перлитные чугуны.

Высокопрочные чугуны.

ВЧ-45,... ВЧ-60,...ВЧ-120. У этих чугунов свойства литой углеродистой стали, но они сохраняют хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрацию, высокую износостойкость. ВЧ 45 имеет _вр= 45 кГ/мм² 450МПа, _0,2= 220- 310 МПа, = 2,8- 10%; HB140- 225.

Ковкий чугун.

КЧ 37- 12, ...КЧ 35- 10... выдерживают высокие статические и динамические нагрузки (редукторы, крюки, скобы...). В маркировке первая пара цифр соответствует пределу прочности, вторая - относительному удлинению, например КЧ 37- 12 имеет _вр=37 кГ/мм² 370МПа; = 12%.

КЧ 30- 6, КЧ 33- 8- изготавливают головки, муфты, фланцы.

Специальные чугуны.

ЧС5...ЧС17- серые чугуны и чугуны с шаровидным графитом, легированные кремнием (при Si>13% коррозионностойки в H₂SO₄ );

ЧХ22...ЧХ32 - чугуны с шаровидным графитом, легированные хромом (жаростойкие, окалиностойкие, коррозионностойки в HNO₃);

ЧН15Д7- высоколегированный никелевый серый чугун;

ЧН15Д3Ш- высоколегированный никелевый чугун с шаровидным графитом (термостойкий, коррозионностойкий к щелочам);