1. Белые чугуны

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном виде (входит в состав цементита), в зависимости от положения сплава относительно эвтектической точки С на диаграмме состояния различают доэвтектические, эвтектические и заэвтектические белые чугуны.

Рис. 2. Микроструктура (фотография и схема) доэвтектического белого чугуна,  300.

Рис. 3. Микроструктура (фотография и схема) эвтектического белого чугуна,  300.

Рис. 4. Микроструктура (фотография и схема) заэвтектического белого чугуна,  200.

Структура эвтектического белого чугуна целиком состоит из ледебурита (рис. 3), доэвтектического – из перлита, ледебурита и вторичного цементита (рис. 2), а заэвтектического – из ледебурита и первичного цементита (рис. 4). Присутствие в структуре твердых и хрупких составляющих определяет механические свойства белых чугунов: это твердые, хрупкие материалы, плохо обрабатываемые резанием. Конструкционное применение белого чугуна, точнее, отливок с поверхностным отбелом, ограничено; из него изготавливают износостойкие детали простой формы (прокатные валки, волочильные доски, буровые шарошки, дробильные мельничные пары, тормозные колодки и др. детали, работающие в условиях износа). Большая часть производимого белого чугуна поступает на передел в сталь или используется для литья с последующим отжигом на ковкий чугун.

2. Серые чугуны

Серый чугун отличается от белого тем, что часть углерода входит в его структуру в свободном виде – в форме графитовых включений. Графитовые включения имеют вид пластин и хорошо видны даже на нетравленных микрошлифах (рис. 5), структуру основы, состоящей из ферритных и перлитных зерен выявляют также, как и у стали и белых чугунов – травлением 3-5%-м раствором азотной кислоты в этиловом спирте.

Рис. 5. Микроструктура чугуна с пластинчатой формой графита, нетравленный шлиф,  150.

Общее содержание углерода в сером чугуне

С_об = С_св +С_гр,

где С_св – содержание связанного углерода, %;

С_гр – содержание графита, %.

Если С_св ≈ 0, то металлическая основа имеет ферритное строение (риc. 6), прочность материала невелика, из него изготавливают строительные колонны, фундаментные плиты, детали, испытывающие незначительные нагрузки – крышки, кожухи, корпуса и т.п.

С ростом С_св увеличивается количество перлитных зерен, при С_св=0,8% структура строится на чисто перлитной основе (рис. 8). Из такого чугуна изготавливают станины, цилиндры, поршни, детали, работающие на износ, коленчатые валы, ответственные зубчатые колеса и др.

Если 0 < С_св < 0,8 %, то в структуру сплава входят как феррит, так и перлит (рис 7); отливки из такого чугуна предназначены для деталей, не несущих ударных нагрузок, таких как шкивы, зубчатые колеса, станины, суппорты и др.

Структура чугуна формируется при его кристаллизации из расплава. Общее условие выделения свободного углерода – медленное охлаждение при достаточном (свыше 2,14 %) содержании углерода в исходном расплаве.

Присадка кремния усиливает графитизацию, содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3-0,5 % до 3-5 %, что практически дает возможность получать структуры чугунов от белого до серого ферритного. Марганец, в отличие от кремния, препятствует графитизации, способствует отбелу отливки, его содержание в чугунах обычно не превышает 1%. Особую роль играет присутствующий в чугунах фосфор. Фосфор связывается в чугуне с углеродом и железом в виде тройной фосфидной эвтектики (Fe₃P + Fe₃C+Fe), температура плавления которой 950C (1223 К). Эвтектика обладает большой твердостью, ее присутствие увеличивает износостойкость чугуна. Кроме того, фосфор увеличивает жидкотекучесть чугунного расплава. Количество фосфора обычно колеблется от 0,1 до 1%.

Рис. 6. Микроструктура (фотография и схема) серого ферритного чугуна, 250.

Рис. 7. Микроструктура (фотография и схема) серого ферритно-перлитного чугуна, 220.

Рис. 8. Микроструктура (фотография и схема) серого перлитного чугуна, 300.

Вид излома серого чугуна зависит от количества графита: чем его больше, тем темнее излом чугуна. Как видно из рассмотренных структур, серый литейный чугун представляет собой доэвтектоидную и эвтектоидную сталь, пронизанную пластинками графита. Эти пластинки является активными концентраторами напряжений, играют роль надрезов, трещин, и это снижает механические свойства чугуна по сравнении со сталью, особенно при испытаниях на растяжение. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (0,5%). Серому литейному чугуну свойственна очень низкая ударная вязкость. Величина твердости по Бринеллю зависит главным образом от структуры металлической основы – она тем выше, чем больше в основе перлита; предел прочности при растяжении и изгибе зависят от сочетания металлической основы, количества и формы графита. Можно ориентировочно считать, что предел прочности чугуна при изгибе в два раза выше, чем предел прочности при растяжении.

Помимо отрицательных сторон пластинчатого графита, необходимо знать и его положительную роль: он повышает антифрикционные свойства сплава, играя роль смазки, благодаря графиту быстро гасятся вибрации и, наконец, графит делает чугун нечувствительным к концентраторам напряжений, имеющимся на поверхности отливки.

Маркировка серых чугунов по ГОСТ 1412–85: буквами «СЧ» – серый чугун и цифрами, указывающими минимальное значение предела прочности _В. Например: СЧ 20 – серый чугун, предел прочности при растяжении _В = 200 МПа.

Механические свойства серых чугунов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Марка чугуна	Металлическая основа	Предел прочности при растяжении в, МПа	Предел прочности при изгибе изг, МПа	Твердость НВ
СЧ 10	Ф	98	274	143-229
СЧ 15	Ф + П	147	314	163-229
СЧ 18	Ф + П	176	358	170-229
СЧ 20	Ф + П	196	392	170-241
СЧ 25	П	245	451	180-250
СЧ 30	П	294	490	181-255
СЧ 35	П	343	539	197-269
СЧ 40	П	392	588	207-285
СЧ 45	П	441	637	229-289