5.3. Чугуны. Влияние химического состава и скорости охлаждения на структуру чугуна. Серый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун: классификация, маркировка, применение.

Чугуны – сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14%.

Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование. Чугуны отличаются хорошими литейными свойствами и плохо деформируются.

Структура чугуна и его свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий кристаллизации и охлаждения расплава, термической обработки отливки.

Углерод в чугуне может находиться в виде Fe₃C или графита, либо одновременно. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита (то есть в связанном состоянии) называется белым. В зависимости от формы графита различают серый высокопрочный и ковкий чугуны (в изломе они серые).

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Кремний способствует графитизации чугуна и сильно влияет на структуру чугуна. Содержание Si колеблется от 0,30,5% до 35%. Изменяя содержание кремния можно получать структуры чугунов от белого до серого ферритного.

Марганец препятствует графитизации, то есть способствует отбеливанию чугуна. Нейтрализует вредное влияние серы, образуя тугоплавкий MnS.

Сера способствует отбеливанию чугуна. Обусловливает ухудшение литейных свойств, увеличение усадки, повышение склонности к трещинообразованию, снижение температуры красноломкости чугуна. Для мелкого литья верхний предел содержания серы – 0,08%; для крупного – 0,1–0,12%.

Фосфор не влияет на процесс графитизации, но является полезной примесью в чугуне, так как образует твердые включения легкоплавкой тройной эвтектики (температура плавления 950С), которая повышает литейные свойства чугуна и износостойкость. Содержание фосфора 1%.

Белый чугун

Весь углерод в белом чугуне находится в связанном виде (Fe₃C). Различают доэвтектический, эвтектический и заэвтектический белые чугуны.

Белый чугун хрупок, тверд и плохо обрабатывается резанием, в связи с этим его применение весьма ограниченно. Большая часть производимого белого чугуна идет на передел в сталь или используется для литья с последующим отжигом на ковкий чугун.

Применение находит отбеленный чугун (в котором основная масса имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого). Используют для износостойких деталей простой формы (прокатные валки, волочильные доски, дробильные мельничные шары, тормозные колодки, поршневые кольца и т.п.)

Серый чугун

Это сплав системы Fe–C–Si. Отличается от белого тем, что часть углерода входит в его структуру в свободном виде. Включения графита, имеющие вид пластин, распределены в металлической основе серого чугуна, состоящей из ферритных и перлитных зерен.

Таким образом, чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу. Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, _В и особенно сильно пластичность чугуна. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (0,5%).

Величина твердости зависит от основы.

Однако: Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» эффекта. Графит улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой. Благодаря графиту, быстро гасятся вибрации. Графит делает чугун малочувствительным к всевозможным концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам и т.д.).

Маркируется буквами «СЧ» – серый чугун и цифрами, указывающими минимальное значение предела прочности _В.

Ферритные и ферритно-перлитные (СЧ10, СЧ15, СЧ18)

_В100180МПа. Применяют для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки (малонагруженные детали станков, автомобилей, тракторов, строительные колонны, фундаментальные плиты, а также арматура, зубчатые колеса, станины).

Перлитные (СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ35, СЧ40). Применяют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках (поршней, цилиндров, блоков двигателей). Структура этих чугунов – мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями.

Высокопрочный чугун

с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации.

Получают путем модифицирования белого чугуна магнием.

Шаровидный графит значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый и не является активным концентратором напряжений. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью. Сохраняя при этом хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, износостойкость, способность гасить вибрации и т.д.

Высокопрочный чугун маркируется буквами «ВЧ» и цифрами, указывающими минимальное значение предела прочности _В.

Ферритные высокопрочные чугуны: ВЧ 38, ВЧ 42.

Перлитно-ферритные высокопрочные чугуны: ВЧ 45

Перлитные высокопрочные чугуны: ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100, ВЧ 120.

Высокопрочный чугун широко используют в автостроении (коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры), в кузнечно-прессовом оборудовании и т.д.

Ковкий чугун

с включениями графита хлопьевидной формы.

Получают термической обработкой белого чугуна – графитизирующим отжигом.

Химический состав белого чугуна (С=2,53%, Si=0,71,5%, Mn=0,31%, S0,12% и P0,18%). Чугун имеет пониженное содержание углерода, так как требуется получить пластичный чугун. Толщина сечения отливки не должна превышать 40–50 мм, иначе в сердцевине образуется пластинчатый графит.

Маркировка ковкого чугуна аналогична высокопрочному – буквами «КЧ» и цифрами, показывающими минимальное значение предела прочности и относительного удлинения.

Ферритные ковкие чугуны КЧ 37–12, КЧ 35–10 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках (картерыредукторов, ступицы, крюки). Для менее ответственных деталей (хомутики, гайки, фланцы) КЧ 30–6, КЧ 33–8. 163НВ.

Перлитные ковкие чугуны КЧ 50–5, КЧ 55–4. 261-269НВ. Изготавливают вилки карданных валов, звенья, втулки, муфты.

Ковкие чугуны применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения.

ТЕМА 6

Теория и технология термической обработки.

6.1. Теория термической обработки стали.

6.1.1. Превращение феррито-карбидной структуры в аустенит при нагреве.

6.1.2. Превращения переохлажденного аустенита.

6.1.3. Мартенсит, его строение и свойства.

6.1.4. Превращения при отпуске закаленной стали.

6.2. Технология термической обработки.

6.2.1. Отжиг. Нормализация.

6.2.2. Закалка стали. Прокаливаемость и закаливаемость стали. Поверхностная закалка.

6.2.3. Отпуск стали.