3.2. Серые чугуны
Серые чугуны получили свое название из-за серого излома образца, вызванного наличием в сплаве графита. Их получают путем медленного охлаждения расплава (Vохл < 10 0С/мин). Чем больше углерода и кремния в чугуне, тем больше вероятность выделения из расплава графита. Маркируются серые чугуны: СЧ 15, СЧ 25, СЧ 40, СЧ 45. Цифры показывают предел прочности на растяжение в кгс/мм2. Структуры серых чугунов приведены на рис. 5.
Рис. 5. Структуры серых чугунов: а) феррит + графит;
б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит
Металлическая основа серых чугунов имеет структуру: а) феррит; б) феррит и перлит; в) перлит. Неметаллическая часть состоит из графита пластинчатой формы. Из всех видов графита пластинчатая его форма обладает максимальной концентрацией напряжений, что придает серому чугуну низкую прочность, пластичность, вязкость. Поэтому из серых чугунов отливаются детали, работающие на статическую нагрузку (крышки, фланцы, корпуса редукторов, тормозные барабаны, гильзы блока цилиндров, корпуса насосов и т. д.).
Снижая механические свойства серого чугуна, графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность серого чугуна к дефектам поверхности, поэтому усталостная прочность чугунных деталей соизмерима со стальными.
3.3. Высокопрочные чугуны
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают, добавляя в расплав 0,02...0,08 % Mg, а также FeSi (для выделения графита из расплава) с последующим медленным охлаждением. Маркируются высокопрочные чугуны: ВЧ 38, ВЧ 42, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 80, ВЧ 120. Цифры показывают предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм2. Структуры высокопрочных чугунов приведены на рис. 6.
Из всех форм графита шаровидная форма создает наименьшую концентрацию напряжений. Поэтому отливки из высокопрочных чугунов обладают более высокой прочностью и при этом некоторой пластичностью. Они способны воспринимать небольшие ударные и знакопеременные нагрузки (изготовляют прокатные валки, коленчатые валы, поршни и другие детали).
Рис. 6. Структуры высокопрочных чугунов: а) феррит + графит;
б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит
3.4. Ковкие чугуны
Ковкие чугуны не подвергаются ковке, это литейный материал. Слово «ковкий» подчеркивает повышенную пластичность и прочность ковких чугунов по сравнению с серыми чугунами. Этому способствует хлопьевидная форма графита, которая меньше влияет на механические свойства. Маркируются ковкие чугуны: КЧ 30-6, КЧ 37-12, КЧ 60-3, КЧ 80-1,5. Первая цифра показывает предел прочности материала в кгс/мм2, вторая – относительное удлинение в процентах. Структуры ковких чугунов приведены на рис. 7. Металлическая основа состоит: а) из феррита; б) феррита и перлита; в) перлита. Неметаллическая часть – графит хлопьевидной формы.
Рис. 7. Структуры ковких чугунов: а) феррит + графит;
б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит
Изделия из ковкого чугуна получают путем длительного отжига отливок из белого чугуна, содержащего 2,4...2,9 % С, 1,0...1,6 % Si, 0,2...1 % Mn, по следующему режиму (рис. 8).
В точке 0 структура белого чугуна: перлит + ледебурит + цементит. При нагреве отливки из белого чугуна до температуры 950...1000 0С (точка 1) структура белого чугуна будет согласно диаграмме состояния Fe – Fe3C: аустенит + ледебурит + цементит.
Рис.8. Схема получения ковкого чугуна
Цель длительной выдержки (10...15 ч) при температуре 950...1000 0С – разложить свободный цементит и цементит ледебурита на железо (аустенит) и углерод в виде графита хлопьевидной формы (первая стадия графитизации). В точке 2 структура чугуна состоит из аустенита и графита. При охлаждении, переходя критическую температуру А1, аустенит превращается в перлит, поэтому в точке 3 структура сплава: перлит + графит. Дальнейшее охлаждение сохранит данную структуру. Если охладить чугун до температуры 720...740 0С (точка 3) и сделать выдержку 25...30 ч при этой температуре, то цементит перлита распадается на железо (феррит) и углерод в форме хлопьевидного графита (вторая стадия графитизации). В точке 4 структура чугуна будет состоять из феррита и графита. Дальнейшее охлаждение отливки сохранит эту структуру. Если выдержку при температуре 720...740 0С сделать менее 25...30 ч, то часть перлита сохранится и в точке 5 отливка будет иметь структуру: перлит + феррит + графит. Дальнейшее охлаждение отливки не изменит структуру.
Хлопьевидная форма графита создает меньшую концентрацию напряжений по сравнению с пластинчатой формой, поэтому пластичность и прочность ковких чугунов выше, чем у серых чугунов. Из ковких чугунов отливают детали, воспринимающие ударные и знакопеременные нагрузки.