Если в процессе кристаллизации образуется Fe3C (первичный или эвтек-

тический), то при определенных условиях возможен его распад на аустенит и графит.

Процесс образования графита из жидкости и в результате распада первичного цементита или эвтектического цементита называется первичной стадией графитизации, а графит – первичным Г(I). При дальнейшем медлен-

ном охлаждении возможно выпадение графита из аустенита по линии S’E’ и эвтектоидного графита Гэд в интервале температур 738...727 °С. Выделение

вторичного графита из аустенита называется промежуточной стадией графитизации. Образование эвтектоидного графита и распад эвтектидного цементита на графит и феррит называется вторичной стадией графитизации. Основная масса графита в чугуне выделяется на первичной стадии. Вторичный графит самостоятельно не выделяется, а наслаивается на первичный. Процесс графитизации можно осуществить, если чугун длительно нагревать. При температуре ниже 727 °С цементит чугуна распадется на феррит и графит, при температурах более 738 °С – на аустенит и графит.

2.3. Чугуны

Правая часть диаграммыFe–C – чугуны (см. рис. 2.3). Чугуны – сплавы же-

леза с содержанием углерода более 2,14 %.Чугуны широко применяются для из-

готовления путем литья разнообразных деталей машин: блоков цилиндров, шестерен, поршневых колец и других, не испытывающих больших механических нагрузок,особенно динамических. Различают следующие виды чугунов.

Белый чугун (БЧ) – это чугун, в котором весь углерод связан в цементит Fe3C. Кристаллизация белого чугуна отражается в метастабильной диаграм-

ме. Его характерной особенностью является белый матово-лучистый излом из-за большого количества ледебурита. Белые чугуны из-за присутствия цементита обладают высокой твердостью, хрупки и практически не поддаются резанию. Имеют ограниченное применение. Отливки из белого чугуна служат исходными заготовками для деталей из ковкого чугуна, который получают с помощью графитизирующего отжига.

Обеленными называются чугунные отливки, в которых поверхностный слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевин – из серого чугуна. Между ними может быть переходный слой из половинчатого чугуна (характеристика ниже). Отбел на глубину 12…30 мм является следствием быстрого охлаждения поверхности в результате отливки чугуна в металлические формы (кокиль) или сырые земляные формы.

31

Высокая твердость поверхности (400...500 НВ) обусловливает хорошую сопротивляемость против износа, особенно абразивного. Поэтому отбеленный чугун применяют для изготовления валков прокатных станов, шаров, конусов мельниц и т. п.

Серый чугун кристаллизуется по стабильной диаграмме. В нем весь или часть углерода находится в виде графита, не связанного структурно. Графит выделяется в виде пластин. Разновидностью серого чугуна является половинчатый чугун (ПЧ). В реальных условиях трудно выдержать режим охлаждения, соответствующий стабильной диаграмме, поэтому часть углерода выделяется в виде свободного графита, а часть – в виде Fe3C. Такой чугун состоит из ледебурита, цементита (II), перлита, графита. Излом серого чугуна – тем- но-серый, почти черный. Излом половинчатого чугуна – белый с темными вкраплениями, поэтому его называют пестрым чугуном. Так как серый чугун широко применяется, рассмотрим подробнее его строение.

Процесс графитизации и микроструктура чугуна определяется двумя факторами:

1) скоростью охлаждения отливки;

2) ее химическим составом.

Чем медленнее охлаждение, тем полнее процесс графитизации. Примеси, особенно углерод и кремний (Si), являются графитообразую-

щими. Изменяя их содержание при прочих равных условиях можно получить различные структуры чугуна. В зависимости от микроструктуры различают следующие виды серого чугуна.

1. Перлитный серый чугун, структура которого – перлит и пластичный графит. В этом чугуне 0,7 ...0,8 % С находится в виде Fe 3C, входящего в состав перлита, и обозначается ПЧ.

2.Феррито-перлитный серый чугун, структура которого – феррит, перлит

ипластичный графит. В зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится 0,7...1,0 % С и обозначается ФПЧ.

3.Ферритный серый чугун структурно состоит из феррита и пластичного графита. Здесь весь углерод находится в виде графита и обозначается ФЧ.

Зависимость микроструктуры чугуна от содержания С, Si и скорости охлаждения (толщины стенки отливки) описывается структурной диаграм-

мой (рис. 2.4).

Данная диаграмма показывает влияние процента Si на образование той или иной структуры при исходном количестве углерода (например, 3 % С).

32

Чем больше в чугуне углерода, тем меньше в нем может быть кремния, чтобы получилась та же структура.

С, %

2

Рис. 2.4. Виды чугунов в зависимости от массовой доли углерода и кремния

Также диаграмма показывает влияние скорости охлаждения при исходном содержании графитообразующих примесей. Поскольку толщина стенки часто зависит от толщины конструкционной стенки изделия, то получаемая структура чугуна почти целиком будет зависеть от состава сплава (содержанияC + Si).

Свойства серых чугунов определяются строением металлической основы и распределением, формой, размерами графитных включений. Металлическая основа в сером чугуне определяет прочность и износостойкость. Особенно высоки эти характеристики, когда основа перлитная.

Если металлическая основа ферритная, то прочность и износостойкость уменьшаются. Однако пластичные свойства при этом не возрастают. Это объясняется влиянием графитовых включений, которые можно рассматривать как надрезы в металле. Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву и особенно снижают пластичность. Однако эти включения мало снижают предел прочности при сжатии. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие. Включения графита делают чугун малочувствительным к надрезам, вытачкам, дефектам поверхности и другим концентраторам напряжений.

Серый чугун маркируют буквами СЧ. После букв следуют цифры: первые указывают на предел прочности при растяжении, вторые – на изгиб.

33

Перлитный чугун (СЧ24-44) применяют для отливки станин мощных станков, поршней, цилиндров. Его могут модифицировать специальными добавками (ферросилицием, силикокальцием) для получения включений средней величины. Модифицированный СЧ28-48, СЧ32-52 применяют для деталей, работающих на износ: зубчатых колес, тормозных барабанов, цилиндров паровых машин. Ферритный и ферритно-перлитный чугун (СЧ15-32, СЧ12-28 и др.) применяют для менее ответственных деталей, например, станин станков, кнехтов и т. п. Высокопрочный чугун содержит шаровидный графит.

Если в жидкий чугун добавить небольшое количество щелочных или щелочноземельных металлов (обычно Mg содержится 0,03...0,07 %), то при кристаллизации графит принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Шаровидный графит меньше ослабляет основную металлическую массу, что обеспечивает высокие механические свойства чугуна.

Такой чугун маркируют буквами ВЧ, после чего следуют цифры предела прочности при растяжении и относительного удлинения.

В чугунах ВЧ образование феррита в металлической основе желательно для повышения пластичности, так как графит ее не снижает.

Чугуны марки ВЧ50-1,5; ВЧ60-2 имеют перлитную основу, марки ВЧ 45-5; ВЧ40-10 – перлитно-ферритную и ферритную.

Отливки из высокопрочного чугуна применяют для коленчатых валов дизелей, крышек цилиндров двигателей внутреннего сгорания, прокатных валков, деталей насосов в нефтяной и химической промышленности.

Ковкий чугун маркируют КЧ (предел прочности при растяжении – относительное удлинение). КЧ получают в результате длительного нагрева отливок из белого чугуна при температуре отжига. При этом образуется графит хлопьевидной формы, который меньше снижает пластичность, чем пластинчатый. Металлическая основа ковкого чугуна – феррит, реже – перлит.

Ковкий чугун отличается пониженным содержанием углерода и кремния по сравнению с серым чугуном, что способствует повышению пластичности и отбеливанию отливок при литье. Толщина отливок не должна быть больше 40...50 мм, так как при больших сечениях в их сердцевине образуется пластинчатый графит и чугун становится непригодным для отжига.

Отжиг проводят в ящиках с песком. Режим имеет две стадии (рис. 2.5). Выдержка при температуре 950...970 °С. При этом протекает I стадия графитизации, т. е. цементит ледебурита (А + Fe3C) распадается и устанавли-

вается равновесие (А + Г) – Г – хлопья (углерод отжига).

34