весьма широк. В первую очередь они зависят от вида и формы высокоуглеродистой фазы. Серый чугун с пластинчатым графитом отличается прекрасными антифрикционными свойствами, износостойкостью и низкой чувствительностью к внешним концентраторам напряжений. Высокопрочный и ковкий чугуны имеют высокую прочность и достаточную пластичность, а по величине соотношения пределов текучести и прочности при растяжении, по низкой чувствительности к надрезам, демпфирующей способности и износостойкости превосходят литую сталь. За счет меньшей плотности

илучших литейных свойств отливки из графитизированных чугунов на 10-20 % легче равнопрочных отливок из углеродистых сталей.

Граф итизированный чугун можно отнести к естественным композиционным материалам. Он представляет собой композицию стали

играфита (от 2 до 12 % по объему). Графит, как смазывающий материал, предотвращает схватывание материалов трущихся слоев, т.е. обладает хорошими антифрикционными свойствами. Детали из чугуна хорошо работают в условиях трения. В целом графитизированный чугун обладает такими эксплуатационными свойствами и их сочетаниями, которые у других сплавов получить невозможно.

Белые чугуны имеют высокую твердость и износостойкость при трении в абразивных условиях. Детали из легированных чугунов со специальными свойствами могут длительное время работать при высоких температурах и в агрессивных средах.

2.1.Классификация чугунов

Чугуны отличаются большим разнообразием структуры и свойств. Их классификация осуществляется по четырем основным признакам.

По со с т о я н и ю угл е р о д а чугуны делятся на четыре типа: графитизированные, белые, половинчатые и отбеленные.

Гоафитизированными называют чугуны, в которых большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. Одновременно часть углерода может присутствовать в них в связанном состоянии в виде цементита, образующего вместе с ферритом перлит.

Белые чугуны представляют собой сплавы, в которых весь углерод связан в цементит Fe3C или другие карбиды.

Половинчатыми называют чугуны со смешанным состоянием углерода. Они содержат как эвтектический цементит, так и графит.

Отбеленные чугуны представляют собой графитизированные чугуны с тонким наружным слоем из белого чугуна.

По форме графитовых включений можно выделить также четыре группы сплавов:

чугуны с пластинчатым графитом, или серые чугуны (СЧ);

чугуны с хлопьевидным графитом, или ковкие чугуны (КЧ); чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ); чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ).

Чугуны с шаровидным и вермикулярным графитом называют ещё высокопрочными.

По ст рукт уре м ет аллической м ат рицы чугуны делятся на ферритные, перлитные, аустенитные и чугуны со смешанной структурой - перлито-ферритные. Кроме того, путем термической обработки можно получить трооститные, бейнитные и мартенситные чугуны.

По хим ическом у со ст а ву различают нелегированные чугуны

(общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).

2.2. Структура и механические свойства чугунов

Служебные свойства-чугунных отливок в первую очередь связаны с механическими свойствами чугуна, которые определяются структурой металлической матрицы, а также количеством, формой, дисперсностью и характером распределения графитовых включений. Формирование структуры чугунных отливок происходит в неравновесных условиях и зависит от множества факторов, влияние которых рассмотрено в разделе 1.6.

Важной особенностью чугуна является то, что его структура, а следовательно, и механические свойства определяются, при прочих равных условиях, не столько химическим составом, сколько скоростью охлаждения отливки. Реальные скорости охлаждения чугуна в различных сечениях фасонных отливок зависят от толщины стенки и могут колебаться в настолько широких пределах, что в одной и той же сложной фасонной отливке иногда можно встретить все четыре типа чугунов: серый (граф итизированный), отбеленный, половинчатый и белый. В разностенных частях отливок из серого чугуна по той же причине можно наблюдать графитовые включения различной формы и разных размеров в матрице из различных структурных составляющих. Из многообразия факторов, влияющих на механические свойства чугуна, можно выделить следующ ие: форму, размеры и характер распределения графита; структуру металлической матрицы; технологические условия литья; режимы термообработки и т.д.

Особое внимание всегда уделяется графиту. Влияние графита складывается из ослабления поперечного сечения и надрезывающего влияния на металлическую основу. На рис. 2.1 видно, что по краям графитовых включений происходит увеличение плотности силовых линий и соответственно локальное повышение напряжений. Чем острее край включения, тем больше сближение этих линий, выше напряжения и больше опасность преждевременного разрушения. Чем меньше графитовых включений и чем больше их форма приближается к шаровидной, тем

меньше отрицательное влияние графита на прочность, пластичность и модуль упругости.

Кроме того, благодаря наличию графитовых включений, чугун менее чувствителен к влиянию надрезов, чем сталь. Раковины, поры, неметаллические включения, риски после механической обработки и т.п. почти не снижают конструктивную прочность чугунных отливок.

а б

Рис. 2.1. Распределение силовыхлиний в металлической основе чугуна с различной

формой графита

При одинаковом составе и перлитной матрице механические свойства чугуна с различной формой графитовых включений (1 пластинчатые с равномерным расположением, 2 - хлопьевидные, 3 - сфероидальные) меняются в следующих пределах:

Отсюда следует, что этот фактор является решающим как для прочностных, так и для пластических свойств чугуна.

Совсем незначительная собственная прочность графита справедливо позволяет рассматривать ^б/та^% графитовые включения как раковины, нарушающие монолитность металлической основы. Увеличение абсолютного количества графита всегда приводит к снижению механических свойств, но в разной степени, в зависимости от формы графита. Влияние содержания углерода (следовательно, и абсолютного количества графита) на механические свойства показано на рис.

2.2. Наибольшее влияние на прочность оказывает пластинчатый графит. Он перерезает отдельные микроучастки металлической основы, изолирует их друг от друга и резко уменьшает эффективное сечение отливок. При этом чем крупнее и

и ФЭп, количество и размер включений цементита Ц и Цп.

Форма графитовых включений оценивается в баллах по шкалам эталонов основных форм графита, встречающихся в чугунах. Графит ПГф1 и ПГф2 характерен для доэвтектического и эвтектического СЧ, а ПГфЗ и ПГф4 - для заэвтектического СЧ. ВГф1, ВГф2 и ВГфЗ соответствуют ЧВГ. ШГф1, ШГф2, ШГфЗ, ШГф4 и ШГф5 характеризуют ВЧШГ. У ковкого чугуна три формы включений: КГф1, КГф2 и КГфЗ. Если в чугуне имеется графит различных форм, то следует визуально оценить процентную долю каждой формы и указать ее при обозначении структуры.

Размеры включений графита оцениваются по длине L или диаметру D в мкм. Для оценки пластинчатого графита предусмотрено восемь баллов: ПГд15, ПГд25, ПГд45, ПГд90, ПГд180, ПГдЗбО, ПГд750 и ПГдЮОО. Для оценки шаровидного и компактного графита применяются только первые шесть баллов этой шкалы. Если в структуре чугуна имеется графит разных форм, то величина включений определяется для каждой из них.

Распределение включений пластинчатого графита оценивается по шкале из девяти баллов: от ПГр1 до ПГр9. Распределения типов ПГр1 и ПГр2 характерны для средних и крупных отливок с толщиной стенки от 30 до 100 мм. В более толстостенных отливках (например, в изложницах) наблюдается, в основном, веточное распределение ПГр5, а в быстро охлажденных отливках - сетчатое и розеточное ПГрб и ПГр7 Если в структуре чугуна имеется графит двух или более различных распределений, то процентная доля каждого распределения оценивается визуально и указывается в обозначении структуры.

Оценка графита по количеству производится по относительной площади, занятой графитом, визуально или инструментальными методами. Для визуального сравнения предусмотрено пять эталонов: ПГ2, ПГ4, ПГ6, ПГ10 и ПГ12, где цифры указывают среднее содержание графита

( в % ) .

Тип матрицы оценивается баллами. Предусмотрено шесть баллов: Ф - феррит; Пт1 - перлит пластинчатый; Пт2 - перлит зернистый; Т - троостит; Б - бейнит и М - мартенсит.

Оценка количества перлита П и феррита Ф в чугуне производится по средней площади (в %), занятой этими фазами на микрошлифе. Предусмотрено девять баллов количественной оценки, которая может производиться по перлиту или ферриту: П (Ф0); П96 (Ф4); П92 (Ф8); П85 (Ф15); П70 (ФЗО); П45 (Ф55); П20 (Ф80); П6 (Ф94) и ПО (Ф).

Дисперсность перлита оценивается по пятибалльной шкале путем определения расстояния между соседними пластинами цементита при их поперечном разрезе. Среднее межпластинчатое расстояние в микрометрах указывается после обозначения Пд (ПдО.З, ПдО.5, Пд1,0, Пд1,4 и Пд1,6).

Оценка фосфидной эвтектики производится по четырем

основным параметрам: строению (пять баллов - ФЭ1, ФЭ2, ФЭЗ, ФЭ4, ФЭ5);

характеру распределения (три балла - ФЭр1, ФЭр2, ФЭрЗ); диаметру ячеек сетки в микрометрах (пять баллов - ФЭд250, ФЭд400, ФЭдббО, ФЭдЮОО, ФЭд1250); средней площади трех наибольших включений в мкм2 (ФЭп2000, ФЭпбООО, ФЭп20000, ФЭп25000).

Количество цементита в отбеленных чугунах оценивается по общей площади, занятой им (в %) на шлифе (пять баллов - Ц2, Ц4, Ц10, Ц25, Ц40) и по средней площади трех наибольших включений в мкм2 (пять баллов - Цп2000, ЦпбООО, Цп13000, Цп20000, Цп25000).

Описание структуры производится индексами или словами. Например: ПГф1 - ПГр1 - ПГд90 - ПГ6 - Пт1 - П45 - Пд0,5 - ФЭЗ - ФЭд1 ФЭпбООО. Этой сокращенной записи соответствует описание: серый чугун с равномерно распределенным графитом прямолинейной формы длиной 60-120 мкм (среднее 90), занимающим площадь от 5 до 8 %, перлит пластинчатый в количестве от 30 до 60 % (среднее 45) с межпластинчатым расстоянием 0,5 мкм, фосфидная эвтектика тройная, игольчатого строения в виде отдельных включений площадью от 2000 до 10 000 мкм2. Еще пример: КГфЗ - КГд45 - Пт1 - П60 - Ф40 -Пд0,8. Так сокращенно описан ковкий чугун с включениями графита компактной формы диаметром 4050 мкм, металлическая основа которого состоит из 60 % пластинчатого перлита с межпластинчатым расстоянием 0,8 мкм и 40 % феррита.

ГОСТ регламентирует порядок вырезки образцов для приготовления микрошлифов и дает рекомендации по их травлению. Все эталонные фотографии выполнены при определенном увеличении, которое необходимо строго учитывать при сравнении подготовленного шлифа с эталонами.

На рис. 2.3-2.6 в качестве примера приведены эталоны для определения графита в структуре чугуна с пластинчатым графитом. На рис. 2.5 шкала 1.В приведена не полностью, отсутствуют эталоны ПГрб, ПГр8 и ПГр9.

В ГОСТе структура чугуна на этих фотографиях увеличена в 100 раз. При печати в данном издании они уменьшены » на 4/5, поэтому не годятся для практической работы. Фрагменты других шкал Данного стандарта будут приведены ниже при описании структуры чугунов с вермикулярным, шаровидным и компактным графитом.

Учитывая тесную связь структуры и механических свойств, можно сделать вывод, что обеспечение заданных служебных характеристик чугунных отливок возможно только при получении в них определенной структуры .

аЧ

ч / ' N

/

ПГд25

Рис. 2.4. Классификация графита по длине вклю­ чений (мкм).Шкала 1. Б.

ГОСТ 3443-8?