9.2 Чугуны.

Чугуны делятся на две основные группы:

• белые (получили название по виду матово-белого излома), в них весь углерод находится в связанном состоянии – в цементите;

• с графитом, в них весь углерод или его часть находится в свободном состоянии (в виде графита) в металлической основе (матрице).

В чугунах содержатся те же постоянные примеси, что и в сталях.

Сера и фосфор понижают вязкость и пластичность чугунов (также как в сталях). Однако вредное влияние этих примесей на свойства не так ощутимо, т.к. чугуны являются хрупким материалом. Поэтому в чугунах допускается более высокое содержание серы – 0,1…0,12% и фосфора - 0,4…0,6%.

Чугуны являются литейными сплавами. Поэтому целесообразно оценить влияние примесей на технологические свойства чугунов - жидкотекучесть, и усадку.

Сера понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.

Фосфор улучшает жидкотекучесть благодаря снижению температуры плавления. Чугуны с увеличенным содержанием фосфора используют для художественного литья.

Марганец и кремний - полезные примеси - являются, как и в сталях, технологическими добавками, необходимыми для раскисления чугунов. Кремний, являясь графитизатором, – способствует, а марганец, будучи карбидообразующим элементом, затрудняет образование свободного углерода. Вместе с тем марганец несколько улучшает механические свойства чугунов, особенно в тонкостенных отливках.

9.2.1. Белые и отбеленные чугуны.

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии - в цементите. Структура белых чугунов описывается диаграммой «Fe – Fe₃С». В структуре белых чугунов присутствует большое количество цементита - это химическое соединение с высокой твердостью (800…1000HV). Поэтому белые чугуны, также имеющие высокую твердость (до 450…550 НВ), являются очень хрупким материалом. Они плохо поддаются обработке резанием, их применение в промышленности очень ограниченно – для изготовления литых деталей простой формы и небольшой массы, которые эксплуатируются в условиях повышенного износа и не требуют значительной механической обработки (например, шары шаровых мельниц для размола руды). Основное назначение белого чугуна – это переработка на ковкий чугун.

Несколько большее, но также ограниченное применение находят отбеленныечугуны. В поверхностном слое такие отливки имеют структуру белого чугуна, а в сердцевине чугуна с графитом. Отбеливание является следствием быстрого охлаждения поверхности отливки. Отбеленный чугун имеет высокую твердость на поверхности, его применяют для изготовления валков листовых прокатных станов, лемехов плугов, тормозных колодок и других деталей, практически не повергаемых обработке резанием и предназначенных для работы в условиях, требующих высокой износостойкости.

9.2.2. Чугуны с графитом.

В промышленности широкое применение нашли именно эти чугуны. Чугуны – литейные сплавы, их используют для производства отливок. Чугуны обладают хорошей жидкотекучестью, температура их затвердевания ниже, чем у сталей, а также малой усадкой за счет наличия в структуре свободного углерода.

Процесс образования графита в чугунах называется графитизацией. Образование графита может происходить при его непосредственном выделении из жидкой фазы при очень медленном охлаждении, когда степень переохлаждения не превышает 5°С (при более быстром охлаждении образуется цементит), или в результате распада цементита при длительных выдержках.

Цементит (Ц) распадается на свободный углерод в виде графита (Г) и твердый раствор углерода в железе:

• серые. Графит имеет пластинчатую форму;

• высокопрочные. Форма графита - шаровидная (глобулярная);

• ковкие. Графит имеет хлопьевидную форму.

Распад цементита может проходить полностью или частично. При неполном распаде цементита он присутствует в структуре наряду с графитом. В зависимости от количества углерода, связанного в цементите (С_связ) меняется структура металлической основы чугуна:

• при С_связ до 0,02% матрица ферритная. Это чугуны на ферритной основе, их структура феррит + графит;

• при С_связ =0,8% структура матрицы - перлит. Это перлитные чугуны со структурой перлит + графит;

• при С_связ от 0,02 до 0,8% чугуны - ферритно-перлитовые, со

структурой феррит + перлит + графит.

Твердость и прочность перлита выше, чем феррита. Поэтому наибольшей прочностью и износостойкостью обладают чугуны (с одинаковой формой графита) на перлитовой основе, наименьшей — на ферритовой.

Серый чугун получил название по виду излома, имеющего серый цвет. Серые чугуны получают непосредственно литьем. Это доэвтектические чугуны, содержащие 2,4…3,8% углерода, 1…4% кремния (графитизатор), 1,25…1,4% марганца (повышает прочность).

Серые чугуны обладают меньшей прочностью, чем ковкие и высокопрочные. Чем крупнее пластинки графита (они играют роль трещин) и менее равномерно они распределены по объему, тем ниже прочность чугуна при растяжении. Минимальной прочностью обладает серый чугун на ферритовой основе. Вместе с тем, включения графита не оказывают практического влияния на прочность при сжатии (при сжатии трещины закрываются). Предел прочности при сжатии в три - пять раз больше, чем при растяжении (примерно такой же, как у низкоуглеродистой стали, например, Ст.3).

Вместе с тем наличие в структуре свободного графита определяет ряд преимуществ чугуна перед сталью:

• лучшую обрабатываемость резанием; обеспечивается хорошее стружкоотделение - стружка при обработке чугуна сыпучая, а не сливная как у стали;

• более высокие антифрикционные свойствами благодаря смазывающему действию графита;

• наличие демпфирующих свойств, т.к. графитовые включения гасят вибрации;

Серые чугуны обозначаются буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм². Например, СЧ20 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 20 кгс/мм² (200 МПа).

Серые чугуны применяют для изготовления отливок станин, поршней цилиндров, зубчатых колес и др. Ферритные (СЧ10, СЧ15) и ферритно-перлитные (СЧ20, СЧ25), обладающие меньшей прочностью, - для менее нагруженных деталей; перлитные (СЧ30, СЧ35) — для более нагруженных.

Серый чугун с повышенным содержанием фосфора (до 1,6%), обладающий хорошей жидкотекучестью, используют при производстве художественного литья.

Высокопрочный чугун получают при модифицировании магнием или церием перед его заливкой в формы. Под воздействием магния графит приобретает шаровидную (глобулярную) форму. Шаровидная форма графита обеспечивает высокие механические свойства чугуна (прочность на растяжение и пластичность). Это объясняется тем, что шаровидный графит значительно меньше, чем пластинчатый, ослабляет металлическую основу. Маркируют чугуны буквами ВЧ — высокопрочный чугун и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм². Например, ВЧ60 — высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 60 кгс/мм² (600 МПа).

Наибольшую прочность имеют чугуны на перлитной основе (ВЧ80, ВЧ60), она снижается у чугунов с ферритно-перлитной основой (ВЧ50, ВЧ45) и минимальна у чугунов ферритной основой (ВЧ42, ВЧ38).

Высокопрочные чугуны эффективно заменяют сталь. Из них изготавливают валки прокатных станов, коленчатые валы автомобилей и др.

Ковкие чугуны получают из белых чугунов путем графитизирующего отжига.

Хлопьевидный графит ослабляет металлическую основу в меньшей степени, чем пластинчатый. Они, уступая высокопрочным чугунам в прочности, существенно превосходят по прочности серые чугуны, а по пластичности и серые и ковкие чугуны. Именно из-за своей высокой (для чугунов) пластичности они получили название – «ковкие». Однако, это название является условным. Пластичность ковких чугунов недостаточна для проведения пластической деформации. Ковкие чугуны не куют.

Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ — ковкий чугун и цифрами. Первые цифры это предел прочности при растяжении (кгс/мм²), вторые — относительное удлинение (%). Например: КЧ45-6 означает – ковкий чугун, с пределом прочности при растяжении (σ_в), равным 45 кгс/мм² (450 МПа) и относительным удлинением при испытаниях на растяжение (δ) равным 6%.

Из ковкого чугуна можно получить отливки только небольших размеров – толщиной не более 40…50 мм. Это связано с тем, что получение крупногабаритных отливок из белого чугуна невозможно (при их замедленном охлаждении будет происходить графитизация), а именно отжигом белого чугуна получают ковкий.

9.2.3. Термическая обработка чугуна.

Чугуны подвергают упрочняющей, стабилизирующей, а также графитизирующей обработке.

Упрочняющая обработка - возможна только для чугунов, в структуре которых присутствует цементит. Чугуны, так же как и стали, подвергают закалке и отпуску.

Закалка и отпуск чугуна. При закалке чугун нагревают до температуры 850…950°С для растворения цементита в аустените. Охлаждение осуществляют в воде или масле. В результате закалки получают мартенсит, троосто-мартенсит или троостит, помимо которых в структуре присутствует графит. Температуру отпуска (200…600°С) назначают в зависимости от требований к свойствам детали. Охлаждение после отпуска проводят на воздухе.

Объемная закалка выполняется для деталей небольших габаритов. Для упрочнения крупногабаритных деталей (например, направляющие станины станка) проводят поверхностную закалку.

Графитизирующая обработка - отжиг белого чугуна для получения ковкого, рассмотрена выше.

Стабилизирующая обработка выполняется для базовых деталей станков и машин (станины, корпуса и т.п.), определяющих точность станка, агрегата. Для этих деталей весьма важно сохранение формы и размеров во времени. Изменения размеров могут происходить из-за наличия остаточных напряжений, возникших в процессе получения отливки и (или) черновой механической обработки, выполняемой для отливок с большими припусками. В процессе эксплуатации эти напряжения релаксируют (снижаются), вызывая деформацию детали.

Достаточно широкое распространение для снятия (снижения) остаточных напряжений получил низкотемпературный отжиг (температура отжига ниже критической точки А₁). Его выполняют при 520…620°С, время выдержки зависит от массы и конструкции отливки и составляет от 1 до 8 ч.

Широко применяют старение естественное, искусственное.

Естественное старение заключается в длительном (от 3 мес. до…1,5…2 лет) вылеживании предварительно грубо механически обработанных отливок открытом воздухе или в не отапливаемом помещении. При вылеживании вследствие постоянного изменения температур (суточного, сезонного) в отливке возникают дополнительные напряжения, вызывающие микропластические деформации и наклеп. Естественное старение – самый универсальный и надежный метод стабилизации размеров и формы отливок, оно пригодно для деталей любой конфигурации и массы. Недостаток – длительность процесса.

Искусственное старение осуществляют при повышенных температурах; длительность - несколько часов. Отливки загружают в печь, нагретую до 100…200°С, нагревают до температуры 550…570°С со скоростью 30…60°С/ч, выдерживают 3…5 ч и охлаждают вместе с печью до 150…200°С, а затем на воздухе.