А – серого, б – высокопрочного, в – ковкого

(при большом увеличении показана объёмная форма отдельных графитных включений)

Недостаток - повышенная хрупкость, особенно при действии ударных нагрузок (пластины углерода при этом играют роль скрытых надрезов, по ним обычно проходит линия разрушения).

Промышленностью выпускается 9 марок серого чугуна (ГОСТ 1412-85), начиная с СЧ 10 и далее: СЧ 12, СЧ 15 и т.д. до СЧ 35. Цифры в маркировке означают предел прочности при изгибе в Н/м²(кгс/мм²).

Применяется серый чугун для изготовления методом литья изделий, испытывающих при работе небольшие статические нагрузки (детали запорной и регулирующей арматуры трубопроводов, корпуса насосов, редукторов, швейных машин, станины станков, радиаторы водяного отопления, трубы канализации и т.д.).

При введении в расплав чугуна модификаторов(магний, церий) графитные включения приобретают округлую, шаровидную форму (рис. 1.2,б). Чугун становится более прочным, лучше переносит ударные нагрузки. Такой чугун называетсявысокопрочным. Промышленность выпускает 8 марок высокопрочного чугуна от ВЧ 35 до ВЧ 100 (ГОСТ 7293-85). Буквы в маркировке означают"высокопрочный чугун", цифры – предел прочности при растяжении в Н/м²(кгс/мм²). Из высокопрочного чугуна изготавливают детали, испытывающие при работе динамические нагрузки (коленчатые валы двигателей большегрузных автомобилей и кораблей, корпуса насосов, станины высокоточных станков, прессов и др.).

В процессе длительного отжига(рис. 1.3) отливок из белого чугуна графитные включения получают ещё одну форму – хлопьевидную (рис. 1.2,в). Такой чугун называетсяковким(название условное:ковать нельзя!). В маркировке этих чугунов, например КЧ 33, буквы означают"ковкий чугун", цифровое обозначение аналогично высокопрочному чугуну. Из него изготавливают детали, работающие при больших статических и динамических нагрузках, например тройники, вентили, крестовины, корпуса запорной и регулирующей арматуры нефтяных, газовых и водопроводных сетей, крюки подъёмных кранов, гаечные ключи и др.

^оС

950-1000^оС

Ас₁

720-740^оС

20-25 ч 10-15 ч 6-12 25-30 ч Время, ч

Рис.1.3. График отжига белого чугуна для переработки

в ковкий чугун с феррито-перлитной структурой

Изменяя химический состав и технологию изготовления, можно изготовить отливки из жаростойкого чугуна(ГОСТ 7769-82) – 20 марок, от ЧХ 1 до ЧНХТ, имеющего достаточно высокие значения временного сопротивления на разрыв и изгиб, а также поверхностную твёрдость. Его применяют для изготовления корпусных элементов, загрузочных устройств, колосников промышленных печей и нагревательных устройств.

Важную роль в машиностроении играют антифрикционные чугуны(ГОСТ 1585-85) – три марки серого чугуна (АЧС 1… АЧС 3) и две марки высокопрочного чугуна (АЧВ 1, АЧВ 2). Из этого чугуна изготавливают детали тормозных устройств (диски, барабаны, башмаки, колодки и пр.) различных механизмов.

1.2. СТРОЕНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БЕЛЫХ И ГРАФИТНЫХ ЧУГУНОВ

Согласно диаграмме Fe-Fe₃C (см. рис.1.1), белые чугуны в зависимости от количества углерода и микроструктуры различаются наэвтектические,доэвтектическиеизаэвтектические.

Структура эвтектического состава (4,3% С) называется ледебурит, поэтому чугуны эвтектического состава называются ледебуритными. По составу ледебурит - это механическая смесь аустенита состава точкиЕ(см. рис 1.1) и цементита. Формирование эвтектики происходит при остывании расплава чугуна при температуре 1147^оС по реакции

Ж_САе + Ц (L). (1.1)

При дальнейшем охлаждении, вплоть до температуры эвтектоидного превращения (см. линия PSKна рис. 1.1), состав аустенита изменяется по линииSEс одновременным выделением цементита вторичного (Ц_II). При температуре 727^оС происходит эвтектоидное превращение аустенита состава точкиSв перлит (механическая смесь феррита точкиPи цементита) по реакции

А_P Ф_P + Ц . (1.2)

В процессе охлаждения до комнатной температуры состав перлита изменяется по линии PQс выделением цементита третичного (Ц_III). При комнатной температуре эвтектика (ледебурит) состоит из механической смеси феррита состава точкиQи цементита.

Структура эвтектического чугуна состоит из одного ледебурита (рис. 1.4).

Здесь и далее на рисунках с изображением структурслевапредставленафотографияфактической структуры,справа- еёсхематическое изображение, т.е. как её следует изображать в тетради (отчёте) при выполнении работы.

Л

Рис. 1.4. Микроструктура белого эвтектического чугуна:

Л - ледебурит

П

Л

Рис. 1.5. Микроструктура белого доэвтектического чугуна:

П – перлит, Л – ледебурит

При комнатной температуре структура доэвтектического чугуна состоит из ледебурита, перлита и цементита (вторичного и третичного).

В чугунах, охлаждённых со скоростями 10 град/мин, обычно можно выделить только две структурные составляющие: перлит в виде крупных тёмных зёрен и ледебурит - тёмные вкрапления перлита на светлой цементитной основе (рис.1.5).

Структура белого заэвтектического чугуна состоит из цементита первичного (крупные светлые длинные пластины) и ледебурита (рис. 1.6). Все структуры чугунов приведены при комнатной температуре.

Присутствие в белых чугунах цементита обусловливает его высокую твёрдость и хрупкость. Применение белых чугунов для изготовления деталей машин ограничено. В отдельных случаях белый доэвтектический чугун используют в качестве литейного материала для изготовления деталей, работающих на износ при наличии значительных сил трения (прокатные валки, тормозные колодки, размольные элементы мельниц, дробилок и т.п.). В ряде случаев отливки из белого чугуна подвергаются специальному графитизирующему отжигу (томлению), в процессе которого белый чугун превращается в ковкий (см. рис. 1.3).

Ц_I

Л

Рис. 1.6. Микроструктура белого заэвтектического чугуна:

Ц_I и ледебурит

Белый заэвтектический чугун относится к числу передельныхи используется при производстве стали.

В графитных чугунах, в отличие от белых, весь углерод или часть его находится в свободном состоянии. Непосредственно в процессе кристаллизации графит выделяется из жидкой фазы преимущественно в форме лепестков или пластин. Чугун с такой формой графита (рис. 1.7), называется серым. Для оценки формы, величины и содержания графитных включений используются шкалы, приведённые в ГОСТ 3443-57.

Г

Рис. 1.7. Серый чугун:

Г- графитные пластинки, тёмные на светлом фоне непротравленного шлифа

Форма и распределение графитных включений оказывают существенное влияние на механические свойства чугуна. С уменьшением размеров графитных включений, увеличением степени их округлости и изолированности друг от друга повышается прочность чугуна. Серый чугун характеризуется низкими значениями пластичности и ударной вязкости, так как пластинки графита играют роль скрытых надрезов металлической основы, приводящих к катастрофически быстрому развитию трещин, особенно при наличии ударного воздействия.

Характер металлической основы является вторым важнейшим фактором структурного происхождения, оказывающим существенное влияние на механические свойства графитных чугунов. Такие показатели, как твёрдость и предел прочности на сжатие, в основном зависят от структуры металлической основы, которая может быть ферритной,перлито-ферритнойиперлитной(рис. 1.8). Перлитный чугун обычно имеет большую прочность и меньшую пластичность в сравнении с ферритным.

Характер металлической основы чугунов обычно изучают после травления микрошлифов общепринятыми реактивами (3-4%-ный раствор HNO₃в спирте).

аФГ

П

б

Ф

Г

Г

в

П

Рис. 1.8. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а), перлито-ферритной (б)

и перлитной (в) основе

В чугунах с повышенным содержанием фосфора, специально вводимого для повышения литейных свойств, кроме известных структурных составляющих можно также наблюдать присутствие фосфидной эвтектики (см. рис. 1.9), которая в момент затвердевания состоит из аустенита, обогащённого фосфором, цементита и фосфида железа Fe₃P. Наличие фосфидной эвтектики (рис. 1.9) повышает твёрдость и износостойкость чугуна. Количественная оценка микроструктуры металлической основы проводится по эталонным шкалам ГОСТ 3443-57: количество перлита - по десятибалльной шкале, а степень дисперсности перлита, количество свободного цементита и фосфидной сетки - по пятибалльной шкале.

фосфидная эвтектика

П

Г

Рис. 1.9. Микроструктура серого чугуна на перлитной основе