10. Чугун

Чугун отличается от сталей - более высоким содержанием углерода, по технологическим свойства - лучшими литейными качествами, но меньшей способностью к пластической деформации. В обычных условиях не поддается ковке. Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и углеродных включений.

В зависимости от состояния углерода чугун подразделяют на белый и серый. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбидов (цементита). В сером чугуне углерод находится частично или полностью в свободном состоянии в различных формах графита (веретенообразного, пластинчатого, хлопьевидного или шаровидного). Белый чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью и не поддается обработке режущим инструментом.

По строению металлической основы чугун разделяют на:

- перлитный чугун, структура которого состоит из перлита с включениями графита (рис. 15а). Перлит содержит до 0,8% С, следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне находится в связанном состоянии (т.е. в виде Fe₃C), остальное находится в форме графита;

- феррито-перлитный чугун (рис. 15б), структура которого состоит из феррита, перлита и включений веретенообразного графита;

- ферритный чугун, металлической основой которого является феррит, а весь, не вошедший в состав основы, углерод присутствует в форме графита различных морфологий.

Рис. 15. Микроструктура чугуна

а – перлитного, б – феррито-перлитного, в - ферритного

Таким образом, по структуре серые чугуны отличаются от сталей наличием в структуре графитных включений.

Свойства чугунов зависят как от свойств металлической основы, так и от характера графитных включений

Обычный промышленный чугун содержит те же примеси, что и углеродистая сталь: марганец, кремний, серу и фосфор. Эти примеси существенно влияют на структуру и свойства чугуна.

Кремний усиливает графитизацию. Его содержание колеблется в пределах 0,3-5,0% . Изменяя содержание кремния можно получить чугуны, различные по свойствам и структуре - от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).

Марганец препятствует графитизации, т.е. способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает литейные свойства. Содержание серы в чугуне ограничивается: верхний предел для мелкого литья 0,08%, для более крупного, когда допускается несколько худшая жидкотекучесть до 0,1-0,12%.

Фосфор практически не влияет на процесс графитизации и улучшает жидкотекучесть, по этому в чугунах это полезная примесь.

Кроме этих примесей в чугун вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными. Если примеси содержались в рудах, из которых выплавлялся чугун, то такие чугуны называют природнолегированными. Наиболее часто чугун легируется хромом никелем, медью, алюминием, титаном. Влияние добавок в основном направлено на графитизацию чугуна. Таким образом, хром препятствует, а все остальные элементы способствуют графитизации.

Серый и высокопрочный чугун разделяют на марки в зависимости от механических свойств. Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, показывающими минимальное значение предела прочности чугуна на растяжение (предел прочности при растяжении выражен внесистемными единицами кгс/мм²).

Таблица 4. Механические свойства серых чугунов (ГОСТ 1412-79)

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении,в, МПа, (кгс/мм2)	Предел прочности при изгибе, т, МПа	Твердость, НВ
СЧ25 СЧ30 СЧ35 СЧ40 СЧ45	245 (25) 294 (30) 342 (35) 390 (40) 440 (45)	450 490 490 585 635	180-250 180-522 197-269 207-285 229-289

Высокопрочный чугун (ВЧ) также подразделяют на отдельные марки в зависимости от механических свойств, причем основными показателями являются предел прочности при растяжении и относительное удлинение. Цифры после марки показывают значение этих свойств (предел прочности при растяжении выражен внесистемными единицами кгс/мм²).

Таблица 5. Механические свойства высокопрочных чугунов (ГОСТ 7293-79)

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, в, МПа, (кгс/мм2)	Предел прочности при изгибе, т, МПа	Относительное удлинение, , %	Твердость, НВ
ВЧ45-5 ВЧ50-2 ВЧ60-2 ВЧ70-2	441 (45) 490 (50) 588 (60) 686 (70)	323 343 393 441	5 2 2 2	160-220 180-250 200-280 229-300

Кроме серых и высокопрочных чугунов применяются, так называемые, ковкие чугуны. Назван он так потому, что имеет большую пластичность по сравнению с серыми чугунами и не следует полагать, что ковкий чугун действительно поддается пластической деформации. Ковкий чугун получают из белого путем проведения дополнительной термической обработки, заключающейся в нагреве до температур при которых графит переходит в хлопьевидную форму, выдержки и медленного охлаждения. Такой режим называется графитизирующим отжигом. Состав ковкого чугуна ограничивается сравнительно узкими пределами: 2,4-2,8% С; 0,8-1,4% Si; менее 1% Mn; менее 0,1 % S; менее 0,2% Р. Ковкий чугун маркируется буквами КЧ, цифры после марки показывают предел прочности при растяжении, выраженный внесистемными единицами (кгс/мм²), и относительное удлинение. Свойства ковких чугунов приведены в таблице 6.

Таблица 7. Механические свойства ковких чугунов

Марка чугуна	Предел прочности при растяжении, в, МПа, (кгс/мм2)	Относительное удлинение, , %	Твердость, НВ
КЧ30-6 КЧ33-8 КЧ35-10 КЧ37-12 КЧ45-6 КЧ50-4 КЧ56-4 КЧ60-3 КЧ63-2	294 (30) 322 (33) 342 (35) 360 (37) 440-(45) 490 (50) 548 (56) 585 (60) 615 (63)	6 8 10 12 6 4 4 3 2	163 149 149 149 241 241 269 269 269