Чугуны серые, ковки и легированные.

Как указывалось в предыдущей теме, чугун представляет собой многокомпонентный железный сплав с массовой долей углерода более 2% (обычно 3-4.5%). Кроме Fe и С обычно в состав чугуна входят Si, Mn, P и S. Чугун благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне является наиболее распространенным материалом, применяемым для изготовления отливок.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов не всегда характеризует реально существующие структуры сплава. Особенно заметно это проявляется в отношении структуры чугуна, т.к. химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C) не является вполне устойчивым, особенно когда он в сплаве имеется в достаточном количестве. Распад цементита с выделением свободного углерода – графита и железа способствует замедленно затвердевание чугуна и присутствие в чугуне повышенного содержания кремния. Исходя из этих обстоятельств все чугуны по свой первичной кристаллизации могут быть разделены на серые, в которых имеется повышенное содержание углерода и кремния и образуется структура с включением графита и на белые, характеризующиеся пониженным содержанием углерода и особенно Si, а так же структурой без включения графита. Белые чугуны отличаются так же высоко твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатываются резанием.

Обычный серый чугун имеет высокие прочностные и пластические свойства. Причиной этому является графит – мягкое, непрочное вещество. Его включения в структуре чугуна как бы разъединяют металлическую основу сплава и понижают механические свойства. Особенно они понижают тогда, когда графит имеет форму крупных пластин (крупнопластинчатый графит). Более благоприятными будут мелкие, искривленные включения графита и особенно шаровидные, получаемые в высокопрочном чугуне.

Значительно более высокие механические свойства имеют модифицированный и высокопрочный чугуны, а так же кованный чугун.

Серый чугун (ГОСТ 1412-85) подразделяют в зависимости от показателей механической прочности на 8 марок. В обозначениях этих марок буквы СЧ обозначают серый чугун, число показывает наименьшее допустимое значение предела прочности при растяжении кг/мм².

Структура и свойства серого чугуна определяются процессом графитизации, от которого зависят не только количество и характер графитовых включений, но и в значительной степени структура матрицы. Сравнительная интенсивность влияния элементов на графитизацию характеризуется следующим их расположением:

Si, Al, C, Ti, Ni, Cu, P, Zr[Nb] W, Mn, Gr, V, S, Mg, Ce, Te, B.

Слева от Nb – графитизурующие элементы, способствующие образованию графита и феррита, справа – карбидизирующие элементы (антиграфитизаторы), способствующие образованию карбидов, перлитизации структуры матрицы.

Структуру и свойства чугуна можно прогнозировать с помощью структурных диаграмм или расчетных формул. В зависимости от количества связанного углерода металлиеская основа в серых чугунах может быть ферритно-перлитной, перлитной, перлитно-цементитной и ферритной.

Высокопрочный чугун отличается от серого чугуна тем, что включения графита в нем имеют не пластинчатую, а шаровидную форму, в результате чего прочностные и пластические свойства чугуна значительно улучшаются. ГОСТ 7293-85 установлены 9 марок чугуна с шаровидным графитом.

В маркировке высокопрочного чугуна ВЧ являются начальными буквами его названия, первое число указывает наименьшее значение предела прочности при растяжении (кгс/м²), а второе число – наименьшее относительное удлинение (%). Чугун с шаровидным графитом сочетает в себе свойства чугуна и свойства стали. Такой чугун, обладая довольно значительной пластичностью, наряду с высокой прочностью, дает возможность изготовлять из него весьма ответственные детали, ранее изготовлявшиеся из стальных поковок и отливок, например коленчатые валы судовых двигателей, шатуны, поршни и другие части деталей, шестерни, корпуса клапанов. Детали из ВЧ чугуна могут работать в условиях трения, так как этот чугун обладает повышенной износостойкостью. Кроме того высокопрочный чугун лучше сохраняет свою прочность при нагреве, чем серый чугун, и может применяться для работы при t >= 400 градусов Цельсия, в то время, как для серого чугуна наибольшая температура – 250 градусов Цельсия. В чугунах с вертикулярным графитом структуре формируется под действием комплексного модификатора, содержащего магний и редкоземельные металлы.

Графит приобретает шаровидную (до 40 %) и верликулярную в виде скомпонованных мелких тонких прожилок форму.

Чугуны с вермикулярным графитом производят 4 марок: ЧВГ30, ЧВГ35, ЧВГ40, ЧВГ45 по ГОСТ 2894 – 89. Число обозначает предел прочности чугуна при растяжении (кгс/см²). По механическим свойствам чугун ЧВГ занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами.

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму и называется так потому, что он пластичен и детали из такого чугуна могут быть согнуты и сплющены в холодном состоянии.

Отливки из ковкого чугуна получают путем заливки в формы белого чугуна, имеющего после затвердевания структуру перлита и цементита. В зависимости от структуры различают чугунно-сердечный ферритный и бело-сердечный перлитный ковкий чугун. Ковкие чугуны получат обжигом белых доэвтектических чугунов. По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит в отличие от пластинчатого меньше снижает механические свойства металлической основы, вследствие чего ковкие чугуны по сравнению с серым обладают более высокими пределами прочности и пластичности. Черно-сердечный чугун получается в результате 2х стадийного длительного отжига отливок из белого чугуна, причем во время первой стадии графитизации при t = 930 – 970 градусов Цельсия происходит разложение структурно – свободного цементита, а во время второй стадии в интервале температур 700 – 740 градусов Цельсия разложения цементита, входящего в состав перлита. В результате весь цементит разлагается на железо (феррит) и хлопьевидного включения графита.

При этом чугун приобретает хорошие пластические свойства, а его излом становиться черным от обильного выделения в нем графита.

Бело-сердечный чугун получается после отжига при температуре 950 – 1050 градусов Цельсия в окислительной среде, в результате чего окисляется углерод чугуна, образуя почти чистую ферритную структура. Вторая стадия графитизации проводится со сравнительно большой скоростью, при которой цементит перлита не успевает разложиться. Такой чугун обладает большой прочностью, но меньшей пластичностью, чем ферритный, кроме того его структура весьма неравномерна.

Механические свойства (ГОСТ 26358 - 84) и структурный состав чугунов по данными ГОСТу и стандарт не предусматривает испытания ковкого чугуна на удар, хотя ударная вязкость КЧ довольно значительна. Ковкие чугуны обозначают буквами КЧ и последующими цифрами, первая из которых характеризует прочность при растяжении в МПа 10^-1, а вторая пластичность (%). Например, КЧ 30 – 6 (предел прочности – 300 МПа, относительное удлинение – 6 %).

Исходный белый чугун обычно имеет следующий состав (массовые доли):

C = 2,4 – 2,9 %

Si = 0,8 – 1,4 %

Mn = 0,3 – 0,5 %

S = до 0,12 %

Р = до 0,2 %

и другие примеси.

В литейном производстве некоторое распространение имеют так же легированные чугуны.

Низколегированные чугуны обычно содержат хром и никель и изредка медь, ванадий, молибден и другие элементы, такие чугуны применяются для изготовления литых ответственных деталей, от которых требуется повышенные прочностные свойства. Для их выплавки применяются природнолегированный чушковые чугуны.

Высоколегированные чугуны применяются для особых целей. Немагнитный чугун содержит:

Mn=5-12%, Ni= 4,5-12%, а химическистойкий: Si= 2-6%, Al= 6-9%.

Жаростойкий чугун имеет в своем составе хром и кремний, а иногда алюминий, он применяется для отливок, работающих в условиях высокой температуры (600⁰-1000⁰С в зависимости от состава чугуна). Следует иметь в виду, что легированные чугуны уступают по своим свойствам легированным сталям (главным образом пластически) и поэтому применяются для работы в более легких условиях.

Жаростойкость оценивается по двум показателям: окалиностойкости и ростоустойчивости. Сопротивление окалинообразованию оценивается по изменению массы деталей. В результате окисления жаростойкие чугуны должны увеличивать массу не более чем на 0,5 г/(м²ч).

Ростоустойчивость характеризует способность деталей из чугуна сохранять свои размеры при повышенных температурах. Причинами роста чугунов могут быть: графитизация, окисление, порообразование.

Последнее заключается в том, что при растворении графита образуются полости, которые затем лишь частично заращиваются матрицей или вновь заполняется графитом. ГОСТ у769 – 82 допускает рост не более 0,2% при температуре эксплуатации в течении 150 часов.

При выборе чугуна необходимо учитывать экономические оправданный уровень долговечности литых деталей.