Чугун и его виды

Чугун

Чугун отличается от стали по составу более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам — лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали.

Чугуны классифицируют по следующим показателям:

  • состоянию углерода:

—  белый чугун — весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида;

—  серый чугун — углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого или волокнистого (завихренного) графита;

—  высокопрочный чугун — углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита;

—  ковкий чугун — получают в результате отжига отливок из белого чугуна. Весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерода отжига);

  • структуре:

—  ферритный;

—  ферритно-перлитный;

—   перлитный;

  • химическому составу:

—   нелегированный;

—  легированный — специального назначения.

Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений (рис. 1), а между собой чугуны различаются по форме этих включений.

klassifikaciya_chugunov

Рис. 1. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитовых включений: а — феррит; б — феррит и перлит; в — перлит; / — пластинчатая; 2— завихренная; 3 — хлопьевидная; 4— шаровидная.

Механические свойства чугунов зависят от структуры и в основном от формы, количества, размеров и характера распределений графитовых включений. Графитовые включения определяют технологические и эксплуатационные свойства чугунов. Наличие графитовых включений облегчает обработку деталей из чугуна резанием вследствие ломкой стружки. Графит повышает износостойкость и придает хорошие антифрикционные свойства чугуну путем собственного «смазывающего» действия. Чугун обладает низкой чувствительностью к различным поверхностным дефектам, надрезам, проточкам и т. п., так как графитовые включения сами являются концентраторами напряжений, и добавление к ним еще нескольких не оказывает существенного влияния на общую прочность материала. В отличие от металлической основы графит плохо передает упругие колебания, поэтому чугун обладает высокой демпфирующей способностью, что позволяет гасить вибрацию и резонансные колебания.

Твердость чугунов мало зависит от формы графитовых включений и определяется структурой металлической основы. У ферритных чугунов твердость составляет ~150 НВ, у феррито-перлитных ~200 НВ; перлитных ~250 НВ.

 

Примеси в чугуне

Обычный промышленный чугун содержит те же примеси, что и углеродистая сталь, т. е. марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве. Эти примеси существенно влияют на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Кремнии особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах: от 0,3—0,5 до 3—5 %. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре — от малокремнистого белого до высококремнистого ферритного (серого с пластинчатым или высокопрочного с шаровидным графитом).

Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации, или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна.

Сера также способствует отбеливанию чугуна, но одновременно ухудшает его литейные свойства (в частности, снижает жидкотекучесть). Поэтому содержание серы в чугуне лимитируется: верхний предел для мелкого литья — 0,08 %; для более крупного (когда можно допустить несколько худшую жидкотекучесть) — до 0,1—0,12% S.

Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. Однако фосфор — полезная примесь в чугуне, так как он улучшает жидкотекучесть.

 

Белый чугун

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны в зависимости от содержания углерода могут быть доэвтектическими (перлит + ледебурит), эвтектическими (ледебурит) и заэвтектиче-скими (первичный цементит + ледебурит). Эти чугуны отличаются большой твердостью (450—550 НВ) из-за присутствия в них большого количества цементита. Поэтому они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для последующего изготовления ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига. В дальнейшем он применяется для изготовления деталей повышенной усталостной прочности: коленчатых и распределительных валов, седел клапанов, зубчатых колес масляного насоса, суппортов дискового тормозного механизма и др.

Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12—30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевину — со структурой серого чугуна. Высокая твердость поверхности такой отливки повышает ее стойкость к истиранию. Поэтому отбеленный чугун применяют для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, тормозных колодок и многих других деталей, работающих в условиях повышенного изнашивания.

 

Серый чугун

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Структура чугуна состоит из металлической основы и графита (в форме пластин), и свойства его зависят от этих двух составляющих.

Графит по сравнению со статью имеет низкие механические свойства, поэтому в некотором приближении можно считать, что места, которые он занимает, — это пустоты и трещины. С увеличением числа пустот механические свойства чугуна резко ухудшаются. При растягивающих напряжениях легко образуются центры разрушения на концах графитных включений. Значительно лучше ведет себя чугун при сжатии и изгибах.

Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими железо, углерод, кремний, марганец и примеси, такие, как сера и фосфор. Последний частично растворяется в феррите (~0,3 %) и, кроме того, входит в тройную эвтектику (Fe—С—Р) с температурой плавления 950 °С. Это существенно улучшает литейные свойства чугуна.

Сера — вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугунов и повышает склонность к образованию в них трещин.

Кремний входит в состав серых чугунов (1—3 %) как основной химический элемент и увеличивает выделение графита при затвердевании и разложении выделившегося цементита.

Марганец (0,2—1,1 %) положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию. Таким образом, можно сказать, что степень графитизации напрямую зависит от количества углерода (2,2—3,7 %) и кремния (1—3 %) в чугуне.

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть из руды хром, никель и медь, которые тоже влияют на условие графитизации. Количество графитных включений и структура основы влияют на свойства серого чугуна.

По структуре металлической основы серые чугуны делят на три группы:

1) серый перлитный со структурой перлит + графит (количество связанного углерода составляет ~0,8 %.);

2) серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит + графит (количество связанного углерода меньше 0,8);

3) серый ферритный со структурой феррит + графит (весь углерод в виде графита).

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и ее количества, формы и размеров графитных включений (пустот).

 

Маркировка серого чугуна

По ГОСТ 1412—85 в обозначение чугуна входит сочетание букв и цифр, например СЧ15. СЧ обозначает серый чугун, цифры показывают значение временного сопротивления при растяжении. Стандарт предусматривает следующие марки чугуна: СЧ10; СЧ15; СЧ18; СЧ20; СЧ21; СЧ24; СЧ25; СЧ30; СЧ35; СЧ40; СЧ45.

Значения показателей некоторых серых чугунов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Механические показатели некоторых серых чугунов

2_pokazateli_chugunov_tabl

Наличие графита способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна.

Ферритные серые чугуны марок СЧ10 и СЧ15 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, суппортов, тормозных барабанов, ведущих дисков сцепления и т. д.

Ферритно-перлитные серые чугуны марок СЧ20 и СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоков цилиндров двигателя, поршней цилиндров, барабанов сцепления, станин станков и др.

Перлитный чугун применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны. Такие чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок — ферросилиция (0,3—0,6 % от массы шихты) или силикокальция (0,3—0,5 % от массы шихты). К таким чугунам относят чугуны марок СЧ40 и СЧ45, которые обладают более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений. Эти чугуны применяют для изготовления корпусов насосов, компрессоров и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны, которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.

 

Ковкий чугун

Ковким чугун называется потому, что его можно подвергать обработке давлением, хотя чугуны не куют, а детали из чугуна получают лишь методом литья в связи с тем, что ковкий чугун имеет более высокую пластичность по сравнению с серым.

Ковкий чугун получают путем графитизируюшего отжига отливок из белого доэвтектического чугуна. В составе ковкого чугуна не должно быть большого количества марганца, так как он при отжиге препятствует процессу графитизации, а также большого количества углерода и кремния, что приводит к затруднению получения отливок из белого чугуна, потому что при кристаллизации графит начинает выделяться в виде пластинок. Поэтому химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий чугун, имеет ограничения по содержанию: 2,5—3,0 % С; 0,7—1,5 % Si; 0,3-1,0% Mn; менее 0,12 % S; менее 0,18% Р.

Толщина сечения отливки не должна превышать 40—50 мм, так как при большей толщине в сердцевине образуется пластинчатый графит, что делает чугун непригодным для отжига.

Отжиг проводится в две стадии. На первой стадии отливки из белого чугуна медленно нагревают до температуры 930—1050 °С и выдерживают в течение 15 ч при этой температуре. При этом происходит распад цементита, входящего в высокотемпературный ледебурит, и из выделившегося углерода образуется хлопьевидный графит.

На второй стадии отливки охлаждают до температуры 700—760 °С, соответствующей эвтектоидному превращению, и выдерживают при этой температуре до 30 ч, либо очень медленно охлаждают. При этом происходит распад цементита, входящего в перлит. После окончания второй стадии структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного графита. Такой чугун называют ферритным ковким чугуном.

Если охлаждение было недостаточно медленным в районе температур, соответствующих эвтектоидному превращению, или недостаточной была выдержка на второй стадии графитизации, то распад цементита, входящего в перлит, произойдет не полностью. При этом структура чугуна будет состоять из феррита, перлита и хлопьевидного графита. Такой чугун называют феррито-перлитным ковким чугуном.

Если охлаждение в интервале температур было ускоренным, то распада цементита, входящего в перлит, не произойдет. При этом структура чугуна будет состоять из перлита и хлопьевидного графита. Такой чугун называется перлитным ковким чугуном.

Маркировка. Ковкий чугун согласно ГОСТ 1215—79 маркируется буквами «КЧ» и двумя числами: первое указывает временное сопротивление при растяжении; второе — относительное удлинение (в %).

Значения механических показателей некоторых ковких чугунов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Механические показатели некоторых ковких чугунов

3_pokazateli_chugunov_tabl

 

Высокопрочный чугун

Высокопрочным называют чугун с шаровидной формой графита, получаемой в процессе кристаллизации отливки. Такая форма графитовых включений имеет меньшую поверхность по сравнению с пластинчатой и хлопьевидной при одинаковом объеме, уменьшает концентрацию напряжений.

Шаровидную форму графита получают введением в жидкий чугун магния, или магния с никелем, или ферросилиция.

Под действием модификаторов графит в процессе кристаллизации принимает шаровидную форму. Чугуны с шаровидной формой графита имеют более высокие механические свойства по сравнению с другими чугунами. Высокопрочные чугуны близки по свойствам к литой углеродистой стали, но ооладают лучшими литейными свойствами, хорошо обрабатываются резанием, сохраняют высокую износостойкость. Для повышения пластичности и вязкости отливки из высокопрочного чугуна подвергают термической обработке: отжигу, нормализации, закачке и отпуску. Одновременно с повышением пластичности при термической обработке снижаются остаточные напряжения в отливках, что повышает их работоспособность.

Маркировка. Высокопрочный чугун согласно ГОСТ 7293—85 обозначается аналогично ковким чугунам: буквами «ВЧ» и числами: первое указывает величину временного сопротивления, второе — относительное удлинение (в %).

Стандарт предусматривает следующие марки чугунов: ВЧ35-22; ВЧ40-15; ВЧ45-10; ВЧ50-7; ВЧ60-3; ВЧ70-2; ВЧ80-2; ВЧ 100-2. Химический состав высокопрочного чугуна: 3,2-3,6 % С; 1,6-2,9 % Si; 0,3-0,7 % Mn; не более 0,02 % S; не более 0,1 % Р. Высокопрочные чугуны на ферритной основе (ВЧ35-22, ВЧ40-15, ВЧ45-10) имеют δ от 22 до 10%, 140-225 НВ; на перлитной основе (ВЧ50-7, ВЧ60-3, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ100-2)- δ от 7 до 2%, 153-360 НВ.

Высокая прочность и пластичность высокопрочных чугунов позволяют использовать их для изготовления коленчатых валов автомобильных дизелей и других деталей, работающих в узлах трения при повышенных нагрузках.

Антифрикционные чугуны

Антифрикционные чугуны — специальные серые и высокопрочные чугуны с повышенными антифрикционными свойствами. Эти чугуны обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Отливки из антифрикционного чугуна (ГОСТ 1585—85) применяют для изготовления деталей, работающих в подшипниковых узлах трения.

Маркировка. Существуют следующие марки антифрикционного чугуна: АЧС1; АЧС2; АЧСЗ; АЧС1; АЧВ2; АЧК1; АЧК2. Буквы «АЧС» обозначают антифрикционный серый чугун; «АЧВ» — антифрикционный высокопрочный чугун; «АЧК» — антифрикционный ковкий чугун.

Антифрикционные серые чугуны — перлитные чугуны АЧС-1 и АЧС-2 и перлитно-ферритный чугун АЧС-3 — обладают низким коэффициентом трения, зависящим от соотношения феррита и перлита в основе, а также от количества и формы графита. В перлитных чугунах высокая износостойкость обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфорной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Антифрикционные серые чугуны используют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготовляют из чугунов марок АЧС-1 и АЧС-2, а для работы в паре с термически необработанными валами применяют чугун АЧС-3.

Антифрикционные высокопрочные (с шаровидным графитом) чугуны изготовляют с перлитной структурой — АЧВ-1 и ферритно-перлитной (50 % перлита) — АЧВ-2. Чугун АЧВ-1 используют для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленным или нормализованным валом.

Главное достоинство антифрикционных чугунов по сравнению с антифрикционными бронзами — низкая стоимость, а основной недостаток — плохая прирабатываемость, что требует точного сопряжения трущихся поверхностей.