Тема 9. Чугун.

9.0. Введение

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % С, В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, различают белый, серый и ковкий чугуны.

11.1. Белый и серый чугуны

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоя-нии в виде цементита, благодаря чему они имеют светло-кристаллический излом (рис. 50 а).

Диаграмма Fe – Si – C ( 2 % Si) отражает фазовые превращения, протекающие в этих чугунах при нагреве и охлаждении (рис. 48).

Кристаллизация доэвтектических белых чугунов начинается с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита, заэвтектических - с выделением первичного цементита. При температуре 11470С (линия EF) белые чугуны претерпевают эвтектическое превращение. Оно заключается в образовании из жидкого раствора, содержащего 4,3 % С (точка С), эвтектической смеси, состоящей из кристаллов аустенита с концентрацией углерода 2,14% (точка Е) и кристаллов цементита, содержащих 6,67%С (точка F)

ЖС  ледебурит ( АЕ + ЦF )

При дальнейшем понижении температуры, как показывает линия ES, уменьшается растворимость в аустените углерода, в результате чего последний выделяется в виде вто-ричного цементита.

Это выделение идет как из структурного свободного аустенита, так и из аустенита, входящего в состав эвтектики. Цементит, выделяющийся из структурно свободного аустени-та (доэвтектический чугун), образует самостоятельную структурную составляющую; цемен-тит же, выделяющийся из аустенита ледебурита, наслаивается на уже имеющийся в ледебу-рите частицы цементита и структурно не обнаруживается.

При температуре 7270С аустенит, концентрация которого становится равной 0,8 % С, претерпевает, как и в углеродистых сталях, эвтектоидное превращение, т.е. распадается с образованием эвтектоидной смеси - перлита.

Аустенит, входящий в ледебурит, также превращается в перлит, поэтому ледебурит при температурах выше 7270С представляет собой смесь аустенита с цементитом, а ниже этой температуры - перлит с цементитом.

Таким образом, структура доэвтектического белого чугуна при комнатной температу-ре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита Ледебурит под микроскопом на-блюдается в виде светлых цементитных полей с равномерно расположенными на них тем-ными перлитными участками. Перлит образует темные зерна; вторичный же цементит час-тично имеет вид светлых выделений по границам перлитных зерен, а частично сливаются с цементитом ледебурита.

Эвтектический белый чугун имеет в своей структуре один ледебурит. Структура за-эвтектического белого чугуна состоит из ледебурита и крупных плоских кристаллов первич-ного цементита, выделившихся из жидкого раствора. Вследствие большого количества в белых чугунах цементита они очень тверды и хрупки и для изготовления деталей машин практически не используются.

Находит применение так называемый отбеленный чугун с тонким слоем белого чугу-на на поверхности. Такой чугун обладает высокой поверхностной твердостью и износостой-костью; используется для изготовления трущихся изделий (прокатных валков, лемехов плу-гов, шаров мельниц и т.п.).

Серыми называется чугун, не содержащие ледебурита, в них весь углерод (или часть его) присутствует в свободном равновесном состоянии ( в виде графита). Благодаря графиту излом чугуна принимает серый цвет. Графит в сером чугуне имеет пластинчатую форму. Являясь неметаллической составляющей, он хорошо виден на полированной поверхности, поэтому оценка отливок серого чугуна по графитовым включениям производится в образцах,

не подвергающих травлению.

Большое влияние на процесс графитизации оказывает также химический состав чугу-на. Элементами, способствующими графитизации, являются C, Si, Ni, Cu и др. К отбели-вающим, т.е. препятствующим этому процессу, относятся Mn, S, Cr, W и др.

Практически наиболее важными элементами, всегда входящими в состав чугунов, являются кремний и марганец. Изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном содержании марганца, получают различное количество углерода в свободном виде, т.е. различную степень графитизации (рис. 49 а).

Фактором, обуславливающим получение серого чугуна при кристаллизации, т.е. спо-собствующим графитизации - выделению углерода в равновесном состоянии, является пре-жде всего малая скорость охлаждения. Уменьшение по той или иной причине скорости ох-лаждения (изменение материала формы, увеличение толщины стенки отливки) способствует большей степени графитизации, т.е. выделение большей части углерода в форме графита (рис. 49 б).

Степень графитизации определяет структуру металлической основы серого чугуна. В зависимости от того, какая часть углерода содержится в чугуне в связанном состоянии, раз-личают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основами.

Следовательно, серый чугун может иметь структуру (рис. 50 б - г):

1. феррит + графит; углерода в связанном состоянии практически нет, он весь выделяется в виде графита;

2. феррит + перлит + графит; структура основы аналогична структуре доэвтектоидной стали, следовательно, в таком чугуне количество связанного углерода отвечает доэвтектоидной концентрации;

3. перлит + графит; количество связанного углерода соответствует эвтектоидной концен-трации;

Влияние скорости охлаждения и содержание углерода и кремния на степень графи-тизации чугунов иллюстрируется структурными диаграммами. Основным структурным фактором, влияющим на механические свойства серого чугуна, является характер графито-вых включений.

Графит обладает ничтожно низкими механическими свойствами и располагаясь в виде пластин в металлической основе, разобщает ее, подобно пустотам, оказывает сильное ослабляющее действие на металл. Графитовые пластины являются концентраторами напряжений, по их концам при растяжении образуются очаги разрушения.

Серый чугун характеризуется низким сопротивлением отрыву, почти полным отсут-ствием относительного удлинения (до 0,5%), весьма низкой ударной вязкостью. Поэтому чем мельче графитовые пластины и чем больше они изолированы друг от друга, тем выше прочностные свойства чугунов при одной и той же металлической основе. Такая более благоприятная структура получается модифицированием, т.е. введением в жидкий сплав небольших количеств веществ, называемых модификаторами (ферросилиций, силикокаль-ций).

В структуре чугунов встречается также структурная составляющая, называемая фос-фидной эвтектикой. Она образуется вследствие присутствия в чугуне фосфора. Фосфидная эвтектика улучшает жидко текучесть чугуна; будучи очень твердой составляющей, она так же повышает его твердость и износостойкость. Однако при значительном количестве в структуре чугуна фосфидной эвтектики увеличивается его хрупкость и затрудняется обра-ботка резанием.

Серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материа-лов, так как он характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механиче-скими свойствами, хорошей обрабатываемостью, высокой износостойкостью, нечувстви-тельностью к концентраторам напряжений и одновременно низкой стоимостью.

Маркировка этих чугунов осуществляется по следующему принципу. Серые чугуны (в числе модифицированные) - пишутся две буквы СЧ и затем указывается предел прочности при растяжении и изгибе (например, СЧ 18-36, здесь 18 -В кгс/мм2, 36 - ИЗГ кгс/мм2 ).

Ферритные и ферритно-перлитные чугуны (СЧ10, СЧ15, СЧ18) имеют временное со-противление 100 - 180 МПа (10-18 кгс/мм2), предел прочности при изгибе 280 - 320 МПа (28 - 32 кгс/мм2)

Таблица 3

Состав ферритных и ферритно-перлитных чугунов

C Si Mn S P

3,5 - 3,7 % 2,0 - 2,6 % 0,5 - 0,8 % < 0,15 % < 0,3 %

Структура чугунов - перлит, феррит и графит чаще в виде крупных выделений. Эти чугуны применяют для малоответственных деталей.

Перлитные чугуны. ( СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35) применяют для ответственных оливок.

Таблица 4

Состав перлитных чугунов

C Si Mn S P

3,2 - 3,4 % 1,4 - 2,2 % 0,7 - 1,0 % < 0,15 % < 0,2 %

Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей , работающих при трении на металл, чаще в присутствии смазочно-го материала. Низкий коэффициент трения.

Таблица 5

Состав АЧС-1

C Si Mn P S Cr Cu

3,2 - 3,6 % 1,3 - 2,0 % 0,6 - 1,2 % 0,15 - 0,4 % < 0,12 % 0,2 - 0,5 % 1,5 - 2,0 %

Таблица 6

Состав АЧС-2

C Si Mn P S Cr Ni

3,2 - 3,8 % 1,4 - 2,2 % 0,3 - 1,0 % 0,15 - 0,4 % < 0,12 % 0,2 - 0,5 % 0,2 - 0,5 %

Ti Cu

0,03 - 0,1% 0,2 - 0,5 %

Таблица 7

Состав АЧС-3

C Si Mn P Cu Ti S

3,2 - 3,8 % 1,7 - 2,6 % 0,3 - 0,7 % 0,15 - 0,4 % 0,2 - 0,5 % 0,03 - 0,1% < 0,12 %

9.2. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом

Высокопрочными называют чугун с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации.

Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, зна-чительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений. Такой высокопрочный чугун с шаровидной, или глобулярной, формой графита получается при введении в жидкий металл магния (0,03 - 0,07%) или введением магниевых лигатур с никелем или ферросилицием.

Чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) имеют более высокие механические свойст-ва, не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литей-ные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износо-стойкость.

Таблица 8

Состав высокопрочных чугунов

C Si Mn S P

3,2 - 3,6 % 1,6 - 2,9 % 0,3 - 0,7 % < 0,02 % 0,1 %

Маркировка высокопрочных чугунов. По ГОСТу высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ, затем следую цифра, которая показывает минимальное значение временного сопротивления ( в 10-1 МПа (кгс/мм2)),

Перлитная основа: ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100.

 = 370 -700 МПа,  = 7 - 2 % 153 -360 

Вязкость разрушения перлитных чугунов составляет 180 - 250 Н м 3/2

Ферритная основа: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ45

 = 220 -310 МПа,  = 22 -10 % 140 -225 

Вязкость разрушения ферритных чугунов составляет 300 - 380 Н м 3/2

Для повышения механических свойства ( пластичность и вязкость) и снятия внутрен-них напряжений, отливки ЧШГ повергают термической обработке

(отжигу, нормализации, закалки и отпуску).