4.5. Чугуны

Чугун отличается от стали составом (высокое содержание углерода и примесей) и технологическими свойствами (хорошие литейные свойства, низкая пластичность). Белый чугун название получил по виду излома, который имеет серебристо-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Чугуны имеют большую твердость (450–550 НВ), очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью отжига.

Графитизация – процесс образования графита в чугуне. Образование графита происходит из жидкой фазы вместо цементита при очень медленном охлаждении, либо из твердой фазы при термическом разложении цементита. На устойчивость цементита сильно влияют графитизирующие элементы – кремний и магний, способствующие его распаду на свободный углерод (графит). Изменяя содержание кремния (0,5–5 %), можно получать чугуны, различные по структуре и свойствам.

Сера препятствуют графитизации, снижает механические и литейные свойства чугунов и повышает склонность к образованию трещин. Марганец (0,2–1,1 %) повышает механические свойства, но затрудняет процесс графитизации или способствует отбеливанию чугуна. Ф осфор на графитизацию не влияет. Частично растворяясь в феррите (~0,3 %), он входит в тройную эвтектику (Fe–С–Р) с температурой плавления 950 °С, что улучшает литейные свойства чугуна. Твердая и хрупкая эвтектика увеличивает износостойкость, хорошие литейные свойства используются в художественном литье (до 1 % Р).

Металлическая основа чугунов. Чугун – сталь, пронизанная включениями графита различной геометрической формы (рис. 4.17). Графит играет роль надрезов, трещин в металлической основе и улучшает обрабатываемость чугуна резанием. Чугун имеет хорошие антифрикционные свойства – графит обеспечивает смазку поверхностей трения. Пустоты, заполненные графитом, гасят вибрации; детали не чувствительны к поверхностным концентраторам напряжений (проточки, отверстия, переходы в сечениях).

К овкий чугун с хлопьевидным графитом. Название условное, пластическому деформированию не подвергают. Получают при длительном отжиге (томлении) белых доэвтектических чугунов. Содержание углерода (до 3 %) и кремния (0,8–1,5 %) в чугуне снижено для предотвращения графитизации при первичной кристаллизации.

Ковкий чугун на перлитной основе. Отливки загружают в контейнер, засыпают песком для защиты от окисления, нагревают ниже эвтектической температуры и выдерживают 10–15 часов. При распаде эвтектического (первая стадия графитизации) и избыточного вторичного цементита (промежуточная стадия) образуются хлопья графита, зерна аустенита укрупняются. При быстром охлаждении (рис. 4.18, кривая 2) аустенит превращается в перлит. Структура чугуна: перлит, мало графита.

При медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур (кривая 1) или выдержке ниже температуры эвтектоидного превращения (25–30 часов при 720–740 °С) имеет место вторая стадия графитизации – разложение цементита, входящего в перлит. При полном или частичном его разложении получается ферритный или феррито-перлитный ковкий чугун. Чугун обозначается буквами (КЧ 30-6), значением предела прочности (σ_в = 300 МПа) и относительного удлинения ( = 6 %). Применяется для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (кулачки, тормозные рычаги и т. д.).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают путем модифицирования: в жидкий чугун добавляют магний (до 0,05 % от массы отливки) в виде лигатуры (сплава с никелем), чтобы избежать возгорания. Атомы магния образуют тонкий слой на поверхности растущего кристалла графита, увеличивая его поверхностную энергию. Стремление системы к минимуму свободной энергии приводит к тому, что графит кристаллизуется в виде шариков (у шара поверхность при заданном объеме минимальна). Чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую основу. Механические свойства высокие, что вызвано равномерным распределением напряжений в металлической основе из-за шаровидной формы графита. Изготовляют: суппорты, резцедержатели, планшайбы, станины прокатных станов и прессов, коленчатые валы, барабаны, шаботы молотов, зубчатые колеса и др. Высокопрочный чугун с пределом прочности 420 МПа и относительным удлинением 12 % обозначается ВЧ 42.

Для получения вермикулярной (червеобразной) формы графита в виде изогнутых лепестков, размеры которых меньше пластинок серого чугуна, в жидкий чугун вводят кремний. По механическим свойствам и износостойкости чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным. Используется для деталей, подвергаемых циклическим нагрузкам и частым сменам температур.

Серый чугун с пластинчатым графитом. Большая часть углерода находится в виде графита, излом серого цвета. Изделия получают литьем, жидкий чугун модифицируют ферросилицием или силикокальцием. Серый чугун имеет низкие механические свойства при испытании на растяжение, высокие – на сжатие. Около графитовых пластинчатых включений при деформации концентрируются напряжения и способствуют разупрочнению чугуна. Изготавливают детали, которые подвергаются сжимающим и изгибающим нагрузкам: зубчатые колеса, гильзы и блоки цилиндров, поршневые кольца, подшипники скольжения. Обозначаются индексом СЧ и значением предела прочности при растяжении: СЧ 15 – серый чугун с σ_в = 150 МПа.

Отбеленные чугуны – поверхностный слой (12–30 мм) детали состоит из белого чугуна, сердцевина – серого. Слой получают на толстостенных деталях при литье в металлические или земляные формы. В поверхностном слое много твердого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Используются для изготовления валков листовых прокатных станов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для мельниц, тормозных колодок и других деталей.

Легированные чугуны. Легирующие элементы влияют на металлическую основу чугунов, размеры и форму графитовых включений. Легированные чугуны подвергаются термической обработке для обеспечения необходимых свойств. Для деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, марганцем и никелем. Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Коррозионно-стойкие чугуны часто легируют никелем (1–1,5 %), хромом (0,2–0,6 %), молибденом (0,3–0,6 %) и медью (0,2–0,5 %). Высоколегированные чугуны содержат до 12–18 % кремния (в их структуре образуются кремнистые сплавы – ферросилициды). Чугуны используются для изготовления деталей насосов, оборудования для концентрированных азотной и серной кислот и др.