Понятие чугуна, его особенности и нюансы использования. Что такое чугун? Свойства, состав, получение и применение

Чугун прочно вошел в нашу жизнь много лет назад. Он относительно легко производится и широко применяется в различных областях. Чтобы иметь четкое представление об этом материале необходимо знать его особенности, минусы, плюсы, химический состав, свойства, структуру чугуна и его сплавов, их производство и область применения.

Итак, давайте узнаем, какие железоуглеродистые сплавы называют чугунами.

Понятие

Чугуном называется железоуглеродистый сплав с содержанием углерода, то есть под ним понимается материал, который состоит из сплава и углерода. Процентное содержание углерода в чугуне составляет более 2,14%. Последний элемент может входить в чугун в виде графита или цементита.

Данное видео рассказывает об особенностях чугуна:

Разновидности

Различают белый и серый чугун.

Углерод в белом чугуне представлен в виде карбида железа. Если переломить его, то можно увидеть белый отлив. В чистом виде белый чугун не используют. Его добавляют к процессу производства ковкого чугуна.
На изломе серый чугун имеет серебристый отлив. У этого вида чугуна большая сфера использования. Он хорошо поддается обработке резцами.

Кроме этого, чугуны бывают высокопрочные, ковкие и со специальными свойствами.

Высокопрочный чугун используют в целях повышения прочности изделия. Механические свойства такого чугуна позволяют это сделать на отлично. Высокопрочный чугун получают из серого в результате добавление к массе примеси магния.
Ковкий чугун — это разновидность серого. Название не означает, что этот чугун легко подвергают ковке. Он обладает повышенными свойствами пластичности. Его получают помощью отжига из белого чугуна.
Различают так же половинчатый чугун. В нем некоторая часть углерода находится виде графита, а оставшиеся часть в форме цементита.

Особенные черты

Особенность чугуна кроется в процессе его производства. Средняя температура плавления разных видов чугуна составляет 1200ºС. Это значение на 300 градусов меньше, чем у стали. Связано это с очень высоким содержанием углерода. Углерод и имеют между собой не очень тесную связь.

Когда идет процесс выплавки, углерод не может полностью внедриться в решетку железа. В результате чугун принимает свойство хрупкости. Его нельзя использовать для изготовления деталей, на которых будет постоянно действовать нагрузка.

Чугун относится к материалам черной металлургии. Его характеристики часто сравнивают со сталью. Изделия из стали или чугуна широко используются в нашей жизни. Их применение является оправданным. Проведя сравнение характеристик, можно сказать следующее об этих двух материалах:

Стоимость чугунных изделий ниже стоимости стальных.
Материалы отличаются по цвету. Чугун – это темный матовый материал, а сталь – светлый и блестящий.
Чугун легче, чем сталь поддается литью. Но сталь легче сваривается и куется.
Чугун менее прочный, чем сталь.
По весу чугун легче стали.
В стали содержание углерода, выше чем в стали.

Плюсы и минусы

Чугун, как и любой материал, имеет положительные и отрицательные стороны.

К плюсам чугуна относят:

Углерод в чугуне может находиться в разном состоянии. Поэтому этот материал может быть двух видов (серый и белый).
Определенные виды чугуна обладают повышенной прочностью, поэтому чугун иногда ставят на одну линию со сталью.
Чугун может достаточно долго сохранять температуру. То есть при нагреве тепло равномерно распределяется по материалу и остается в нем длительное время.
По экологичности чугун является чистым материалом. Поэтому его часто используют для изготовления посуды, в которой впоследствии готовится пища.
Чугун стоек в кислотно-щелочной среде.
Чугун обладает хорошей гигиеничностью.
Материал отличается достаточно долгим сроком службы. Замечено, что чем продолжительнее используется чугун, тем его качество лучше.
Чугун – долговечный материал.
Чугун – это безвредный материал. Он не способен нанести организму даже маленького вреда.

К минусам чугуна относят:

Чугун покроется ржавчиной, если на нем непродолжительное время будет находиться вода.
Чугун – дорогостоящий материал. Однако этот минус оправдан. Чугун очень качественный, практичный и надежный. Предметы, изготовленные из него, так же получаются качественными и долговечными.
Для серого чугуна характерна маленькая пластичность.
Для белого чугуна характерна хрупкость. Он в основном идет на переплавку.

Свойства и характеристики

Физическими . К этим характеристикам относятся: удельный вес, коэффициент линейного расширения, действительная усадка. Удельный вес меняется в зависимости от содержания в материале углерода.
Тепловыми . Теплопроводность материала принята рассчитывать по правилу смещения. Для твердого чугуна объемная теплоемкость равна 1 кал/см 3* о С. Если чугун жидкий, то она равна примерно 1,5 кал/см 3 * о С.
Механическими . Эти свойства зависят от самой основы, а так же от размеров и формы графита. Самым прочным считается серый чугун с перлитной основой, а самым пластичным — с ферритной основой. Максимальное снижение прочности наблюдается при форме графита «пластинка», а минимальное – при форме «шар».
Гидродинамическими . Вязкость в чугуне меняется в зависимости от наличия марганца и серы. Так же она резко возрастает когда температура чугуна переходит точку начала затвердевания.
Технологическими. Чугун обладает отличными литейными свойствами, стойкости к износу и вибрации.
Химическими . По электродному потенциалу (по мере убывания) структурные составляющие чугуна располагаются в следующем виде: цементит — фосфидная эвтектика — феррит.

Отличия чугуна от стали по химическому составу и свойствам

На свойства чугуна влияют специальные примеси.

Так добавление серы позволяет существенно уменьшить жидкотекучесть и снизить тугоплавкость.
Добавление фосфора одновременно дает возможность создать изделие сложной формы, но не дает ему повышенной прочности.
Примесь в виде делает температуру плавления не такой высокой и значительно улучшает свойства литья. Различное процентное содержания кремния позволяет создать разный чугун: от чисто-белого до ферритного.
Марганец ухудшает литейные и технологические свойства, но повышает прочность и твердость.

О том, как сварить чугун электросваркой, расскажет видеоролик ниже:

Структура и состав

Если рассматривать чугун как структурный материал, то он представляет собой металлическую полость с графитными включениями. Структура чугуна это в основном перлит, ледебурит и пластичный графит. При этом у каждого вида чугуна эти элементы преобладают в разных пропорциях или отсутствуют совсем.

По структуре чугуны бывают:

перлитные,
ферритные и
ферритно-перлитный.

Графит присутствует в этом материале в одной из форм:

Шаровидная. Графит приобретает такую форму при добавлении присадки магния. Шаровидная форма графита характерна для высокопрочных чугунов.
Пластичная. Графит похож на форму лепестков. В такой виде графит присутствует в обычном чугуне. Этот чугун обладает повышенными свойствами пластичности.
Хлопьевидный. Графит приобретает такую форму в результате отжига белого чугуна. Графит в хлопьевидном виде находится у ковкого чугуна.
Вермикулярный. Графит названной форма находится у серого чугуна. Она была разработана специально для улучшения пластичных и прочих свойств.

Производство металла

в специальных доменных печах. Основное сырье для получения чугуна – это . Технологический процесс заключается в восстановлении оксидов железа руды и получении на выходе другого материала – чугуна. Для изготовления чугуна используются следующее топливо: кокс, природный газ и термоантрацит.

После восстановления руды железо имеет твердую форму. Далее его опускают в специальную часть печи (распар), где происходит растворение в железе углерода. На выходе получается жидкий чугун, который опускается в нижнюю часть печи.

Цена на чугун (за 1 кг) зависит от количества углерода в нем, от наличия дополнительных примесей и легирующих компонентов. Примерно цена тонны чугуна будет составлять 8000 рублей.

Области применения

Его используют для производства деталей в машиностроении. В основном из чугуна делают блоки для двигателей и коленчатые валы. Для последних требуется усовершенственный чугун, в который добавляют специальные добавки из графита. Благодаря устойчивости чугуна к трению из него делают тормозные колодки отличного качества.
Чугун может бесперебойно работать даже при сильно низких температурах. Поэтому его часто используют в производстве деталей машин, которым придется работать в жестких климатических условиях.
Хорошо зарекомендовал себя чугун в металлургической области. Его ценят за относительно небольшую цену и отличные литейные свойства. Изготовленные из чугуна изделия характеризуются отличной прочностью и износостойкостью.
Из чугуна делают большое множество сантехнических изделий. К ним можно отнести раковины, батареи, мойки и различные трубы. Особо славятся чугунные ванны и радиаторы отопления. Некоторые из них служат в квартирах по настоящее время, хотя приобретены были много лет назад. Чугунные изделия сохраняют свой первоначальный вид и не нуждаются в реставрации.
Благодаря хорошим литейным свойствам из чугуна получают настоящие произведения искусства. Его часто применяют в изготовлении художественных изделий. Например, таких как красивые ажурные ворота или памятники архитектуры.

Выбираете ванну? Не знаете, что лучше, чугунная или стальная? Тогда это видео поможет вам:

Чугунные сплавы являются неотъемлемой частью человеческой жизни. Его применение распространилось от тяжёлой промышленности до произведений искусства. Давайте разберёмся, в чём же особенность чугуна, почему он настолько универсален и незаменим.

Чугун — это сплав, основными элементами которого является железо и углерод (более 2, 14 %). Механические и литейные свойства чугуна определяются концентрацией углерода и наличием прочих химических элементов.

Если говорить о чугуне в целом и в сравнении с прочими сплавами, он отличается высокой жаростойкостью, теплоёмкостью, устойчивостью к коррозии, и т.д. Положительные характеристики сплава делают его применение необходимостью как в тяжёлой промышленности, так и в быту.

Выплавка чугуна осуществляется в доменных печах, вагранках и электропечах.

В процессе нагрева в печах проходят химические реакции, позволяющие создавать чугун различных марок с различными механическими и литейными свойствами.

В вагранках(только серый) и электропечах обычно переплавляют отливки в изделия, что с точки зрения затраты топлива более экономично, да и в целом более практично если завод занимается изготовлением изделий, а не производством чугуна разных марок.

Виды чугунов:

На физические и химические свойства чугуна влияют его химический состав и вид термической обработки.

Белые чугуны — получаются в процессе ускоренного охлаждения.

Белые чугуны отличаются высокой твёрдостью и хрупкостью. Тяжело поддаётся резке, в процессе откалываются куски. В связи с этим в большей степени используются не как конструктивный металл, а как заготовка для производства ковкого и иных марок чугуна.

Производные белых чугунов:

Ковкие чугуны получаются в результате обработки (отжига) белого чугуна.

Название ковкий никак не связано с процессом деформации (ковки) металла. Историки утверждают, что подобное название появилось вследствие того, что из чугуна с характерными свойствами делали подковы.

Ковкий чугун обладает высокими механическими свойствами, такими как прочность, износостойкость и т.д.. Благодаря чему металл активно используется в автомобильной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении при производстве мелких деталей

Серые чугуны получаются при медленном охлаждении.

Серые чугуны отличаются прочностью, более высокой пластичностью, нежели белые, что делает такой чугун хорошим конструкционным материалом для различных деталей и позволяет использовать для создания марок чугуна с необходимыми для той или иной отрасли свойствами.

Области применения серого чугуна: тяжёлое машиностроение, автомобильная и сельскохозяйственная промышленность, станкостроение, бытовое использование.

Производные серых чугунов:

Высокопрочные чугуны получаются в результате введения 0,5 % магния в серый чугун перед разливкой. Процесс называется модифицированим.

Литейные свойства высокопрочного чугуна позволяют создавать изделия ответственного назначения (детали станков, автомобилей повышенной грузоподъёмности и т.д.). Высокопрочный чугун имеет ряд преимущественных характеристик перед сталью, имея меньшую плотность (> 8-10%), что позволяет снизить массу деталей.

В результате средней между белым и серым чугуном интенсивности охлаждения образуются половинчатые чугуны . Как следствие, имеющие промежуточные свойства и структуру металла.

Помимо изменения химического состава металла, регулируя интенсивность его охлаждения возможно получать отливки с различным уровнем прочности, пластичности и прочими механическими свойствами чугуна.

Чугуны со специальными свойствами:

Подобной классификации подвергаются белые и серые чугуны, отливаемые с применением определённой технологии для дальнейшего использования в определённых условиях или по специальному назначению. К таким относятся:

Антифрикционные чугуны . Применяются для изготовления деталей, используемых в особо нагруженных узлах трения (корпус подшипников, втулки, вкладыши, валы)
Износостойкие чугуны. Применяются в отраслях с высоким уровнем воздействия внешней среды: детали агрегатов для азотной промышленности, насосного оборудования, печного литья (дверки, колосники и т.д.).
Жаростойкий чугун. Применяется для изготовления деталей, подверженных интенсивному воздействию высоких температур: печное литьё, в частности колосники, детали коксохимического оборудования, трубокомплексов, газотурбинных двигателей и т.д.
Коррозионностойкие чугуны . Применяются для изготовления деталей, используемых в агрессивных средах. В большей степени химическая и авиационная промышленность.
Жаропрочные чугуны . Благодаря высокой прочности при нормальных и повышенных температурах применяется для изготовления деталей арматуры и котлов, промышленных колосниковых решёток, обжиговых печей.

На сегодняшний день простое перечисление деталей, которые изготавливают из чугуна, составит приличную книгу. Сложно переоценить значимость чугуна и изделий из него в промышленности и быту не только нашей страны, но и всего мира.

Наверняка многие сталкивались в быту или же на производстве с чугунными изделиями. Этот материал обладает хорошей прочностью и превосходными литейными качествами.

Чугун это стальной, или же правильнее сказать, железоуглеродистый сплав, состоящий из железа и углерода, который имеет объем от 2,14 % до максимальных 6,67 % и может входить в состав как цементит или же графит. Чугун по определению относится к машиностроительному материалу, отличающемуся дешевизной, а также простотой в производстве и служит основой для выплавки стали. Его получение относится к сложным химическим процессам, протекающим на определенных стадиях производства.

Основные характеристики и состав

Данный сплав помимо железа с углеродом включает дополнительные примеси, влияющие на его свойства. Разнообразный состав чугуна, обеспечивает ему высокую твердость, текучесть, повышает хрупкость. В него включаются: сера, кремний, марганец, фосфор. Сплав чугуна из-за входящего углерода имеет высокие показатели по твердости, но при этом снижается ковкость, а также пластичность вещества. Для придания металлу особых характеристик добавляются некоторые присадки. В качестве легирующих компонентов применяются: никель, ванадий, а также хром, алюминий. Формула чугуна состоит из железоуглеродистой основы с дополнительными включениями. Обладает плотностью порядка 7,2 г/см3, что является довольно высоким значением для металлических соединений.

Состоит чугун из нескольких компонентов, из-за чего свойства его вариаций могут существенно отличаться. Кроме углерода и железа, состав включает до 2 % марганца, 1,2 % фосфора, 4,3 % кремния и до 0,07 % серы. Кремний отвечает за состояние жидкотекучести, значительно улучшает литейные качества, а также делает мягче. Для усиления прочности используют марганец. Добавление серы снижает тугоплавкость и понижает его жидкотекучесть. Кроме того, она оказывает вредное воздействие, проявляющееся в появлении на горячих отливках трещин (красноломкость). Наличие фосфора снижает механические свойства, однако позволяет отливать предметы сложной формы.

Структура чугуна выглядит как металлическая основа с включениями из графита. В зависимости от вида, включает перлит, пластинчатый графит, а также ледебурит. Данные элементы определяют его характеристики и присутствуют в различных количествах или же полностью отсутствуют.

Температура плавления составляет от минимальных +1160 °С до максимальных +1250 °С. Имеет высокие антикоррозионные показатели, активно противодействует как сухой (химической), так и влажной коррозии. Благодаря ему появилась на свет нержавейка – стальной сплав, имеющий высокое содержание хромовой составляющей.

Область применения

Чугун широко используется в машиностроении при отливке разнообразных деталей. Применяется для изготовления коленчатых валов, а также двигательных блоков. Кроме того, производятся высококачественные колодки, имеющие высокую устойчивость к трению. Применяются при низких температурах, где применяется исключительно чугун благодаря своим высоким эксплуатационным свойствам. Данные качества используют при производстве различных элементов машин, где используется чугунный сплав для работы в жестком климате. Этот материал широко применяется металлургами благодаря превосходным литейным характеристикам и невысокой цене. Отлитые изделия имеют высокую износостойкость, повышенную прочность.

Многие сантехнические детали также изготавливаются из чугунной основы. Это батареи, радиаторы отопления, трубы, ванны, разнообразные раковины с мойками. Многие изделия служат и по сей день, хотя устанавливались несколько десятилетий назад. Эти предметы сохраняют первоначальный облик долгие годы и не требуют проведения реставрационных работ. Кроме того, чугунная посуда считается одной из самых удобных при готовке многих блюд.

Разновидности

Чугунный сплав по своим характеристикам подразделяется на передельный, а также литейный. Первый применяют при выплавке стали, используя кислородно-конвертерный метод. Данный вид отличается пониженным количеством марганца и кремния. Литейный чугунный материал служит для производства многочисленных деталей. Образцы изделий из этой основы можно увидеть на соответствующих фото.

К особой разновидности относятся никельхромистые сплавы (нихарды). К ним относится низкоуглеродистый, а также высокоуглеродистый чугун. Первый отличается усиленной прочностью, а второй – повышенной износостойкостью. Основными разновидностями являются белый и серый сплавы. Эти материалы отличаются содержанием углерода, а также свойствами. Кроме того, активно используются ковкие, легированные и высокопрочные виды.

Серый

Серые чугуны имеют низкую пластичность, вязкость, легко поддаются резке при обработке. Применяются при изготовлении неответственных деталей, а также элементов, работающих на износ. В сером чугуне углерод содержится в виде графита, перлита либо феррито-перлита. Его количество составляет около 2,5 %, что обеспечивает высокую прочность изделиям. Из серого сплава изготавливают корпуса различного промышленного оборудования, зубчатые шестеренки, кронштейны, втулки. Материал, содержащий высокое количество фосфора (порядка 0,3 – 1,2 %) обладает хорошей жидкотекучестью и применяется в художественном литье.

Белый

Содержит большое количество углерода (свыше 3 %), представленного в виде цементита либо карбида. Белый цвет в месте разлома данного материала дал название и соединению. Сплав этого вида имеет повышенную ломкость, а также хрупкость, что значительно сужает область использования. На его основе производят детали незамысловатой формы для выполнения статических функций без воздействия значительных нагрузок. Технические характеристики белого материала можно улучшить путем добавления легирующих компонентов. Для этого используется никель, хром, гораздо реже – алюминий либо ванадий. Марка с такими присадками называется «сормайт». Ее используют в качестве нагревательного элемента в разнообразных устройствах. Сормайт отличается стабильными характеристиками при температурных значениях не более +900 °С. Этот материал служит основой при изготовлении обычных бытовых ванн.

Ковкий

Этот вид получают из белого путем отливки с дальнейшей термообработкой. При этом применяется отжиг длительного воздействия, при котором цементит распадается, образуя графит. Этот процесс получил название графитизация с образованием в структуре углеродистых хлопьев. Графит приобретает такую форму благодаря продолжительному отжигу. Это положительно влияет на металлическую основу, которая становится более цельной, пластичной и вязкой.

Ковкий чугун прекрасно эксплуатируется при пониженных температурах и не сильно чувствителен к надрезам. Применяется при изготовлении элементов, работающих при непрерывном трении. Помимо этого, ковкий сплав служит основой для изделий весьма сложной конфигурации: угольники, тормозные колодки, тройники, автомобильные картеры для задних мостов и прочих конструкций. Улучшение свойств достигается путем добавления бора, теллура, магния.

Высокопрочный

Обладает повышенной прочностью и используется для получения изделий ответственного назначения, а в некоторых случаях заменяет даже сталь. Этот высокопрочный чугун получают добавлением в серый вид особых примесей (церий, кальций, иттрий, магний). Из него производят шестерни, поршни, коленчатые валы и прочие детали. Высокая теплопроводность позволяет отливать элементы для отопительных узлов, а также трубопроводов.

Легированный

Чугунный сплав легированного вида содержит дополнительные примеси. В состав входят в повышенном содержании титан, никель, хром, а также цирконий, ванадий, молибден, алюминий и прочие элементы. Они придают высокую прочность, твердость, износостойкость. Применяются легированные материалы при производстве деталей механизмов, взаимодействующих с газовыми, агрессивными средами, а также работающих под воздействием водных растворов.

Преимущества металла

Этот сплав относят к материалам, производимым черной металлургией. Его зачастую сравнивают со сталью при определении тех или же иных характеристик. Сделанный из чугуна предмет имеет невысокую стоимость по сравнению со стальным аналогом. Помимо этого, чугунные элементы имеют меньший вес и прочность. Эти свойства чугуна значительно расширяются за счет использования различных добавок в сплавы. Его параметры имеют следующие положительные качества:

экологически чистый материал, что используется при производстве бытовых предметов, в том числе и посуды;
устойчив к кислотно-щелочной среде;
гигиеничен;
способность длительного сохранения температуры;
некоторые виды имеют прочность, сопоставимую со сталью;
длительность эксплуатации, при которой его качественные показатели только улучшаются;
полная безвредность для организма.

Производство

Получение чугунного сплава относится к материалоемким и затратным процессам. На выплавку одной тонны материала потребуется порядка 900 л обычной воды и около 550 кг кокса. Температура плавления составляет порядка +1200 °С, что требует наличия специфического плавильного оборудования. Для получения массы необходима руда, где массовая доля содержащегося железа составляет свыше 70 %. Обедненные рудные породы не используются по причине экономической неэффективности.

Материал выплавляют в особых доменных печах. Там железная руда проходит полный технологический цикл, начиная с восстановления оксидов руды и заканчивая получением на выходе чугунного сплава. Литье материала требует наличия топлива: кокса, термоантрацита, а также природного газа. По окончании восстановительного процесса железо в твердой форме помещается в особую часть печи для растворения в нем углерода. После взаимодействия получается чугунная масса, которая в жидком виде опускается вниз. Нерасплавленные примеси выталкиваются на поверхность и впоследствии удаляются. Этот шлак применяется для производства многочисленных материалов. После удаления из расплава ненужных частиц, проводят добавление присадок для получения определенных марок чугунных сплавов.

Сплав чугуна

К атегория:

Сплавы

Сплав чугуна

Структура белого чугуна. Белые чугуны кристаллизуются по диаграмме состояния системы сплавов железо - цементит. Мы уже отмечали, что при охлаждении сплава с содержанием 4,3% С в точке С диаграммы образуется эвтектика цементита и аустенита - ледебурит. При охлаждении от точки С до линии РК аустенит, ледебурита будет распадаться с выделением вторичного цементита, и концентрация углерода в этом аустените будет уменьшаться от 2,0 до 0,8% (в соответствии с линией ES), а в точке Агх произойдет перлитное превращение оставшегося аустенита.

Рис. 1. Микроструктура эвтектического чугуна (ледебурита); Х200

Рис. 2. Микроструктура доэвтектического чугуна (3% С); Х200

Рис. 3. Микроструктура заэвтектического чугуна (5% С); X 200

Следовательно, при температуре ниже Агх ледебурит будет состоять из цементита и перлита.

Микроструктура ледебурита приведена на рис. 1. Здесь темные пластинки и зернышки распавшегося аустенита рассеяны по белому полю эвтектического цементита. Чугуны, содержащие 4,3% С, называются эвтектическими.

В доэвтектическом чугуне (3%) в точке ах из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита. Между точками ах и Ьг кристаллы аустенита растут, а концентрация углерода в маточном растворе увеличивается до эвтектического состава (4,3%).

В- структуру охлажденного доэвтектического чугуна входит ледебурит и распавшийся избыточный аустенит. На рис. 2 приведена микроструктура доэвтектического чугуна.

Рис. 4. Диаграмма структурных составляющих цементитной системы

При охлаждении заэвтектического чугуна (5% С) в точке а2 (рис. 64) начинается кристаллизация цементита. Между точками а2 и Ь2 кристаллы цементита растут, а концентрация углерода в маточном растворе уменьшается до эвтектического состава (4,3%); в точке Ь2 происходит затвердевание всего оставшегося раствора с образованием ледебурита. Далее, между точками Ь2 и с2 происходит вторичная кристаллизация аустенита, входящего в состав ледебурита.

В структуру охлажденного заэвтектического чугуна входят цементит (первичный) и ледебурит. На рис. 3 приведена микроструктура заэвтектического чугуна; здесь кристаллы избыточного (первичного) цементита расположены в виде игл на поле ледебурита. Заэвтектические чугуны как технические сплавы применяются редко ввиду их чрезмерной хрупкости.

Рис. 5. Диаграмма состояния цементитной и графитной систем

На рис. 73 приведена диаграмма Fe - Fe3C (цементитная), наглядно характеризующая структурные составляющие системы.

Значительное количество твердого и хрупкого цементита в составе белых чугунов является причиной того, что эти чугуны трудно поддаются механической обработке. Они применяются для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун, а также для отливки прокатных валков и вагонных колес, причем как в валках, так и в колесах белый чугун образуется не во всей толще, а лишь в поверхностном слое; внутри отливки образуется серый чугун.

Структура серого чугуна. При весьма медленном охлаждении сплавов железо - углерод происходит выделение графита. Для этого случая на диаграмме, кроме сплошных линий знакомой уже нам системы железо - цементит, нанесены пунктирные линии системы железо - графит, несколько смещенные влево вверх (соответственно изменяется положение критических точек по концентрации и температуре). Таким образом, получаются как бы две диаграммы, наложенные друг на друга, цементитная метастабильная (относительно устойчивого равновесия) и графитная стабильная (абсолютно устойчивого равновесия).

В промышленности применяются доэвтектические серые (литейные) чугуны. Серый чугун, состоящий из феррита и графита, называют ферритным, так как металлическую основу его составляет феррит (рис. 6).

Весь углерод в виде графита выделяется лишь при очень медленном охлаждении сплава; если же скорость охлаждения в процессе кристаллизации (как первичной, так и вторичной) увеличивается, выделяется не графит, а цементит.

Рис. 6. Микроструктура ферритного чугуна (X 150)

Рис. 7. Микроструктура ферритно-перлит-ного чугуна (Х150)

Рис. 8. Микроструктура перлитного чугуна (X 150)

Так, при увеличении скорости охлаждения около линии P’S‘K’ выделение графитного эвтектоида прекращается и оставшийся углерод переходит (по линии PSK ) в цементит, в результате чего образуется некоторое количество перлита. Такой чугун будет иметь основу доэв-тектоидной стали (феррит и перлит), испещренную чешуйками графита; он называется феррито-перлитным чугуном.

Если скорость охлаждения увеличивается до линии P’S‘K’, то выделения графитного эвтектоида не произойдет, а аустенит по линии PSK превратится в перлит. Такой чугун будет иметь основу эвтектоидной стали (перлит) и графитные включения в форме чешуек; он называется перлитным чугуном (рис. 8).

Если скорость охлаждения увеличивается между линиями эвтектического и эвтектоидного превращения, то еще до перлитного превращения из аустенита будет выделяться не графит, а цементит. Такой чугун имеет основу заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный) и включения графита; он называется перлито-цементит-н ы м чугуном. Таким образом, серые чугуны имеют структуру стали, испещренную включениями графита.

Рис. 9. Диаграмма структурных составляющих графитной системы

Иногда в структуре чугуна, наряду с графитом, имеется ледебурит (скорость охлаждения увеличилась при эвтектическом превращении). Такой серо-белый чугун называют половинчатым.

На рис. 9 приведена диаграмма Fe-С (графитная), наглядно характеризующая структурные составляющие системы.

Серый чугун применяется исключительно для производства отливок и называется поэтому литейным.

Влияние примесей на свойства чугуна. Болтая часть углерода в сером чугуне находится в виде чешуек графита, чем частично разобщает металлическую сплошность сплава и вызывает хрупкость. Содержание углерода в сером чугуне не должно превышать 4%. Наиболее прочные чугуны содержат 2,8-3% углерода. Процесс выделения графита сопровождается увеличением его объема, что понижает общую усадку чугуна до 1%. Кроме того, при увеличении содержания углерода чугун становится более жидкотекучим. Вследствие этого углерод повышает литейные свойства и позволяет получать качественное тонкостенное литье.

Кремний является элементом, который способствует получению серого чугуна. Он образует с железом химические соединения (FeSi и Fe3Si3) и способствует выделению графита. Таким образом, увеличение количества кремния в чугуне приводит к уменьшению в нем карбидов железа и, следовательно, к улучшению обрабатываемости его режущими инструментами. Кроме того, кремний увеличивает жидкотекучесть, понижает температуру плавления и способствует замедлению охлаждения чугуна. Количество кремния в сером чугуне колеблется в пределах от 0,75 до 3,75%.

Марганец увеличивает устойчивость карбидов железа (Fe3C) при затвердевании и охлаждении чугуна, что способствует получению белого чугуна. Присутствие марганца в сером чугуне также допускается в количестве до 1,3%, так как марганец повышает прочность чугуна, парализует вредное влияние серы, а также улучшает жидкотекучесть чугуна.

Сера понижает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, плохо заполняющим форму, противодействует выделению графита и придает чугуну хрупкость. Поэтому она является вредной примесью. Предельно допустимое содержание серы в чугуне 0,07%.

Фосфор создает в чугуне твердую и хрупкую фосфидную эвтектику, поэтому в отливках деталей машин, подверженных ударным нагрузкам, его содержание не должно превышать 0,3%. В отливках, работающих на истирание, твердые участки фосфидной эвтектики повышают их износоустойчивость; в таких отливках допускается содержание фосфора до 0,7-0,8%. Фосфор, кроме того, понижает температуру плавления чугуна, сильно увеличивает его жидкотекучесть и уменьшает усадку. Это позволяет получать из фосфористого чугуна тонкие отливки с чистой и гладкой поверхностью. Поэтому чугун, содержащий до 1,2% фосфора, применяется для художественного литья, труб и т. д.

Маркировка серого чугуна. Отливками из серого чугуна называются литые изделия, получаемые путем переплавки в вагранках или иных плавильных агрегатах доменных чушковых чугунов, чугунного и стального лома с последующей заливкой полученного жидкого металла в литейные формы. Таким образом, чугун в отливках есть чугун вторичной плавки. По ГОСТ чугун в отливках маркируется буквами СЧ с добавлением двух чисел; первое из них указывает предел прочности при растяжении, второе - предел прочности при изгибе в кг/мм2, устанавливаемый при специальных испытаниях на изгиб круглых образцов.

ГОСТ установлены следующие марки чугуна в отливках: СЧОО (испытание механических свойств не производится), СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ35-56, СЧ38-60.

Механические свойства чугуна обусловливаются строением его металлической основы, а также количеством, формой и характером расположения включений графита.

Лучшими механическими свойствами обладает перлитный чугун, содержащий графит в виде мелких равномерно рассеянных чешуек; особенно повышенные свойства получаются при округлых (глобулярных) включениях графцта.

Для повышения прочности чугунов производится их легирование (никелем, хромом, молибденом, медью и др.), а также модифициро-вгшйе и термическая обработка (отжиг, закалка и отпуск).

Модифицированный чугун. Размер и форма графитовых включений зависят от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации, от скорости охлаждения и содержания графитообразующих примесей. Чем больше в жидком чугуне нерастворимых мелких частичек (центров кристаллизации), тем мельче будет графит. Для увеличения количества центров кристаллизации в жидкий чугун перед разливкой по формам вводят вещества, называемые модификаторами. В качестве модификаторов применяют алюминий, кальций, кремний, которые соединяются с растворенным в жидком чугуне кислородом и образуют окислы А1203, СаО или Si02. Эти окислы находятся в чугуне во взвешенном состоянии и являются центрами кристаллизации.

Модифицированный чугун имеет повышенную прочность, соответствующую высшим маркам серого чугуна СЧ32-52, СЧ35-56, СЧ38-60, лучшую стойкость против трещин, меньшую хрупкость. Для модифицирования выплавляют чугун с содержанием 2,6-3,2% С и 1,1 - 1,6% Si.

Высокопрочный чугун. Дальнейшее повышение прочности и пластичности чугуна достигается модифицированием, обеспечивающим получение глобулярного (сфероидального) графита вместо пластинчатого. Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхности к объему и тем самым определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна. Такая форма графита получается при присадках в жидкий чугун магния (Mg) или церия (Се). Высокопрочный чугун имеет ферритную или перлитную основу (или их сочетание). Ферритный чугун имеет повышенную пластичность 6 = 5 - 10% (у обычного чугуна 0,2-0,5%) и ударную вязкость ан = 2-3 (у обычного чугуна 0,2-0,5).

ГОСТ устанавливает следующие марки высокопрочного чугуна в отливках: ВЧ45-0; ВЧ50-1.5; ВЧ60-2; ВЧ45-5 и ВЧ40-10 (получается отжигом из чугуна ВЧ45-5). Первое число указывает предел прочности при растяжении (апч) второе - удлинение (б) в %.

Еще более высокая прочность достигается при модифицировании легированного чугуна.

В настоящее время высокопрочный чугун начинают применять вместо стали для изготовления коленчатых валов, шестерен, муфт и вместо ковкого чугуна_(см. ниже) для изготовления задних мостов автомобилей, ступиц, картеров и др.

Ковкий чугун. Ковкий чугун - условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна специальной термической обработкой; ковке его не подвергают, но он обладает более высокой по сравнению с серым чугуном пластичностью, поэтому и получил такое наименование. Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако характер графитовых включений в ковком чугуне иной, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что графит ковкого чугуна находится в виде включений округленной формы, расположенных изолированно друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и сплав обладает значительной вязкостью и пластичностью.

Свойства ковкого чугуна зависят от величины графитных включений (чем меньше эти включения, тем прочнее чугун), но прежде всего они определяются структурой его металлической основы, которая, так же как и в сером чугуне, может быть ферритной, перлитной или смешанной.

В зависимости от состава чугуна и способа термической обработки можно получить два вида ковкого чугуна: черносердечный и белосер-дечный.

Для получения черноеердечного ковкого чугуна отливки из белого чугуна закладываются в ящики и засыпаются песком (нейтральная среда). Ящики помещают в печь и нагревают до температуры 900-950 . При этой температуре происходит распадение эвтектического цементита; это первая стадия графитизации. Далее производят медленное охлаждение с переходом через точку Агх для полной или частичной графитизации эвтектоидного цементита: это вторичная стадия графитизации. Обычно при данном способе доводят цементит до полного разложения, и структура ковкого чугуна представляет феррит с включениями графита, который называют углеродом отжига (рис. 79). В изломе такой чугун имеет черный цвет, поэтому его принято называть черносердечным. Операция отжига на черносердечный чугун длится 37-50 час.

По ГОСТ ковкий чугун обозначают буквами КЧ с добавлением двух чисел: первое из них указывает наименьшее допустимое значение предела прочности (Опч) - второе - такое же значение относительного удлинения (6). ГОСТ установлены следующие марки черносердечного чугуна: КЧЗО -6, КЧЗЗ -8, КЧ35-10, “КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.

Для получения белосердечного чугуна производится обезуглероживающий отжиг («томление»). Отливки помещают в ящики с рудой или окалиной (окислительная среда).

Выдержка при температуре 900” (первая стадия) занимает большую часть времени всего процесса. В первой стадии углерод отжига из поверхностных слоев

детали в значительной степени выгорает. Вторая стадия - перевод через точку Агх и охлаждение - при этом способе происходит относительно быстро, в результате чего металлическая основа в этом чугуне большей частью представляет перлит. В изломе такой чугун светлый, поэтому его принято называть белосердечным.

В последние годы на заводах СССР с успехом применяется ускоренный отжиг на ковкий чугун, при котором отливки простой конфигурации из белого чугуна подвергаются закалке от температуры 850-900°. Графитизация закаленных чугунов при последующем отжиге протекает значительно быстрее вследствие наличия большого количества центров графитизации, выпадающих при закалке. Время отжига закаленных отйивок в обычнцх камерных печах сокращается до 6-12 час., а в специальных агрегатах - до 1 часа.

Ковкий чугун по сравнению со сталью - более дешевый материал; он обладает хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Потому ковкий чугун широко применяется в сельскохозяйственном машиностроении (зубчатые колеса, звенья цепеА и пр.), в автомобильной и тракторной промышленности (задние мосты, картеры дифференциалов и др.), вагоностроении (части тормозов, кронштейны и др.), станкостроении и во многих других отраслях промышленности.