Чугуны нашли широкое применение в качестве машиностроительных материалов благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизны.
Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%. Кроме углерода в чугуне также присутствуют постоянные примеси – кремний, марганец, сера и фосфор. Иногда в чугуны вводят легирующие добавки, такие как никель, хром, магний и т.д., для придания им определенных свойств.
Рассмотрим влияние примесей на структуру и свойства чугунов. Основным элементом, определяющим структуру и свойства чугуна, является углерод. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. В чугуне углерод может находиться в виде цементита или графита (пластинчатой формы, сфероидальной, хлопьевидной).
Кремний — важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким. Содержания кремния в чугунах колеблется от 0,3 – 0,5 до 3 – 5%.
Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре. Чем больше в отливке кремния, тем больше выделение графита и тем они крупнее, а следовательно, тем меньше прочность такого чугуна, ниже твердость и лучше обрабатываемость.
Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна, т.е. он увеличивает содержание цементита и способствует более мелким выделениям графита. Марганец увеличивает усадку и хрупкость чугуна, способствует раскислению чугуна и улучшает его жидкотекучесть.
Сера является вредной примесью, она ухудшает литейные свойства (снижает жидкотекучесть), увеличивает усадку, вызывает хрупкость (красноломкость) и склонность к образованию трещин. Присутствие серы в чугуне задерживает разложение цементита, при этом в чугуне появляются твердые пятна, что затрудняет обработку металла режущим инструментом и ухудшает механические свойства. Содержание серы в чугуне для мелкого литья допускается не выше 0,08%, для крупного литья – не выше 0,12%. Вредное влияние серы на свойства чугуна в значительной степени нейтрализуется марганцем, образующим химическое соединение МnS, большая часть которого переходит в шлак.
Фосфор не ускоряет и не замедляет графитообразование, поэтому почти не влияет на структуру чугуна. Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках), поэтому чугуны с повышенным содержанием фосфора применяют для отливок, не требующих большой прочности. Однако он является и полезной примесью, так как делает чугун более жидкотекучим и несколько снижает температуру плавления, повышая, таким образом, литейные качества чугуна.
Содержание фосфора в чугуне допускают до 0,3% в ответственных отливках, до 0,8% в отливках, работающих на истирание, и до 1,2% в тонкостенном и художественном литье.
Фосфор является желательной примесью при изготовлении тонкостенных отливок, так как фосфористый чугун вследствие своей жидкотекучести хорошо заполняет все очертания формы.
Кроме постоянных примесей, в чугун вводят специальные добавки для придания чугунам определенных свойств. Иногда чугуны выплавляют в доменных печах из руд, содержащих хром, никель и другие легирующие компоненты. Такие чугуны называют природнолегированными. Влияние легирующих элементов на свойства чугунов определяется главным образом их отношением к углероду. Графитообразующие элементы способствуют получению хорошо обрабатываемых чугунов, а карбидообразующие —получению отбеленных чугунов, плохо поддающихся обработке режущим инструментом.
Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fe-Fe3C. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму. В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком — хлопьевидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высокопрочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.
Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется и применяется как передельный чугун, т.е. идет на производство стали. Для деталей с высокой износостойкостью используется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.
Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Структура серого чугуна схематически изображена на рис. 18,а. Получают серый чугун путем первичной кристаллизации из жидкого сплава.
На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, перлитный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способствуют графитизации углерод и кремний. Кремния содержится в чугуне от 0,5 до 5%. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механические и литейные свойства.
Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства. Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому фафитные включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими металлическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наиболее низкие характеристики, как прочности, так и пластичности среди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графитных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.
Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 45.
Рис. 18. Схематическое изображение структур чугунов: а - серого, б - ысокопрочного, в - ковкого
Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включения. Структура высокопрочного чугуна изображена на рис. 18,б.
Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов, которые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется увеличением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03-0,07%. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.
Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ослабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т.д.
Маркируется высокопрочный чугун буквами. ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Например, чугун ВЧ 60 имеет σв= 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов:
ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов и др.
Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 18,в). Его получают из белою чугуна путем графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950-970°С. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит- из перлита и небольшого количества (до 20%) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного превращения (720-760°С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого состоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10%). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.
Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля и относительное удлинение в %.
Так, чугун КЧ 45-7 имеет σв= 450 МПа и δ = 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33- 8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
Контрольные вопросы:
1. Что называется чугуном?
2. Как содержание кремния влияет на свойства чугуна?
3. Перечислите вредные примеси чугуна. Почему они являются вредными?
4. Расшифруйте маркировку чугуна:
СЧ 10, СЧ 15;
ВЧ 45, ВЧ 50;
КЧ 33- 8, КЧ 50-4
Критерии оценки
«Отлично» - выполнены все задания в полном объеме, недочетов не имеется.
«Хорошо» - выполненные задания составляют 90% от заданных.
«Удовлетворительно» - выполненные задания составляют не менее 75% от заданных.
«Неудовлетворительно» - менее 75%.