Чугуны

Железоуглеродистые сплавы с высокими литейными свойствами.
Литейные свойства сплавов оценивают жидкотекучестью, усадкой, а так же склонностью к образованию пористости, ликвации, горячих и холодных трещин. Литейные свойства сплавов тем выше, чем меньше их температурный интервал кристаллизации. В связи с этим наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превращение. Из сплавов на основе железа лучшие литейные свойства имеют чугуны.
Сплав железа с углеродом (>2,14 % С) называют чугуном

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА
Литейные свойства
Жидкотекучесть
Ликвация
Усадка при кристаллизации
склонностью к образованию горячих и холодных трещин
склонностью к образованию пористости

Жидкотекучесть — способность металла или сплава в расплавленном состоянии заполнять литейную форму.
Усадкой называется уменьшение объема расплавленного металла или сплава при его затвердевании.
Ликвация — неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА

Графитизация
В результате превращения углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии в форме графита. Графит – это полиморфная модификация углерода. При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита. Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.
Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации.
Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации.
Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.
Структура чугунов зависит от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в связанном состоянии.

Влияние графита на механические свойства отливок
Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение (δ) для серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высоко-прочных – до 15%.
Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало

Положительные стороны наличия графита
графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;
чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;
из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;
детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);
чугун значительно дешевле стали;
производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.

Классификация чугунов.
Структура чугунов состоит из металической основы (металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали или технического железа) и графитовых включений, определяющих специальные свойства чугунов.
Признаки классификации чугуна :
— по состоянию углерода — свободный или связанный;
— по форме включений графита — пластинчатый, шаровидный, хлопьевидный
— по типу структуры металлической основы (матрицы) — ферритный, перлитный; со смешанной структурой: например феррито-перлитные;
— по химическому составу — нелегированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).

Структура чугуна с графитом различной формы:
a — пластинчатый графит в сером чугуне; б — шаровидный графит в высокопрочном чугуне;
в — хлопьевидный графит в ковком чугуне

Классификация чугунов
В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:
— белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C;
— половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;
--серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;
— отбеленный чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого;
— высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;
— ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита
чугун
Белый
серый
Высокопрочный
ковкий

Серый чугун
Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.
Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.
В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок.
Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.
Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.

Серый чугун

Структура серых чугунов и схемы их зарисовки
а – перлитный чугун, х 200; б – ферритно-перлитный чугун, х100,
в – ферритный чугун, х100
а
б
в

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.
Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293) могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу.
Получают из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.
Содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.
Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью.

Высокопрочный чугун

Структуры высокопрочных чугунов и схемы их зарисовки
а б
а – высокопрочный чугун на ферритной основе;
б – высокопрочный чугун на ферритно-перлитной основе

Ковкий чугун
Получают отжигом белого доэвтектического чугуна.
Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.
Содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.
Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы..

Ковкий чугун

График режима отжига на ковкий чугун
б – исходная структура доэвтектического
белого чугуна;
в – структура белого чугуна при высокой температуре (900–1050 ˚С) до начала процесс графитизации
(в начальном этапе выдержки);
г – по окончании выдержки при температуре
900–1050 ˚С;
д – после окончания второй стадии графитизации (конечная структура)

Структуры ковких чугунов и схемы их зарисовки
а – ферритный ковкий чугун, ×200;
б – ферритно-перлитный ковкий чугун, ×200;
в – перлитный ковкий чугун, ×200
а
б
в

Отбеленные и другие чугуны
Отбеленные – отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун.
В составе чугуна 2,8…3,6 % углерода, и пониженное содержание кремния –0,5…0,8 %.
Имеют высокую поверхностную твердость (950…1000 НВ) и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.
Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.
Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны. Жаростойкость достигается легированием чугунов кремнием (5…6 %) и алюминием (1…2 %). Коррозионная стойкость увеличивается легированием хромом, никелем, кремнием.
Для чугунов можно применять термическую обработку

Маркировка чугунов
Серый чугун маркируют буквами «С» — серый и «Ч» — чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ 20 —чугун серый, предел прочности при растяжении 200 Мпа
Высокопрочный чугун маркируются буквами «В» — высокопрочный, «Ч» — чугун и числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, ВЧ 100- высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении 1000 МПа (или 100 кг/мм2).
Ковкие чугуны маркируют буквами «К» — ковкий, «Ч» — чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая — относительное его удлинение при разрыве. Например, КЧ 33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 33 кг/мм2 (330 МПа) и относительным удлинением при разрыве 8 %.

Маркировка чугунов
Антифрикционные чугуны (АЧС-1 — АЧС-6) (АЧВ-1, АЧВ-2)
Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3. Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш.
Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные).

Характеристики серого и специального (легированного) чугунов