Характерные особенности чугунов

Чугун — самый распространенный железоуглеродистый литейный материал, содержащий свыше 2 % углерода, до 4,5 % крем­ния, до 1,5 % марганца, до 1,8 % фосфора и до 0,08 % серы. Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому ши­роко используется в литейном производстве в качестве конструк­ционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чу­гуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Вы­сокопрочный чугун по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.

В машиностроении 77 % отливок изготовляют из чугуна, 21 % — из стали и 2 % — из цветных металлов. 80 % выплавляемого чугуна идет для передела в сталь.

Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объяс­няются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита. Попытки размельчить его и распределить равномерно по всему объему металла долгое время не давали положительных результатов. Тогда в чугун добавили немного ферросилиция (сплав железа с кремнием) и получили размельченный графит. Прочность чугуна увеличилась, даже стала близка к малоуглеродистым ста­лям обыкновенного качества, но хрупкость осталась та же. Высокопрочный чугун по своему качеству не уступает конструкцион­ным углеродистым сталям. Увеличить прочность чугуна, придать ему специальные свойства можно за счет введения в него легирующих элементов и термической обработки.

Углерод в чугунах может находиться в виде химического со­единения — цементита ( белые чугуны) или в свободном состоянии в виде графита — частично или полностью (серые). Получение того или иного вида чугуна зависит в основном от его химического состава и скорости охлаждения. Элементы: кремний, титан, ни­кель, медь и алюминий, способствующие выделению графита, назы­вают графитизирующими. Элементы: мар­ганец, молибден, сера, хром, ванадий, вольфрам, углерод входит в химическое соединение с железом, образуя цементит (Fe₃C)- антиграфитизирующие, или тормозя­щими графитизацию.

При одном и том же химическом составе структура чугуна может быть различной в зависимости от тол­щины отливки. Чтобы обеспечить необходимую структуру отли­вок разной толщины, надо знать их химический состав. Для опреде­ления химического состава от­ливок опытным путем строят структурные диаграммы. Напри­мер: отливка имеет химический состав С + Si = 4 %. При таком составе в отливке толщиной до 10 мм получится белый чугун, толщи­ной до 20 мм — половинчатый, толщиной до 60 мм — серый перлитный и толщиной свыше 60 мм — серый ферритно-перлитный. При толщине отливки свыше 120 мм и указанном хи­мическом составе чугун будет серый ферритный. Наибольшее влияние на струк­туру чугуна оказывает кремний.

I — белый; II — половинчатый; III — серый перлитный; IV — серый ферритно-перлитный; V — серый ферритный

Рисунок 6.1 - Зависимость структуры чугу­на от толщины стенки отливки и ко­личества углерода с кремнием

В серые чугуны его вводят в повышенных количествах (до 3,5 %), так как способствует получению графита. Марга­нец образует с углеродом прочное химическое соединение, поэто­му его содержание в серых чугунах ограничивается (до 1 %). Со­единяясь с серой в MnS, он уменьшает ее отбеливающее действие. Сера - вредная примесь чугуна, поскольку ухудшает его литейные и механические свойства. Содержание ее в чугуне не должно превышать 0,1%. Фосфор повышает жидкотекучесть и твердость отливок. В чугу­не может содержаться до 0,4 % фосфора.

Большое влияние на структуру чугуна оказывают условия зат­вердевания и охлаждения отливок. Быстрое охлаждение способ­ствует получению белого чугуна, медленное — серого. Скорость охлаждения зависит от применяемой литейной формы (песча­ная или металлическая), а также от толщины стенки отливки. В машиностроении используют отливки из серого, высокопроч­ного, с вермикулярным графитом и ковкого чугунов. Эти чугуны, как и сталь, состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются глав­ным образом формой графитовых включений. Чугун — наиболее дешевый конструкционный материал.