Классификация, маркировка и область применения чугунов.

Состояние углерода в чугуне и форма графитных включений играют решающую роль в достижении наиболее высоких показателей механических свойств. Поэтому главными классификационными признаками чугунов являются состояние углерода (связанное или свободное) и форма графитных включений. В соответствии с этим различают:

· белый чугун – весь углерод в белом чугуне находится в связанном состоянии в виде карбида железа – цементита;

· серый чугун – углерод в основном находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы и частично может находиться в перлитной составляющей металлической основы в виде цементита (до 0,8%);

· высокопрочный чугун содержит до 0,8% углерода в металлической основе в связанном состоянии в виде шаровидного графита;

· ковкий чугун получается путем отжига отливок белого чугуна, в результате чего цементит распадается с образованием своеобразных по форме хлопьевидных включений графита, при этом связанный углерод присутствует только в перлите металлической основы.

Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом термической обработки.

По степени графитизации белый чугун является почти неграфитизированным, половинчатые чугуны являются малографитизированными, а остальные чугуны - значительно графитизированными (рис.11).

Рисунок 11. Схема классификации чугунов по степени графитизации, виду излома, форме и условиям образования графита.

Белый чугун. Так как углерод в белом чугуне находится преимущественно в виде цементита, то на изломе такой чугун имеет белый цвет и характерный металлический блеск. Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется, а идет на производство стали.

По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Любой белый чугун содержит эвтектику – ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита, а при охлаждении ниже 727⁰С – из перлита и цементита (рис. 12 ).

Рисунок 12. Микроструктура белого эвтектического (4,3 % углерода) чугуна.

Большое количество цементита в структуре придает белым чугунам высокую твердость 450-550 НВ и хрупкость, поэтому они используются только для изготовления износостойких деталей типа шаров мельниц, звездочек в галтовочных барабанах, облицовочных плит для щековых дробилок, прокатных валков с отбеленной поверхностью и т.д. В связи с высокой хрупкостью белые чугуны имеют очень ограниченное применение и поэтому не маркируются.

Серый чугун. Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ, так как ему присущи антифрикционные свойства Так как углерод в нем находится преимущественно в свободном состоянии в форме пластинчатого графита, то на изломе данный чугун имеет серый цвет (Рис. 13).

Рисунок 13. Вид излома серого чугуна.

В зависимости от распада цементита различают ферритный, ферритно – перлитный и перлитный серые чугуны (Рис. 14). Наиболее прочным, но в то же время наименее пластичным, является чугун на перлитной основе. Чугун на ферритной основе обладает наивысшей пластичностью при наименьшей прочности.

Рисунок 14. Структура серого чугуна (а – перлитная, б – ферритно-перлитная, в - ферритная).

Графитовые включения в чугуне не связаны с металлической основой. Поэтому при увеличении содержания углерода повышается объем графитовых включений, что снижает их прочность. Этим обусловлено сравнительно небольшое содержание углерода (от 3,5 до 4,5%).

Иногда в сером чугуне наряду с графитом содержится ледебурит. Такой чугун называют половинчатым. Структура половинчатого чугуна - ледебурит + перлит + графит. В легированных и термически обработанных чугунах можно получить мартенсит, аустенит или игольчатый тростит.

Половинчатым чугун называется потому, что вид излома у него представляет собой сочетание из светлых и темных участков кристаллического строения. Половинчатый чугун твёрд и хрупок; применение изделий из половинчатого чугуна ограничено. Чаще всего эта структура встречается в отбеленных отливках в качестве переходной зоны между отбеленным слоем и графитизированной частью.

Серый чугун широко применяется в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении для производства отливок, поэтому его называют литейным. Из него изготавливают станины металлорежущих станков, блоки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и т.д.

Маркировка. Серые чугуны обозначаются по ГОСТ 1412-85: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20 … СЧ 45. Расшифровывается марка следующим образом: СЧ – серый чугун, двухзначная цифра характеризует предел прочности при растяжении σ_в в МПа∙10. Например, чугун СЧ 35 имеет σ_в=350 МПа.

Выбор марки чугунов для конкретных условий работы обуславливается совокупностью технологических и механических свойств. Ферритные серые чугуны СЧ10. СЧ15, СЧ18 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей – крышки, фланцы, маховики, диски сцепления и т.д. Ферритные серые чугуны СЧ20, СЧ21,СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статистических и динамических нагрузках – блоков цилиндров, картеров двигателей, поршней цилиндров, барабанов сцепления и т.д. Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ49, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами, их используют для изготовления гильз цилиндров, распределительных валов и т.д.

Высокопрочный чугун. Высокопрочными называются чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму (Рис. 15). Получают путем введения в жидкий серый чугун специальных добавок.

Рисунок 15. Шаровидный графит.

Высокопрочные чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую основу (Рис. 16).

Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов - обратное.

а б в

Рисунок 16. Структура высокопрочного чугуна (а – перлитный, б – перлитно –ферритный, в - ферритный).

Для данных чугунов характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность, при перлитной основе.

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %,кремния –1,9…2,6 %, марганца –0,6…0,8 %, фосфора – до0,12 %, серы – до0,3 %.

Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости обладают достаточно высокой обрабатываемостью резанием.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Маркировка. Высокопрочный чугун маркируется буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях МПа (ГОСТ 7293-85). Например, ВЧ70 - высокопрочный чугун с σ_в=700 МПа; Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ80, ВЧ100.

Ковкий чугун. Ковким называют чугун с хлопьевидным графитом. Его получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4—2,9 % С и 1,0—1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига.

Промышленный ковкий чугун производится главным образом с ферритной основой; в ней однако всегда имеется перлитная кайма. В последние годы стали широко применяться чугуны с феррито-перлитной и перлитной основой. Чугун с ферритной основой обладает большой пластичностью.

Излом у ферритного ковкого чугуна черно-бархатистый; с увеличением количества перлита в структуре излом становится значительно светлее.

Данный чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркировка. Ковкий чугун обозначается двумя буквами и двумя числами (ГОСТ 1215-85), например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число—предел прочности (в МПа) на разрыв σ_в=370 МПа, второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна δ=12%.