Структура и свойства чугунов

В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения.

В зависимости от углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугунов:

Белый Чугун –весь углерод находится в виде Fe3C. Структура чугуна – перлит и ледебурит.

Половинчатый чугун –большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe3C.

Структура чугуна – перлит, ледебурит и пластичный графит.

Перлитный серый чугун.Структура – перлит и пластинчатый графит.

В том чугуне 0,7 - 08%углерода, и он находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

Ферритно-перлитный серый чугун.Структура - перлит, феррит и пластичный графит. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% С.

Ферритный серый чугун.Структура – феррит и пластичный графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита.

Из структуры серых чугунов видно, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, доэвтиктоидной стали и железа. Следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали тем, что в чугунах имеются графитовые включения, что предопределяет их специфические свойства.

Металлическая основа в серых чугунах обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичности и вязкости чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный серый чугун.

Графит в чугунах может быть следующих основных форм.

Пластичный графит. В обычном чугуне графит образуется в виде прожилок лепестков; такой графит называется пластичным.

Шаровидный графит.В высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния, графит преобразуется в шаровидную форму.

Вермикулярный графит. Пластичная форма графита ухудшает свойства чугуна, поэтому разработаны методы плавки или последующей обработки, при которых изменяется, форма графита и улучшаются свойства чугуна. В настоящее время получают серый чугун с волокнистой (червеобразной) формой графита. Такой графит получил название вермикулярного.

Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость, цементита, путем отжига его разложить, то образующийся графит приобретает равновесную форму. Такой графит наз. хлопьевидным или углеродом отжига. На практике чугуны с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, чугун с шаровидным и вермикулярным графитом – высокопрочным чугуном, чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

Влияние примесей

Обычный промышленный чугун не является двойным железоуглеродистым сплавом, а содержит те же примеси, что и углеродистые стали. Эти примеси существенно влияют главным образом на условия графитизации и, следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Количество марганца в чугуне не превышает 1,25-1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, то есть затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера –вредная примесь, ухудшающая механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1-0,12%. В сером чугуне сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их твердые растворы (FeS, Mn) S.

Содержание фосфора в сером чугуне – около 0,2%, допускается иногда – 0,5%. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна (повышает жидкотекучесть), повышает общую твердость и износостойкость, однако увеличивает хрупкость чугуна.

Кремний –особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах – от 0,03-0,5до 3-5%. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре: от белого до ферритного (серого с пластинчатым графитом или высокопрочного с шаровидным графитом).

Кроме этих постоянных примесей в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными.Преимущественно чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хромом препятствует графитизации чугуна, а медь и никель способствуют ей.

Серые чугуны

В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наибольшее применение нашли доэвтектические группы, содержащие 2,4-3,8% С. Чем выше содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть от свойств металлической основы и количества и характера графитных включений.

Графит по сравнению со сталью обладает ничтожно низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто за пустоты, трещины. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, но испещренную большим количеством пустот и трещин.

Чем больше объема занимают эти пустоты, тем ниже будут свойства чугуна. При одинаковом объеме пустот, то есть количестве графита, свойства чугуна будут зависеть от его формы и расположения.

Чем меньше графитовых включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна. Чугун с мелкими и завихренными графитными включениями обладает более высокими свойствами.

Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от структуры чугуна в 3-5 раз больше, чем при растяжении, поэтому нужно использовать для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее значительно, чем при растяжении, снижают прочность при изгибе, так как часть изделия при этом испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между пределом прочности на растяжение и пределом прочности на сжатие.

Твердость чугуна в зависимости от металлической основы равна 143-255 НВ.

Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере округления графитных включений их данное отрицательное влияние уменьшается.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений; такие включения не являются трещинами, и чугун с шаровидным графитом показывает значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом. Отсюда и название чугуна с шаровидным графитом – высокопрочный чугун. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.

Таким образом, прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений.

Благодаря наличию графита чугун имеет некоторые преимущества перед сталью:

- наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой;

- графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки;

- наличие графитных включений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;

- чугун почти не чувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т.д. Графит, нарушая оплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным ко всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т.д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность и в отливках простой формы или с ровной поверхностью, и в отливках сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью;

- следует также указать на превосходство чугуна перед сталью по литейным свойствам. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают лучшую жидкотекучесть и заполняемость формы.

Указанные достоинства чугуна делают его ценными конструкционным материалом, широко применяемым для изготовления деталей машин, главным образом тогда, когда детали не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.

Серый чугун маркируется буквами С (серый) и Ч (чугун). После букв следуют цифры, указывающие среднее значение временного сопротивления при растяжении.

Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие группы.

Ферритныеи ферритно-перлитные чугуны (СЧ10,СЧ15) имеют при растяжении Qв 10-15 кгс\мм2 (100-150МПа), при изгибе – 28-32 кгс/мм2(280-320 МПа). Их примерный состав: 3,5-3,7%С; 2,0-2,6%Si;0,5-0,8% Mn; <=0,3% Р;<=0,15% S. Структура чугуна – перлит, феррит и графит грубый и средних размеров. Эти чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10-30мм.Так,чугун СЧ10 используют для изготовления строительных колон, фундаментных плит, а чугуны СЧ15 и СЧ18 – для литых малонагруженных деталей станков, автомобилей и тракторов, арматуры.

Перлитные чугуны(СЧ21, СЧ32, СЧ36, СЧ40) применяют для отливки станин мощных станков и механизмов, поршней цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений (компрессорное, турбинное литье, дизельные цилиндры, блоки двигателей, детали металлургического оборудования). Структура этих чугунов – мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями. К перлитным чугунам относятся так называемые сталистые и модифицированные чугуны.

Сталистые чугуны (СЧ24, СЧ28) получают выплавкой с добавлением в шихту 20-30% стального лома;

Чугуны имеют пониженное содержание углерода, что обеспечивает получение более дисперсной перлитной основы с меньшим количеством графических включений. Содержание кремния в этих чугунах должно быть достаточным для предотвращения возможности отбеливания чугуна.

Модифицированные чугуны(СЧ30, СЧ36, СЧ40, СЧ45) получают добавлением в жидкий чугун перед разливкой специальных модификаторов. Модифицирование применяют для получения в крупных отливках с различной толщиной стенок перлитной основы с вкраплением небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины.

Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий небольшое количество кремния и повышенное количество марганца. Примерный состав чугуна до модификаций: половинчатый чугун, то есть ледебурит, перлит и графит (2,8-3,3% С; 1,0-1,5%Si; 0,8-1,2% Mn; не более 0,3%Р и 0,12%S).

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500-700С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при температуре отжига составляет 3-10ч.

Охлаждение после отжига медленное, вместе с печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние нагрузки снижаются на 80-90%. Иногда для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна – выдержка их на складе в течение 6-10 месяцев. Такая выдержка снижает напряжения на 40-50%.