• Главная
  • Чугун
  • ЧУГУН


            Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, со­держащие более 2,14% углерода, сплавы Fe—С, содержащие в структуре эвтектику (эвтектики). Сплавы, которые содержат менее 2,14% (предельная растворимость  углерода в аустените), называют сталью. Максимальная растворимость углерода в железе 6,67 %. Наиболее значительную часть вы­плавляемого чугуна перерабатывают в сталь, однако не менее 20% его используют для изготовления литых де­талей машин и других изделий. В практике машиностро­ения в большинстве случаев используют чугун с содержа­нием 2,5—4% углерода. В промышленном чугуне, кроме угле­рода, обязательно содержатся кремний, марганец, сера и фосфор (в большем количестве, чем в стали).
            Чугун отличается высокими литейными свойствами (из-за более высокого содержания углерода ,чем в стали) , изделия из него изготавливают различными методами литья. Из-за низкой пластичности чугун не подверга­ется обработке давлением. В зависимости от формы выделения углерода чугун подразделяют на белый, поло­винчатый и серый.
    Белый чугун -  называют такой чугун, в котором при нормальной температуре весь углерод находится в связанном состоя­нии, главным образом в форме цементита. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и характерный металлический блеск.
            Серый чугун -  называют такой чугун, в котором весь углерод или большая его часть находятся в виде графита, а в свя­занном состоянии (в форме цементита) углерода, содер­жится не более 0,8%. Ввиду большого количества графита, входящего в состав такого чугуна, его излом имеет серый цвет.
    В половинчатом чугуне часть углерода находится в форме графита, но при этом не менее 2% «С» присутствует в форме цементита.
    В ряде случаев находят применение детали, изготов­ленные из чугуна с отбеленной поверхностью. Основная масса металла в таких деталях имеет структуру, серого чугуна и только в поверхностном слое почти весь углерод находится в форме цементита. Типичным примером явля­ются прокатные валки для холодной прокатки листов.
    На нашем портале Вы найдете подробные характеристики основных видов чугунов:
    Ниже приведена диаграмма сплава Железо-Углерод . ( Fe-C)
     
             Наличие большого количества цементита придает валкам высокую поверхностную твердость и высокое сопротив­ление износу, что способствует получению листов с чистой поверхностью.
    Структура чугунов существенно зависит от их хими­ческого состава и  скорости охлаждения.
    Химический состав. Кремний способствует графитизации чугуна. Кремний растворяется в Fea, образуя твердый раствор замещения. Содержание кремния чугунах колеблется от 0,5 до 4,5%.
    На рис1. Приведена диаграмма, которая дает возможность определить заранее будущую структуру отливки по содержанию углерода и кремния.

    Рис1. Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получиться структура в отливке ( с толщиной стенки 50 мм) в зависимости от содержания в чугуне кремния и углерода: 1-белые чугуны; 2-серые перлитные чугуны; 3- серые ферритные чугуны.
     
    Марганец препятствует графитизации, способ­ствует получению в структуре чугуна цементита. Содер­жание марганца в чугунах — от 0,4 до 1,3%.
    Сера в чугунах является нежелательным элементом. Она снижает жидкотекучесть, способствует отбелива­нию чугуна, как и марганец. Содержание серы допуска­йся не более 0,08—0,12%.
    Фосфор в чугунах — полезная примесь, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Содер­жание фосфора в чугунах колеблется от 0,3 до 0,8%.
    Иногда в чугуны вводят легирующие элементы (ни­кель, хром, алюминий, молибден и т. д.), тем самым улуч­шая их свойства.
    Скорость охлаждения. Кроме регулирования содер­жания углерода и кремния, необходимо также учитывать скорость охлаждения отливок. Известно, что быстрое ох­лаждение способствует получению белого чугуна, замед­ленное — серого чугуна. На рис 2. Приведена диаграмма, пользуясь которой можно получить в отливке нужную структуру, регулируя химический состав и скорость охлаждения.

    Рис 2. Структурная диаграмма для чугуна, показывающая, какая должна получиться структура в отливке в зависимости от суммы содержания углерода и кремния, а также толщины отливки: 1-белые чугуны; 2-серые перлитные чугуны; 3- серые ферритные чугуны.
     

    Классификация чугунов
     

    На рис. 3 приведена диаграмма со­стояния сплавов системы Fe—С, включая систему Fe—FезС [1]. Фигуративная точка С наиболее легкоплавкой (1148 °С) ком­позиции, содержащей 4,38 %. С, называется эвтектической. При этой температуре эвтектический жидкий нелегированный чугун (содержащий только Fe и С) затвердевает в полностью равно­весных условиях с образованием смеси двух твердых фаз — аустенита А, содержащего около 2 % С (в разные времена это содержание оценивалось от 1,7 до 2,14 %), и цементита Ц, со­держащего 6,4 % С при 1148 °С (по стехиометрической фор­муле FезС соответствует содержание углерода 6,67 %, С) [1]. Смесь этих двух фаз (эвтектика) получила название ледебурит. На рис. 1.2 показаны две основные разновидности ледебурита— сотовидный и пластиночный (или пластинчатый). Второй чаще наблюдается в быстро затвердевшем белом чугуне, в нем чере­дуются пластинки цементита и аустенита примерно одинаковой толщины.
    Ледебурит имеет повышенную твердость и хрупкость из-за высокой твердости (примерно HV 900... 1000 или 9000... 10 000 Н/мм2) и хрупкости цементита. Наиболее хрупок сотовидный ледебурит, в нем «соты» аустенита почти полностью изолированы друг от друга, и присущая аустениту пластичность не может реализо­ваться — микротрещины и разрушающая магистральная тре­щина проходят по хрупкой сплошной цементитной матрице. Пластиночный ледебурит несколько менее хрупок, так как тре­щины могут «проскакивать» и по аустенитным прослойкам.
    Аустенит сохраняется до комнатной и более низких темпе­ратур лишь в специальных аустенитных чугунах, легированных никелем, марганцем, медью, азотом. В бинарных сплавах Fe—С типа чугунов аустенит при сравнительно медленном охлажде­нии (когда нет закалки) претерпевает эвтектоидный распад. В системе Fe—Fe3C этот распад происходит ниже 727 °С (см. эвтектоидную точку S на рис. 3) и приводит к образованию из аустенита эвтектоидной смеси — перлита. Эта смесь состоит из чередующихся пластинок феррита Ф и цементита Ц . Перлит содержит около 0,8 % С (0,78 ,%, на рис.3), по­этому пластинки феррита в нем намного толще пластинок це­ментита. В результате этого пластинчатый перлит имеет значи­тельно более высокую пластичность и ударную вязкость, чем

                          Рис. 3. Диаграмма состояния сплавов Железо –Углерод, Fe—С, с нанесенными на нее линиями изоактивности углерода.
    Ми — кривая начала мартенситного превращения.

     Существует также так называемый зернистый перлит, получаемый специальной термо­обработкой. Он еще более пластичен и вязок. Чугуны с такой структурой перлита (за рубежом называются «армастил») ис­пользуют для ударопрочных деталей.
    По структуре зернистый перлит и сотовидный ледебурит яв­ляются антиподами. В зернистом перлите твердая и хрупкая фаза — цементит — образует не сплошную, хрупкую матрицу, а изолированные островки. При этом соблюдается так называе­мый принцип Шарпи — Бочвара, согласно которому такая ост­ровковая структура в большинстве сплавов оптимальна.
    На диаграмме Fe—С область левее точек Е и Е' относится к сталям, правее — к чугунам. Так как абсциссы этих точек
    Величину Sc следует называть «степенью насыщенности» (Sattignngsgrad). В нижней части рис. 3 приведены шкалы
    Sa и Sс
    Представленные выше данные (за исключением точек E' и С' диаграммы Fe — С) относятся к системе Fe — FезС, т. е. к бе­лым чугунам. Однако в чугунах вместо цементита может обра­зовываться графит (Г на рис. 3) —вещество, хотя и хрупкое, но очень мягкое, служащее хорошей твердой смазкой при тре­нии скольжения, при обработке металла резанием.
    Процесс выделения графита в чугунах обусловлен неста­бильностью (метастабильностью) карбида FезС при атмосфер­ном давлении. Процесс называют графитизацией, а такие чугуны графитизированными.

    Они делятся на:
    —        чугуны с пластинчатым графитом (ЧПГ) или серые чугуны (СЧ);
    —        чугуны с хлопьевидным графитом (ЧХГ) или ковкие чу­гуны (КЧ);
    —        высокопрочные чугуны (ВЧ), которые в свою очередь де­лятся на чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) и чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ).


    В серых чугунах пластинки графита, размельчаясь и раз­ветвляясь при ускорении охлаждения затвердевающего металла и, соответственно, роста фронта кристаллизации, иногда свер­тываются в «веточки», и тогда колония эвтектического графита, вырастающая из одного «центра графитизации», имеет вид еще не распустившегося куста. За рубежом такой вид графита по­лучил название «коралловидного».
    ЧХГ и ЧВГ иногда объединяют в одну группу ЧКГ (чугунов с компактным графитом), однако не следует забывать, что в первом случае такой графит образуется во время отжига, а во втором — во время затвердевания.
    Чугуны, содержащие, наряду с эвтектикой аустенит+графит, некоторое количество эвтектики аустенит + цементит (т. е. ледебурит), называются половинчатыми (или «третными»). Они имеют повышенную твердость и плохую обрабатываемость ре­занием и чаще всего рассматриваются как литейный брак, ис­правимый термической обработкой.
    Чем больше пластинчатого графита в сером чугуне и чем крупнее его пластинки, тем ниже механические свойства ме­талла. Считается, что механические свойства хорошо коррели­руют с эвтектичностью чугуна (или со степенью насыщенности Sc). Чем она выше, тем больше графита в сплаве, тем ниже эти свойства. И ковком и высокопрочном чугуне такая корреляция прослеживается значительно слабее, а иногда в ЧШГ и вовсе отсутствует— важнее оказываются такие факторы, как ком­пактность графитных включений, их размер, среднее расстоя­ние между ними.