Чугуны со структурно свободным углеродом

Помимо белых чугунов, в которых весь углерод находится в химически связанном состоянии, существуют чугуны со структурно свободным углеродом, выделяющимися в виде графита различной формы. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, а также высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Вместе с тем, включения графита снижают прочность и пластичность, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условием образования графитовых включений и их формой, что отражается на металлических свойствах отливок.

По форме графита различают серые чугуны с графитовыми частицами в виде пластинок, ковкие чугуны с графитом хлопьевидной формы и высокопрочные чугуны с шаровидными графитом.

В микроструктуре чугунов следует различать металлическую основу и включения графита в ней. Свойства чугунов определяются как структурой металлической основы, так и количеством, и формой графитных включений.

При одинаковой металлической основе наиболее высокими механическими свойствами обладают высокопрочные чугуны, наиболее низкими – серые. Ковкие чугуны занимают промежуточное положение. Это объясняется тем, что пустоты, в которых находятся графитовые частицы, играют роль концентраторов напряжений. Пустоты шаровидной формы (высокопрочный чугун) концентрируют напряжения в меньшей степени, чем пустоты пластинчатой формы. Механические свойства чугунов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Механические свойства чугунов

Структурный состав и свойства чугунов зависят, главным образом, от условий получения отливки (температуры жидкого металла, введения модификаторов и особенно от условий охлаждения при литье).

Серый чугун получил такое название из-за серого цвета излома. Серый цвет излому придает графит, содержащийся в чугуне в свободном состоянии в виде пластинок. Серые чугуны, как и белые, получают непосредственно при отливке.

В зависимости от количества графитизатора (кремния), вводимого в расплав, можно получать три вида серых чугунов, различающихся по структуре: ферритный, перлитный, ферритно-перлитный (рисунок 4).

Ферритные серые чугуны (рисунок 4а) (марки СЧ10, СЧ15; σв=150 МПа) используются для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и т.д.

Ферритно-перлитные серые чугуны (рисунок 4б) (марки СЧ20, СЧ25; σв=250 МПа) применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины станков и другие отливки разного назначения.

Перлитные серые чугуны (рисунок 4в) (марки СЧ40, СЧ45) применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны. Такие чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок – ферросилиция (0,3-0,6 % от массы шихты) или силикокальция (0,3-0,5 % от массы). Обладают более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений (σв=400-450 МПа). Эти марки чугунов применяются для корпусов насосов, компрессоров и гидроприводов.

а) б)

в)

а – ферритный; б - ферритно-перлитный; в – перлитный

Рисунок 4 - Схемы микроструктур серых чугунов

Высокопрочные чугуны получают модифицированием расплава серого чугуна обычно магнием и ферросилицием для получения мелких включений графита шаровидной формы. По структуре высокопрочный чугун может быть ферритным, ферритно-перлитным или перлитным (рисунок 5).

а) б)

в)

а – ферритный; б - ферритно-перлитный; в – перлитный

Рисунок 5 - Схемы микроструктур высокопрочных чугунов

Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют оборудование прокатных станов, кузнечно-прессового оборудования, корпуса паровых турбин, детали тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и другие детали, работающие при циклических нагрузках и в условиях сильного износа.

а)

б) в)

а – ферритный; б - ферритно-перлитный; в – перлитный

Рисунок 6 - Схемы микроструктур ковких чугунов

Ковкий чугун – условное название вязкого и мягкого чугуна (не куется, но достаточно пластичен). Ковкий чугун получают длительным отжигом доэвтектического белого чугуна. При этом цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы. Металлическая основа в ковких чугунах такая же, как и в литейных серых (рисунок 6).

Перлитные ковкие чугуны (КЧ 45-7; КЧ 50-5; КЧ 60-3) более прочные, ферритные – более пластичные. Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном, текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и дизелестроении. Ковкий чугун идет на изготовление деталей высокой прочности, которые подвержены сильному истиранию и ударным знакопеременным нагрузкам.

Серые и высокопрочные чугуны маркируют буквами СЧ и ВЧ соответственно, а также двумя цифрами, обозначающими предел прочности сплава при растяжении, уменьшенный в 10 раз (в МПа). Например, СЧ 35, ВЧ 80. Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и двумя группами цифр, первая из которых указывает значение уменьшенного в 10 раз предела прочности при растяжении (в МПа), а вторая – значение относительного удлинения (в %), например, КЧ 37-12.

Контрольные вопросы

1. Какие железоуглеродистые сплавы относятся к техническому железу, сталям и чугунам?

2. Каковы фазовые и структурные составляющие системы Fe₃-C? Характеристика структурных составляющих.

3. Какая из структур железоуглеродистых сплавов является механической смесью феррита и цементита?

4. Что такое ледебурит?

5. Как классифицируют по структуре стали и чугуны?

6. Какие существуют виды чугунов? В какой форме присутствует в них углерод?

7. Как влияет на свойства серого чугуна форма графитовых включений и структура металлической матрицы?

8. Как получают ковкий и высокопрочный чугун?

9. Как различаются по свойствам серый, ковкий и высокопрочный чугуны?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: