Теоретическая часть. Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие углерода от 2,14% до 6,67%

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие углерода от 2,14% до 6,67%. В состав чугунов входят также Si (1,2-3,5%), Mn (0,5-1,4%), S (0,05-0,2%), P (0,05-0,08%). В машиностроении чугун является одним из основных материалов, что объясняется его хорошими литейными и прочностными свойствами. Он не подвергается обработке давлением.

Особенностью чугунов является возможность существования 2-х высокоуглеродистых фаз: графита (Г) и цементита (Ц).

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

Белый чугун – весь углерод находится в связанном состоянии в виде Ц;

Серый чугун – углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого Г;

Высокопрочный чугун – углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного Г;

Ковкий чугун – углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного Г.

Согласно диаграмме Fe-Fe₃С (рис.1), белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Рис.1. Диаграмма состояния железо-цементит.

Доэвтектический белый чугун содержит до 4,3% углерода, его структура состоит из ледебурита (Л), перлита (П), цементита вторичного (Ц_II).

Эвтектический белый чугун содержит 4,3% углерода, его структура –Л.

Заэвтектический белый чугун содержит более 4,3% углерода, его структура состоит из Л и Ц_II.

Белые чугуны из-за присутствия в них большого количества Ц твёрдые (НВ 450-500), хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Ограниченное применение имеют и отбелённые чугуны. Из них изготавливают: тормозные колодки, прокатные замки, лемехи плугов и др. детали, работающие в условиях износа.

Белые доэвтектические чугуны подвергают отжигу (рис.2), в результате которого происходит распад Ц с образованием хлопьевидного Г. Чугун наряду с высокой прочностью приобретает и удовлетворительную пластичность. Образующийся чугун называется ковким.

Рис.2. График отжига белого доэвтектического чугуна на ковкий.

Исходная структура доэвтектического чугуна состоит из П, Л и Ц_II. Структура металлической основы чугуна зависит от режима охлаждения. Если после завершения графитизации провести охлаждение сразу до низких температур, то структура чугуна будет состоять из П и Г. Такой чугун называют перлитным ковким чугуном.

Медленное охлаждение можно заменить изотерической выдержкой при t=720⁰С, в результате которой происходит распад Ц, входящего в состав П, на Ф и Г. Такой режим называют второй стадией отжига. Структура чугуна после двухстадийного отжига состоит из Ф и Г, а чугун называют ферритным ковким чугуном. Если вторую стадию отжига сохранить, то часть Ц, входящего в состав П, не распадается и структура чугуна будет состоять из П, Ф и Г – такой чугун называют феррито-перлитным ковким чугуном; чем короче вторая стадия отжига, тем больше в структуре содержится П. Ферритный ковкий чугун характеризуется большей пластичностью, но меньшей прочностью, чем перлитный чугун. Ковкий чугун со структурой зернистого перлита обладает большей прочностью на разрыв, сравнительно хорошей пластичностью, хорошей обрабатываемостью резанием.

Согласно ГОСТа 1215-79 имеются следующие марки ковкого чугуна: ферритные и ферритно-перлитные; КЧ30-6, КЧ33-10, КЧ37-12; перлитные: КЧ50-5, КЧ60-3, КЧ70-2, КЧ45-7. (где 1-ая цифра – временное сопротивление разрыва в кгс/мм²; 2-ая цифра – относительное удлинение в %)

Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельском хозяйстве, автомобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоностроении. Из них изготавливают башмаки, коробки, муфты, фланцы, картеры, тормозные колодки и др. детали.

Серым чугуном называется чугун с пластинчатой формой Г. Содержание углерода в серых чугунах колеблется в пределах 2,2-3,7%. Чем выше концентрация углерода, тем больше выделений Г в чугуне и тем ниже его механические свойства.

Серый чугун, как и белый, получается непосредственно при отливке. Для его получения следует увеличивать в расплаве количество углерода с 2,14-2,8% до 2,4-3,8% и кремния с 0,8-1,4% до 1,0-3,0%. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют графитизирующими добавками. Металлическая основа серых чугунов формируется из А при эвтектоидном распаде. Различают ферритные, феррито-перлитные и перлитные чугуны. Серый чугун характеризуется низкой прочностью и низкой пластичностью. Согласно ГОСТа 1412-85 предусматриваются следующие марки чугунов: СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45. (цифры после букв обозначают минимальное значение временного сопротивления при разрыве)

Из серых чугунов изготавливают крышки, корпуса редукторов, станины станков, зубчатые колеса, корпуса насосов компрессоров и др. детали.

Чугун, у которого Г имеет шаровидную глобулярную форму называют высокопрочным чугуном. Высокопрочный чугун получают модифицированием перед разливкой жидкого серого чугуна магнием в количестве 0,01-1,0% к весу металла или цезием в количестве 0,03-0,08%. Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0-3,6% углерода, 1,1-2,9% кремния, 0,3-0,7 марганца, 0,02% серы, 0,1% фосфора.

По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным (допускается до 20% П) и перлитным (допускается до 20% Ф).

Шаровидные включения Г меньше снижают механические свойства металлической основы. Металлическая основа является доминирующим фактором, определяющим величину ударной вязкости. Чем больше Ф и мельче П, тем выше ударная вязкость. Предел прочности увеличивается перлитной составляющей, но ферритный чугун обладает меньшей чувствительностью к надрезам.

Согласно ГОСТа 7293-85 высокопрочный чугун маркируется ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ80, ВЧ 100. (где цифры после букв обозначают минимальное значение временного сопротивления при разрыве)

Высокопрочный чугун эффективно заменяет сталь, из него изготавливают: прокатные валки, лопатки турбин, коленчатые валы, поршни, ступицы, корпуса вентилей и т. д.