Краткие теоретические сведения. Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода более 2,14%, называются чугунами

Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода более 2,14 %, называются чугунами. Структура чугуна и его основные свойства зависят как от химического состава, так и от технологического процесса производства и режима термической обработки.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяют на две группы:

1) чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или других карбидов;

2) чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита.

К первой группе относятся белые чугуны. Ко второй группе относятся серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

Белые чугуны

В белых чугунах углерод находится в виде цементита (свободного или в составе ледебурита), поэтому они характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, почти не поддаются механической обработке.

Белые чугуны не применяются для изготовления деталей машин и механизмов, их основная масса идет на переделку в сталь и только часть используется в виде отливок с последующей переделкой на ковкий чугун.

В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся на доэвтектические (содержание углерода от 2,14 до 4,3 %), эвтектические (4,3 % углерода), заэвтектические (содержание углерода более 4,3 %).

Все чугуны в своей структуре содержат эвтектику - ледебурит, которая представляет собой механическую смесь двух составляющих: перлита и цементита.

Структура доэвтектических белых чугунов: перлит+ледебурит+цементит (см. рисунок 5.1).

Рисунок 5.1. Рисунок 5.2.

Структура доэвтектического белого чугуна Структура эвтектического белого чугуна

Свободный перлит представлен в виде больших темных пятен, цементит - в виде крупных светлых участков, ледебурит на фоне светлого цементита имеет темные включения перлита. Эвтектический белый чугун имеет структуру - ледебурит (см. рисунок 5.2). Перлит в структуре имеет вид темных пятен; цементит - светлого фона.

Структура заэвтектического белого чугуна состоит из первичного цементита и ледебурита (см. рисунок 5.3). На микрошлифе крупные светлые полосы представляют собой первичный цементит, а участки с темными вкраплениями - ледебурит.

Рисунок 5.3. Структура заэвтектического белого чугуна

Серые чугуны

В серых чугунах весь углерод или большая часть его находится в свободном состоянии, в виде мельчайших пластинок графита.

Структура серого чугуна состоит из металлической основы и включений графита. По структуре металлической основы серые чугуны делятся на следующие группы:

1) перлитные (см. рисунок 5.4); 2) ферритно-перлитные (см. рисунок 5.5); 3) ферритные (см. рисунок 5.6).

Металлическая основа первой группы чугунов состоит из перлита, а количество связанного углерода равно эвтектоидной концентрации. Такой чугун в отливке обладает наивысшей прочностью и достаточно хорошо обрабатывается резанием.

Рисунок 5.4. Рисунок 5.5. Рисунок 5.6.

Перлитный серый чугун Ферритно-перлитный серый чугун Ферритный серый чугун

Металлическая основа ферритно-перлитных серых чугунов состоит из феррита и перлита, а количество связанного углерода меньше эвтектоидной концентрации. Этот чугун обладает меньшей механической прочностью, но лучше обрабатывается резанием.

Основа ферритных серых чугунов состоит из феррита, а содержание связанного углерода практически равно нулю. Такой чугун обладает пониженными механическими свойствами, но легко обрабатывается резанием.

Таким образом, структуры серых чугунов отличаются от структур сталей наличием свободного графита. Механические свойства графита очень низки, его включения можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушающие целостность металлической основы, и поэтому серые чугуны обладают высокой хрупкостью. Полезное влияние графита состоит в том, что он придает чугуну хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть и малую усадку), хорошую обрабатываемость резанием и повышенные антифрикционные свойства, выполняя роль смазки при трении.

Такие свойства серых чугунов, как твердость и предел прочности при сжатии, зависят от структуры металлической основы. А такие свойства, как пластичность, предел прочности на разрыв, изгиб, кручение зависят от количества, формы и размеров графитных частиц.

На железнодорожном транспорте для изготовления различных деталей подвижного состава широко применяют серые чугуны марок СЧ15, СЧ18, СЧ21, СЧ24, СЧ25. Серые чугуны применяют для изготовления деталей цилиндровой группы тепловозных дизелей.

Ковкие чугуны

Ковкие чугуны получают отжигом отливок из белого доэвтектического чугуна. В результате длительной выдержки при высокой температуре цементит белого чугуна частично или полностью распадается с образованием углерода отжига, находящегося в структуре в виде частиц хлопьевидной формы на фоне металлической основы (см. рисунок 5.7). В зависимости от технологического режима получения ковкого чугуна структура металлической основы может быть ферритная, ферритно-перлитная и перлитная.

Рисунок 5.7. Ковкий чугун с ферритной основой Рисунок 5.8. Высокопрочный чугун

При отжиге изделий из белого чугуна в нейтральной атмосфере можно добиться полного разложения цементита, находящегося в белом чугуне, и получить структуру ковкого чугуна, состоящую из феррита и графита, расположенного в виде отдельных хлопьевидных включений. Отжиг изделий можно произвести без разложения цементита, входящего в перлит, или с частичным его разложением, тогда структура металлической основы ковкого чугуна будет состоять из перлита или феррита.

Наиболее распространены в машиностроении ферритные ковкие чугуны, которые, хотя и менее прочны по сравнению с перлитными, зато более пластичные и способны выдерживать ударные нагрузки.

Из ковких чугунов изготавливают головки и наконечники соединительных рукавов воздушной тормозной магистрали и крышки букс локомотивов и вагонов, чугуны марок КЧ37-12, КЧ35-10 используются для изготовления деталей, эксплуатирующихся при высоких динамических и статических нагрузках, из чугунов марок КЧ50-5, КЧ55-4 изготавливают детали, обладающие высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами.

Высокопрочные чугуны

Высокопрочный чугун получают модифицированием магнием, который вводится в жидкий чугун перед его разливкой в количестве около 0,5 % от веса чугуна. При этом графит выпадает в виде частиц округлой шаровидной формы (см. рисунок 5.8), от чего повышается пластичность и прочность чугуна.

Шаровидные графитные включения почти не нарушают сплошность металлической основы, не создают в ней надрезов и концентраторов внутренних напряжений. Такой чугун применяют для изготовления ответственных деталей.

Высокая прочность и пластичность высокопрочных чугунов позволяют использовать их для изготовления коленчатых валов тепловозных дизелей и других деталей, работающих в узлах трения при повышенных нагрузках.