Структура, свойства и назначение чугуна

Из чугуна можно изготовлять изделия практически любого размера и сложности: от сковородок, до коленчатых валов, великолепных изделий искусства. Из всех литых конструкционных материалов он остается главным. О технологичности чугуна можно судить по данным таблицы 6.

За многие сотни лет до появления стали чугун использовали прежде всего в земледелии (серпы, мотыги), а также в быту и для ритуальных целей. На Востоке в древности из чугуна отливали колокола, огромные скульптуры и мелкие монеты.

Чугуны обладают широким диапазоном свойств и структур. В отличие от стали они обладают высокими литейными свойствами и низкой способностью к пластической деформации. Их технологические свойства зависят от структурных составляющих.

Таблица 6

Технологические свойства литых сплавов

Структура чугуна может быть из смеси феррита (Ф) – твердого раствора углерода в железе, цементита (Ц) – химического соединения железа и углерода, перлита (П) – механической смеси цементита (Ц) и феррита (Ф), а также графита (Гр). Причем в перлите всегда содержится 0,8 % углерода. Особенность чугуна и заключается в том, что углерод в нем может находиться в различном состоянии: в свободном (С_гр), образуя включения графита, залегающего в металлической основе; в химическом связанном (С_св) – в виде зерен цементита. В структуру чугуна может одновременно входить как графит, так и цементит в различном соотношении.

В зависимости от состояния углерода различают белые, серые и половинчатые чугуны. В табл. 7 приведена характеристика чугунов с различной степенью графитизации, из которой также видно, что для деталей ответственного назначения наилучшим является перлитный: он занимает среди других чугунов первое место по прочности и вязкости и среднее – по твердости. Кроме того, такой чугун обладает повышенными износостойкостью и термической выносливостью, что делает его наиболее приемлемым конструкционным материалом машиностроения. Форма графитных включений может быть различной: пластинчатая, точечная, хлопьевидная, шаровидная, стручкообразная (вермикулярная).

Таблица 7

Распределение чугунов по их структуре и свойствам

Белый чугун твердый, хрупкий, износостойкий, поэтому его используют, в основном, как полуфабрикат для производства ковкого чугуна, а также для деталей, работающих на износ (прокатные валки, тормозные колодки, рабочие органы дробилок и мельниц) и подвергающихся воздействию высоких температур (колосники, футеровки классификаторов и т. п.).

Большинство отливок производится из серого чугуна – конструкционного материала для производства деталей машин. Структура серого чугуна – это металлическая основа, аналогичная стальной, в которой залегают неметаллические графитные зерна, резко ее ослабляющие. Поэтому иногда говорят, что чугун – это «сталь, испорченная графитом». Но графит в чугуне, хотя и снижает его механические свойства, зато придает сплаву ряд иных, весьма важных характеристик (например, более высокие технологические свойства).

В ковком чугуне графит находится в хлопьевидной форме. Название ковких чугунов условное, т.к. изделия из них получают литьем, и пластической деформации они не подвергаются. Такой чугун получают из белого при специальной термической обработке (отжиге). Отливки из ковких чугунов применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (картеры, редукторов, фланцы, муфты).

Структура и свойства чугуна определяются не только химическим составом, но и скоростью охлаждения отливки. Заливая чугун одного и того же состава в формы с различной скоростью охлаждения, можно получать разные по структуре чугуны.

Pig-iron (англ.), Sohweineeisen (нем.) – “свиное железо”, в русском закрепилось слово “чушка”, обозначающее брусок металла, обычно цветного, отлитого в открытую сверху форму. Первоначально “pig-iron” называли получавшийся одновременно с железной крицей нежелательный хрупкий чугун. Затем чушками начали называть чугунные слитки, которые использовали для переплава на сталь. Из-за хрупкости чугун считали отходом производства и выбрасывали. Позже заметили, что он обладает хорошими литейными свойствам, и из него стали отливать пушки, ядра, архитектурные украшения.

В 1948 - 1949 гг. почти одновременно в США, Англии и СССР был создан новый чугун – высокопрочный с шаровидным графитом. Он имеет большую пластичность, прочность и вязкость, его даже можно ковать почти как сталь. По механическим свойствам значительно превосходит серый чугун.

Отличие химических составов чугуна с шаровидным графитом и серого чугуна с пластинчатым графитом – в ничтожно малом количестве (сотые доли процента) глобуляризующей добавки, обеспечивающей графиту шаровидную форму. Именно потому, что новый материал мало отличается от серого чугуна по строению и составу, его отнесли к чугунам, но к чугунам с особо высокими свойствами. Вначале его даже называли «сверпрочным чугуном».

Высокопрочный чугун превосходит сталь по таким свойствам, как: износостойкость, термическая выносливость (хорошо сопротивляется действию циклических нагревов), теплоустойчивость (сохраняет свойства при повышенных температурах), коррозионностойкость в агрессивных средах.

Каким же образом удается получать вместо обычного хрупкого, малопрочного и непластичного сплава новый конструкционный материал, обладающий технологическими свойствами, приближающимися к характеристикам серого чугуна, по служебным же свойствам превосходящий сталь?

В качестве глобуляризирующей добавки (модификатора) используют, в основном, магний, реже – церий, хотя такими свойствами обладают кальций, литий, иттрий. Большое значение имеет способ ввода магния. Существует большое количество таких способов, предложены сотни глобуляризирующих лигатур. Например, магний вводится в металл, в "стаканчике", прикрепленном к штанге, или прямо в литейную форму.

Из высокопрочного чугуна изготавливают поршни, поршневые кольца, распределительные валы, головки и блоки цилиндров, трубы грузовых систем танкеров и др.

У чугуна с вермикулярным графитом средние между свойствами серого и высокопрочного показатели прочности вязкости, пластичности, но меньше, чем у серого чугуна, склонность к скорости охлаждения, и более высокие, чем у высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, стойкость против термических ударов, теплопроводность, циклическая вязкость, более низкий коэффициент термического расширения. А главное – у него ряд преимуществ перед высокопрочным чугуном с шаровидным графитом по технологическим свойствам.

Чугун с вермиулярным графитом успешно можно применять для деталей сложной конструкции, работающих при повышенных нагрузках, испытывающих большие ударные нагрузки, требующих повышенных износостойкости, демпфирующей способности, термической выносливости. Благодаря хорошим литейным свойствам и обрабатываемости производство деталей из такого чугуна более экономично, чем из чугуна с шаровидным графитом.

Наиболее широкое распространение получили износостойкие чугуны. Износ, т.е. процесс истирания, разрушения поверхности детали при трении о другую поверхность, встречается в большинстве изделий.

Немагнитные чугуны, относящиеся к группе высоколегированных, широко используют в электропромышленности и приборостроении.

Большинство деталей современных машин работает в условиях значительных повторно-переменных нагружений, что требует хорошей выносливости, ибо сплавы, как и человек, устают. Пожалуй, нет сплава, который бы работал в условиях повторно-переменных нагрузок более надежно, чем чугун.

Научившись лить чугунные изделия в песчаных формах в начале XV в., русские мастера раньше других в Европе использовали его для сложных отливок: пушечных ядер, пушек. Впервые в мире отлили пушку невиданной массы – более 65 т (Царь-пушка).

Использовав интересную инженерную находку – специальное водяное охлаждение песчаного стержня, заполнившего полость ствола, они добились почти двойного повышения прочности сплава в наиболее ответственной части пушки. И Царь-пушка при испытании выявила прекрасные свойства, не уступая бронзовым пушкам, которые в то время использовались в мире.

В заключение нельзя не отметить роль чугуна в художественном литье. Начиная с 18 века, он завоевывает внимание архитекторов и скульпторов. Больше всех в мире изготовлением чугунных художественных отливок прославился Урал (г. Касли). В уральских художественных отливках каждый узор, каждая деталь передается искусно и тонко, порой даже не верится, что они сделаны из металлического сплава.

Литые ансамбли Санкт-Петербурга, Москвы, знаменитых усадеб никого не могут оставить равнодушными, так как они отличаются ажурностью, высокой художественностью и прекрасным исполнением.