Свойства и применение чугунов

Лекция 6.

6 .1. Разновидности чугунов.

Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14%С, называются чугунами.

В отличие от стали чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Их технологические свойства обусловлены наличием эвтектики в структуре.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20% всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья. В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0% С. Кроме углерода обязательно присутствуют примеси S, P, Mn, Si, причем в значительно большем количестве, чем в стали.

В зависимости от формы выделения углерода различают следующие виды чугунов.

1. Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C. Чугун в изломе имеет белый цвет и характерный блеск.

2. Половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

3. Серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии в виде цементита составляет не более 0,8%.

4. Чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при литье их в металлические формы. По мере удаления от поверхности вследствие уменьшения скорости охлаждения структура белого чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используются для деталей с высокой износостойкостью, для валков прокатных станов, вагонных колес с отбеленным ободом, лемехи плугов с отбеленным носком и лезвием.

5. Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму.

6. Ковкие чугуны, в которых углерод находится в виде хлопьевидного графита, получаются из белых чугунов путем отжига.

6.2 Процесс графитизации чугунов. Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждения сплавов железа с углеродом. Графит может образовываться как из жидкой фазы при затвердевании чугуна, так и из твердой. Образование графита иллюстрирует диаграмма состояния Fe-C. Ниже линии C^’D’ образуется первичный графит, по линии Е’С’F’ – эвтектический графит и по линии P’S’K’ – эвтектоидный графит.

Графитизация чугуна зависит от ряда факторов. К ним относятся присутствие в чугуне центров графитизации, скорость охлаждения и химический состав чугуна.

Образование графита в затвердевшем чугуне энергетически маловероятно, так как рост свободной энергии при образовании новой межфазной поверхности больше, чем ее уменьшение при кристаллизации. Работа образования зародышей графита облегчается при наличии центров графитизации – различных мельчайших включений и примесей, взвешенных в жидкой фазе и аустените. Такие мельчайшие частицы могут состоять из оксидов Al₂O₃, SiO₂, нитридов типа AlN или представлять собой нерастворившиеся частицы

графита. Параметры кристаллической решетки центров графитизации должны быть близки к параметрам кристаллической решетки графита.

Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна является диффузионным процессом и протекает медленно. Значительная длительность процесса графитизации обусловлена необходимостью реализации нескольких стадий: образование центров графитизации в жидкой фазе или аустените, диффузии атомов углерода к центрам графитизации и роста выделений графита. При графитизации цементита добавляется необходимость предварительного распада цементита и растворения углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

В одной и той же отливке чугун может иметь различную структуру. В тонких частях отливки, где выше скорость кристаллизации и охлаждения, чугун имеет меньшую степень графитизации, чем в массивных. -2-

Быстрое охлаждение способствует получению белого чугуна, медленное – серого чугуна. В некоторых случаях для достижения высокой твердости и сопротивления износу специально получают отбеленную зону в чугунной отливке.

Из примесей, входящих в состав чугуна, наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Содержание кремния в чугуне может состовлять от 0,5 до 4-5%. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны, совершенно различные по структуре и свойствам. По приведенной на рис. 2 диаграмме можно прогнозировать структуру в зависимости от содержания углерода и кремния, а также толщины отливки.

Из других элементов, входящих в состав чугуна, наиболее важную роль играют марганец, сера и фосфор. Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Содержание марганца в чугуне обычно не превышает 0,5-1,0%.

Рис. 2. Структурные диаграммы для чугунов:

а – влияние содержания углерода и кремния на структуру чугуна при толщине стенки отливки 50 мм; б – влияние скорости охлаждения (толщины стенки отливки) и суммы С + Si на структуру чугуна; I – белые; II – серые перлитные; III – серые ферритные чугуны

Сера – вредная примесь в чугуне. Ее отбеливающее влияние в 5-6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин.

Роль примеси фосфора в чугуне существенно отличается от действия, которое он оказывает в стали. Хотя фосфор почти не влияет на графитизацию, он является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980ºC) фосфидной эвтектики.

Обычно используют чугуны следующего химического состава,%: 3,0-3,7 С,

1-3 Si, 0,5-1,0 Mn, менее 0,3 Р и 0,15 S. Иногда в чугун вводят легирующие элементы (Ni, Cr и другие), улучшая его свойства.

Таким образом, основными факторами, определяющими степень графитизации чугуна, является содержание углерода, кремния и скорость охлаждения. Регулируя химический состав и скорость охлаждения в соответствии с диаграммой на рис.2,б, можно получить в отливке нужную структуру чугуна.

6 .3. Микроструктура и свойства чугуна. Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и графитных включений. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера включений графита. Металлическая основа может быть перлитной, когда 0,8% С находится в виде цементита, а остальной углерод – в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8%, и ферритной. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Графит чугуна бывает пластинчатым (серый чугун), хлопьевидным (ковкий чугун) и шаровидным (высокопрочный чугун). На рис.3 обобщена классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита.

Рис. 3. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитных включений (схемы структур)

Микроструктура чугунов показана на рис.4-7. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому места его залегания можно считать нарушениями

сплошности. Таким образом, чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Поэтому серый чугун имеет низкие характеристики механических свойств (σ_В, δ,Ψ) при испытаниях на растяжение.

Рис. 4 Различные формы графита в чугуне:

а – пластинчатый (серый чугун); б – хлопьевидный (ковкий чугун); в – шаровидный (высокопрочный чугун)

Рис. 5. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а); ферритно-перлитной (б) и перлитной (в) основах

Включения графита играют роль концентраторов напряжений, поэтому работа удара близка

к нулю. Вместе с тем твердость и прочность при испытаниях на сжатие, зависящие от свойств металлической основы, у чугуна достаточно высоки.

Однако серый чугун с пластинчатой формой графита имеет ряд преимуществ. Он позволяет получать дешевое литье, так как при низкой стоимости обладает хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Включения графита делают стружку ломкой, поэтому чугун легко обрабатываются резанием. Благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами. Чугун имеет высокие демпфирующие свойства, он хорошо гасит вибрации и резонансные колебания.

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение. Марки и механические свойства серых чугунов, а также их ориентировочный химический состав приведены в табл.1.

Рис. 7. Микроструктура ковких чугунов на ферритной (а); ферритно-перлитной (б) и перлитной (в) основах.

По мере округления графитных включений их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается, и механические свойства чугунов растут. Округленная форма графита достигается модифицированием. Модификатором служат SiCa, FeSi, Al, Mg.

При использовании в качестве модификатора магния, вводимого перед разливкой в количестве 0,5%, получают высокопрочный чугун с шаровидной формой включений графита. Действие магния объясняют увеличением поверхностного натяжения графита и образованием микропузырьков пара, в которые диффундирует углерод.

Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, характеризующими величину временного сопротивления, например ВЧ 35. Механические свойства некоторых высокопрочных чугунов приведены в табл.2.

Таблица 2

Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали: зубчатые колеса, коленчатые валы.

Название ковкие чугуны условно, изделия из них получают литьем, и пластической деформации они не подвергаются. Ковкий чугун получают из белого путем графитизирующего отжига (рис.8).

Рис. 8. Микроструктура высокопрочных чугунов на ферритной (а) и ферритно-перлитной (б) основах.

Графит в ковком чугуне имеет форму хлопьев. Состав ковкого чугуна, %, довольно стабилен: 2,2 –3,0С; 0,7-1,5Si, 0.2-0.6 Mn, 0.2 P, 0.1 S. Из-за низкого содержания углерода ковкий чугун обычно выплавляют в электропечах. После заполнения форм отливки быстро охлаждают и получают структуру белого чугуна.

Затем отливки подвергают длительному отжигу (до 2 суток) – томлению (рис. 9) предохраняя их от окисления печными газами засыпкой песком и др.

Рис. 9 Схема отжига белого чугуна на ковкий чугун.

В результате отжига структура состоит из зерен феррита и перлита и хлопьев графита. Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами временного сопротивления и относительного удлинения, например, КЧ 35-10.

В табл.3 приведены марки, механические свойства и химический состав некоторых ковких чугунов. Отливки из ковких чугунов применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (картеры, редукторы, фланцы, муфты).

6.4. Легированные чугуны. В промышленности широко применяют легированные чугуны, которые обладают повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью.

Жаростойкость серых чугунов может быть повышена легированием кремнием (ЧС5) и хромом (ЧХ28). В качестве жаропрочных используют аустенитные чугуны с шаровидным графитом (ЧН19Х3Ш). Для

повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу при 1020-1050ºC с охлаждением на воздухе и последующему отпуску при 550-600ºC.

В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ЧС13) и хромом (ЧХ22).

Буквы в обозначении марок антифрикционных чугунов означают: АЧ –; С – серый чугун;

В- высокопрочный чугун; К- ковкий чугун, например, АЧС-1. Твердость отливок из антифрикционных чугунов (100-290 НВ) зависит от содержания легирующих элементов и условий термообработки.