Теоретическое введение. По химическому составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода и постоянных примесей – кремния и марганца

По химическому составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода и постоянных примесей – кремния и марганца. Он широко применяется в качестве литейного материала. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь. Однако его технологические свойства (литейные, способность графита приобретать различную форму, в зависимости от условий кристаллизации, способность приобретать различную структуру, в условиях различного охлаждения, хорошая обрабатываемость, высокая износостойчивость, антифрикционные свойства делают чугун конструкционным материалом с уникальным комплексом свойств, пригодным для использования в различных областях техники. При определенных условиях разливки и дополнительной термообработки механические свойства чугуна приближаются к механическим свойствам стали. Поэтому чугун, особенно высокопрочный, является одним из перспективных современных конструкционных материалов.

Классификация чугунов Химический состав и, в частности, содержание углерода не характеризуют надежно свойств чугуна. Его свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки и режима термической обработки. Свойства чугуна определяются его структурой. В зависимости от того в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы:

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

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

Первой группе чугунов относятся белые чугуны. излом такого чугуна будет белый, блестящий. Белые чугуны очень хрупки и тверды, плохо поддаются механической обработке режущим инструментом. Чисто белые чугуны в качестве конструкционного материала не используются. Они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна.

Структура белых чугунов соответствует диаграмме равновесного состояния «железо -цементит» образуется она в результате ускоренного охлаждения железоуглеродистых сплавов содержащих более 2, 14% С при литье. По структуре белые чугуны делятся на:

- доэвтектические, содержащие от 2, 14 до 4, 3% углерода Структура состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

- эвтектический, содержащий 4, 3% углерода. Структура состоит из ледебурита;

- заэвтектические, содержащие от 4, 3 до 6, 67% углерода. Структура состоит из первичного цементита и ледебурита. Структура чугунов отличается от структуры стали наличием ледебурита или первичного цементита и ледебурита.

Ко второй группе чугунов относятся серые, ковкие и высокопрочные чугуны. Излом этих чугунов серый или матовый. В их структуре различают металлическую основу (металлическую матрицу) и форму выделений графита. Отличаются они друг от друга только формой выделений графита. В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок графита; в высокопрочных – в виде шаров; в ковких - в виде хлопьев.

По металлической основе (структуре) все чугуны классифицируются на:

- ферритные - структурой феррита и графита. Количество связанного углерода С_связ ≤ 0, 025%;

- феррито - перлитные со структурой феррита, перлита и графита. Количество связанного углерода С_связ от 0, 025 до 0, 8%;

- перлитные со структурой перлита и графита. Количество связанного углерода С_связ= 0, 8%.

Структура чугунов второй группы отличается от струтуры стали только наличием свободного графита.

Получение углерода в свободном или связанном состоянии зависит от процессов графитизации т.е. условий образования графита. На процесс графитизации чугуна существенное влияние оказывают скорость охлаждения, количество примесей, легирующих элементов и центров кристаллизации – модификаторов (рисунок 4.1). Увеличение скорости охлаждения способствует выделению углерода в связанном состоянии в виде цементита.

І – белые чугуны; ІІ - серые перлитные чугуны; ІІІ – серые ферритные чугуны

Рисунок 4.1 – Влияние скорости охлаждения и суммарного содержания кремния и углерода в чугуне на его структуру

По этому при одном и том же составе чугуна по сечению изделия может иметь разную структуру. На поверхности отливки, где скорость охлаждения велика можно получать структуру белого чугуна, а внутри, в зависимости от толщины отливки – структуру чугуна с различной степенью графитизации.

Все элементы, вводимые в чугун, в зависимости от их влияния, делятся на две группы. Препятствующие графитизации (Mn, Cr, W, S, O₂ и др.), которые способствуют получению легированного цементита и других специальных карбидов и препятствуют распаду при высоких температурах, и на графитообразующие элементы.

Способствующие получению углерода в свободном состоянии в виде графита (Si, C, Al, Ni, Cu и др.)

Примеси Mn, Si, S, Р, присутствующие в чугуне, главным образом влияют на условия графитизации, а следовательно на структуру и свойства чугуна.

Следовательно, чтобы избежать отбела чугуна, детали тонкого сечения отливают из чугуна с повышенным содержанием графитообразующих элементов (Si, C, Ni). Для отливки деталей крупного сечения можно применять чугун с меньшим содержанием этих элементов.

Величина и форма выделившихся графитовых включений зависит от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации. Центрами кристаллизации могут быть мельчайшие частички окислов Al₂O₃, СаО, SiО, MgO и др. Воздействие на процесс графитизации с помощью образования дополнительных центров кристаллизации называется модифицированием, а элементы модификаторами. Модификаторы вводятся в расплав перед разливкой. Таким образом можно не только измельчать графитовые включения, но также изменять форму образующегося графита, вместо пластинчатого графита, получать вермикулярный или шаровидный графит.

Свойства серых, высокопрочных и ковких чугунов. Свойства чугунов зависят от свойств металлической основы и и характера распределения графитовых включений.

Свойства металлической основы, как и у стали зависят от структуры. С увеличением количества перлита твердость и прочность на разрыв будут увеличиваться. Графит, обладает низкими механическими свойствами, поэтому включения графита в чугуне можно рассматривать как пустоты различной формы, нарушающие цельность металлической основы. Такие свойства чугуна, как предел прочности при растяжении, изгибе, кручение, а также пластичность во многом зависят от количества, размеров и формы графитовых включений, и чем грубее включения, тем ниже механические свойства чугуна. Особенно низкими свойствами обладает чугун у которого включения образуют замкнутый скелет.

По мере округления графитовых включений, перечисленные ранее свойства чугуна возрастают, приближаясь к свойствам стали. Поэтому чугун с шаровидным графитом получил название высокопрочного. Для улучшения свойств высокопрочного чугуна применяется та же термообработка, что и для стали. Термообработка для чугуна с пластинчатым графитом практически не применяется.

Серые чугуны. Пластинчатые включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины и надрезы, создающие большие концентрации напряжений в металлической матрице. Поэтому свойства этих чугунов сильно отличаются от свойств стали. Микроструктура серых чугунов зависит от степени графитизации. Если количество связанного углерода будет составлять больше одного процента, то такой чугун называется половинчатым. Его структура состоит из ледебурита, перлита и графита.

Серые чугуны по ГОСТ 1412 маркируются буквами СЧ. Первые две цифры указывают среднее значение предела прочности на растяжение в кг∕ мм². Марки серых чугунов СЧ 00, СЧ10, СЧ15, … СЧ40, СЧ45.

Высокопрочные чугуны получаются из перлитного серого чугуна двойным модифицированием добавкой в расплав чугуна перед разливкой магния в количестве от 0, 03 до 0, 08% от веса чугуна и ферросилиция до 1%.

Магний способствует получению графита шаровидной формы (в виде глобулей), кроме того магний совместно с кремнием повышают прочность металлической основы, измельчая строение ферритно - цементитной смеси.

Высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293 маркируются буквами ВЧ. Первые две цифры указывают среднее значение предела прочности на растяжение в кг∕ мм². Марки высокопрочных чугунов ВЧ 40, ВЧ45, ВЧ50 и др.

Ковкие чугуны получаются путем специального графитизирующего отжига белых доэвтектоидных чугунов, содержащих от 2, 2 до 3, 2 % С (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 – График получения ковких чугунов

Рисунок 4.2 График получения ковких чугунов

Для получения ковкого чугуна необходимо отливки из малоуглеродистого белого чугуна, содержащего не более 2, 8% углерода медленно нагревать в течение 20-25 часов в нейтральной среде до температуры 975 ± 25°С и при этой температуре произвести выдержку в течение 15 час. (первая стадия графитизации) и затем медленно охлаждать до температуры, немного ниже эвтектоидного превращения (700 -740°С и в течение 30 час.) выдерживать при данной температуре (вторая стадия графитизации), далее охлаждение на воздухе.

Структура после окончательной обработки состоит из феррита и хлопьевидного графита. Продолжительность цикла составляет от 70 до 80 часов. Желательно, чтобы содержание углерода и кремния в ковком чугуне было минимальным: от 2, 4 до 3, 0% С и от 0, 8 до 1, 4% Si, т.к. после отжига увеличивается количество свободного графита и ухудшаются его свойства.

Ковкие чугуны по ГОСТ 1215 маркируются буквами КЧ. Первые две цифры указывают значение предела прочности на растяжение в кг∕ мм². Марки ковких чугунов КЧ30, КЧ50, КЧ70, и т.д. По виду матрицы, ковкие чугуны подразделяются на ферритные, феррито - перлитные и перлитные. Отливки из ковкого чугуна хорошо сопротивляются ударным и вибрационным нагрузкам, хорошо обрабатываются резанием, обладают удовлетворительной вязкостью.