ГЛАВА IX. ЧУГУН

Сплав железа с углеродом называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна (см. рис. 87) обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие чугуны: серый, высокопрочный и ковкий (см. рис. 101 и 102).

1. СЕРЫЙ И БЕЛЫЙ ЧУГУНЫ

Серый чугун (технический) представляет собой, по существу, сплав содержащий в качестве постоянных примесей и . В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок (см. рис. 88). Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие . Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) должно быть не менее .

Кремний, содержание которого в серых чугунах находится в пределах оказывает большое влияние на строение, а следовательно, и на свойства чугунов, поэтому при изучении структурообразования в техническом чугуне нужно пользоваться не диаграммой состояния а тройной диаграммой

Рис. 99. Диаграмма состояния жидкая фаэа; А — аустенит; Г - графит

Разрез тройной диаграммы состояния для постоянного содержания кремния показан на рис. 99. В отличие от стабильной диаграммы (см. рис. 87) в системе перитектическое эвтектическое и эвтектоидное превращения протекают не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур.

Величинатемпературного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от содержания кремния. Чем больше содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур.

Охлаждение чугуна в реальных условиях вносит существенные отклонения от условий равновесия. Структура чугуна в отливках зависит в первую очередь от химического состава (содержания углерода и кремния) и скорости кристаллизации.

Кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния, а с другой — скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна. Структурная диаграмма для чугунов, показывающая, какой должна быть структура в отливке с толщиной стенки 50 мм, в зависимости от

Рис. 100. Структурные диаграммы для чугунов: а — влияние С и на структуру чугуна; б — влияние скорости охлаждения (толщины отливки) и суммы на структуру чугуна; белые чугуны; — серые чугувы

Рис. 101. Структура чугуна, а — белый чугун; б - перлитный серый чугун; в — ферритно-перлитный серый чугун; ферритный серый чугун

содержания в чугуне кремния и углерода показана на рис. 100, а. При данном содержании углерода, чем больше в чугуне кремния, тем полнее протекает графитизация. Чем больше в чугуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры.

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают:

1. Белый чугун (рис. в котором весь углерод находится в виде цементита Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит (рис. 100, а, I и 101, а).

2. Половинчатый чугун (рис. большая часть углерода находится в виде Структура такого чугуна —1 перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

3. Перлитный серый чугун (рис. 100, а, III) структура чугуна (рис. 101, б) — перлит и пластинчатый графит. В этом чугуне 0,7-0,8 % С находится в виде входящего в состав перлита.

4. Ферритно-перлитный (рис. 100, а, IV) серый чугун. Структура такого чугуна (рис. 101, в) — перлит, феррит и пластинчатый графит (составы см. на рис. 100, а, III). В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1 %.

5. Ферритный серый чугун (рис. 100, а, V). Структура (рис. 101, г) — феррит и пластинчатый графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита.

При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация (рис. 100, б).

Следовательно, содержание кремния надо увеличивать в отливке небольшого сечения, охлаждающейся ускоренно, или в чугуне с меньшим содержанием углерода. В толстых сечениях отливок, охлаждающихся медленнее, графитизация протекает полнее и содержание кремния может быть меньше. Количество марганца в чугуне не превышает Марганец препятствует графитизации, т. е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию — появлению, особенно в поверхностных слоях, структуры белого или половинчатого чугуна. Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна. Поэтому ее содержание ограничивают до 0,1-0,2%. В сером чугуне сера образует сульфиды или их твердые растворы

Содержание фосфора в сером чугуне чаще но иногда допускается даже до При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики: в серых чугунах — двойной аустенит), а в белых — тройной аустенит). Эвтектика улучшает литейные свойства чугуна.

Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей. Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры. В этом случае механические свойства будут зависеть от количества, величины и характера распределений включений графита.

Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна. Чугун с большим количеством прямолинейных крупных графитных выделений, разделяющих его металлическую основу, имеет грубозернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими

и завихренными графитными выделениями обладает более высокими свойствами.

Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, временное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю Графитные включения мало влияют на снижение предела прочности при сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные деформации и разрушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его структуры в 3—5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее значительно, чем при растяжении, снижают прочность и при изгибе, так как часть изделия испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между пределом прочности на растяжение и на сжатие. Твердость чугуна

Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным к всевозможным концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т. д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхностью и сложной формы с надрезами или с плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой.

Металлическая основа в сером чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру (см. рис. 100, б). Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный серый чугун.

Серый чугун маркируется буквами С — серый и Ч — чугун После букв следуют цифры, указывающие минимальное значение временного сопротивления

Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие группы.

Ферршпные и ферритно-перлитные чугуны имеют временное сопротивление предел прочности при изгибе Их примерный состав: Структура чугунов — перлит, феррит и графит чаще в виде крупных выделений

Эти чугуны применяют для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10—30 мм. Так, чугун используют для строительных колонн, фундаментных плит, а чугуны и — для литых малонагруженных деталей сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей и тракторов, арматуры и т. д.

Перлитные чугуны применяют для ответственных отливок (станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений, компрессоров, арматуры, дизельных цилиндров, блоков двигателей, деталей металлургического оборудования и т. д.) с толщиной стенки до 60—100 мм. Структура этих чугунов — мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями. К перлитным относятся так называемые сталистые и модифицированные чугуны.

При выплавке сталистых чугунов в шихту добавляют стального лома; чугуны имеют пониженное содержание углерода, что обеспечивает получение более дисперсной перлитной основы с меньшим количеством графитных включений. Примерный состав:

Содержание кремния в этих чугунах должно быть достаточным для предотвращения отбеливания чугуна.

Модифицированные чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок— модификаторов (графит, ферросилиций, силико-кальций в количестве Модифицирование применяют для получения в чугунных отливках с различной толщиной стенок перлитной металлической основы с вкраплением небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины.

Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий сравнительно небольшое количество кремния и повышенное количество марганца и имеющий без введения модификатора структуру половинчатого чугуна, т. е. ледебурит, перлит и графит. Примерный химический состав чугуна:

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500-600 °С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при температуре отжига составляет Охлаждение после отжига медленное, вместе о печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние напряжения снижаются на Иногда Для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна - выдержку их на складе в течение 6—10 месяцев; такая выдержка снижает напряжения на 40-50 %.

Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Эти чугуны должны обеспечивать низкое трение (малый коэффициент трения), т. е. антифрикционность. Антифрикционные свойства чугуна определяются соотношением перлита и феррита в основе, а также количеством и формой графита. Антифрикционные чугуны изготовляют следующих марок:

Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготовляют из перлитных серых чугунов для работы в паре с термически необработанными валами применяют перлитно-ферритный чугун

Перлитный чугун, содержащий повышенное количество фосфора используют для изготовления поршневых колец. Высокая износостойкость колец обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерйо распределенной фосфидной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.