По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами.
Серый чугун малой прочности имеет в основе микроструктуру феррита или феррита и перлита с пластинчатым графитом (рис. 1.42, а). Такой чугун обладает прочностью на растяжение 300 МП а и соответствует маркам до СЧ 30. В марке буквы сокращенно обозначают наименование чугуна, а следующая за ними двухзначная цифра - предел прочности на растяжение.
Серый чугун повышенной прочности имеет перлитную основу и более мелкое, завихренное строение графита. Он соответствует маркам от СЧ 35 до СЧ 40. Прочность этих чугунов обеспечивается легированием и модифицированием чугуна.
Рис. 1.42. Серый чугун. х 500: а - с ферритной основой;
б - с феррито-перлитной; в - с перлитной
Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена, а иногда титана или меди.
Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Модификаторы – ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций и др. - добавляют в количестве 0,1 - 0,3 % от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполнения. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не содержится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводимого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедленно разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования исчезает через 10 - 15 мин.
Высокопрочный чугун. Он имеет ферритную или перлитную структуру (рис. 1.43), является разновидностью серого чугуна, модифицированного щелочными или щелочноземельными металлами, например, магнием. На микрофотографии белые поля- феррит, шаровидные участки – графит, темные поля – перлит.
Одновременно с ним или несколько позже в жидкий чугун вводят ферросилиций. В результате получают мелкие включения графита шаровидной формы (рис. 1.43, б). Этот чугун обладает повышенной прочностью по сравнению с обычными серыми чугунами.
Рис. 1.43. Микроструктура высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, х 250: а - глобулярный графит, х 150; б - перлитный чугун;
в – ферритный чугун
В зависимости от предела прочности (σв) при растяжении и относительного удлинения (δ), выскопрочные чугуны разделяют на следующие марки (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): ВЧ 38 - 17 (140 -170), ВЧ 42 -12 (140 - 200), ВЧ 45 -5 (160 -220) и т.д.
Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых условиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнечно-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др.
Ковкий чугун - условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитно - цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40 - 50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распадается с образованием графита хлопьевидной формы (рис. 1.44).
Рис. 1.44. Ковкий чугун. Х 200: а - с ферритной основой (графитизированный); 6 - феррит и перлит в поверхностном слое
и перлит в сердцевине (обезуглероженный)
В зависимости от структуры металлической основы различают ковкий ферритный чугун и ковкий перлитный чугун. Ферритные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных дуплекс-процессом и содержащих, %: 2,4 – 2,8 С; 0,8 – 1,4 Si; 0,3 – 0,4 Mn; 0,08 - 0,1 S, 0,2 P.
Для защиты от окисления при отжиге отливки из белого чугуна укладывают в специальные металлические ящики и засыпают песком, стальными стружками или шамотом. Отжиг белого чугуна состоит в медленном нагреве (20 - 25 ч) до температуры 950 – 1000 °С и длительной выдержке (10 - 15 ч) при этой температуре. В процессе выдержки происходит первая стадия графитизации, заключающаяся в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита, который в небольшом количестве имеется при этой температуре. К концу выдержки заканчивается первая стадия графитизации и чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига. Затем температуру снижают до 720 – 740 °С и снова выдерживают чугун в течение 25 - 30 ч (рис. 1.44, режим 1). В это время происходит вторая стадия графитизации, в процессе которой распадается цементит перлита. Ферритный ковкий чугун называют также черносердечным по виду излома, который из-за большого количества, графитных включений в ферритной основе имеет темный матовый цвет.
Перлитные ковкие чугуны получают из белых чугунов, выплавленных преимущественно в вагранках. Для уменьшения содержания углерода отжиг выполняют в окислительной среде. Для этого отливки засыпают окалиной или измельченной железной рудой.. Режим отжига состоит в нагреве до температуры примерно 1000 °С, длительной выдержке при этой температуре (первая стадия графитизации) и непрерывном медленном охлаждении до комнатной температуры (рис. 1.45, режим 2). При таком отжиге значительная часть углерода выгорает, а в поверхностном слое глубиной до 1,5—2.0 мм наблюдается полное обезуглероживание. Поэтому в изломе чугун получается светлым, и его называют светлосердечным. Перлитные ковкие чугуны имеют меньшее применение, чем ферритные ковкие чугуны.
Рис. 1.45. Отжиг белого чугуна
Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают временное сопротивление при растяжении, кгс/ мм2, вторые – относительное удлинение (в скобках - значения твердости НВ): КЧ 30-6 (163). КЧ 33-8 (163) и т.д. - ферритные черно-сердечные и КЧ 45-6 (241), КЧ 50-4 (241) и т.д. - перлитные светло-сердечные.
Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйственном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высокой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и ударные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие, как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппаратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механическим свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами исходного белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свойствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.
Чугуны со специальными свойствами используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка кроме прочности должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приведем в качестве примеров следующие.
Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электрических машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.
Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никеле-марганцовистый чугун, а также марганцево-медистый чугун.
Аустенитный - чугун имеет высокие показатели по кислотостойкости, щелочестойкости и жаропрочности. Примерами этих чугунов являются нирезит, содержащий 14 % Ni, 2 % Сr, 7 % Сu и никросилал с 5 % Si, 18 % Ni, 2 % Сr и др.
Жаростойкий чугун - чугаль содержит 20 – 25 % А1.
Материаловедение
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедеие. - М.: Машиностроение, 1990 г., 528 с
2. Середа Б.П. Металловедение и термическая обработка черных и цветных метал лов. Запорожье, 2002 г., 264 с
3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1975 г., 447 с
4. Гуляев А.П. Металловедение.- М.: Металлургия, 1986 г., 544 с
5. Кузьмин Б.А., Самохоцкий А.И., Кузнецова Т.Н. Металлургия, материаловедение и конструкционные материалы. М.: Высшая школа, 1979 г., 304 с
6. Арзамасцев Б.Н., Сидорин И.Н., Косолапов Г.Ф. и др.. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986 г., 384 с
7.Мозберг Р.К. Материаловедение. М.: Высшая школа, 1991 г.,1991 г., 448 с
8. Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф., Вишкарев А.Ф., Гринберг Б.Г. Материаловедение и технология материалов. М., Металлургия, 1994 г., 624 с
9. Фетисов Г.П., Кариман М.Г., Матюнин В.М и др. Материаловедение и технология металлов. М, Высшая школа, 2001г., 638 с
