Что называется сталью и чугуном. Чугун. Свойства чугуна. Чугуном называется сплав железа с углеродом. История использования чугуна в древнем Китае

Сплав железа и углерода называют чугуном. Мы же посвятим статью ковкому чугуну. Последний, содержится в структуре сплава или в форме графита, или цементита. Кроме, названых компонентов в чугун входят примеси на основе следующих химических веществ — кремния, марганца и пр. .

В состав чугунных сплавов могут добавлять легирующие компоненты, которые оказывают существенное влияние на их технические параметры.

Чугун используют при производстве изделий методом литья, например, корпусов станочного оборудования, которые работают при небольших статических и динамических, в том числе и разнонаправленных нагрузках.

В отличие от стали, чугун обладает хорошими литейными параметрами и низкой ценой. Ко всему прочему это сырье хорошо обрабатывается на металлорежущем оборудовании, чем большинство стальных сплавов. Но, с другой стороны, чугунные сплавы, вне зависимости от типа свариваются с определенными сложностями. Ко всему прочему, чугуны обладают невысокими параметрами прочности, твердости, хрупкости.

Виды чугунов

Марка чугунного сплава определяется количеством углерода и других веществ в его составе.

Такой подход позволяет выделить следующие виды этого материала:

• белые;
• серые (ГОСТ 1412);
• ковкие (ГОСТ 1215);
• высокопрочные (ГОСт 7293).

Белый чугун

В составе этого сплава углерод собран в форме цементита. Эта марка материала обладает стойкостью к износу, хорошими параметрами твердости. Вместе с этим, он довольно плохо подвергается обработке на металлорежущем оборудовании.

Белый чугун делится на следующие группы:

• доэвтектический с концентрацией углерода от 2,14% до 4,3%;
• эвтектический — 4,3%;
• заэвтектический от 4,3% до 6,67%.

В других марках чугуна углерод имеет форму графита.

Серый чугун

Углерод в составе этой марки чугуна имеет форму пластин. В составе серого чугуна участвуют и такие компоненты, как:

• кремний до 0,8%;
• марганец до 0,3% и пр.

Для производства отливок из этого материала применяют формы, выполненные из литьевой земли или стали. Такие формы называют кокилем. Ключевая сфера использования серого чугуна – машиностроение. Из него выполняют конструкции, работающие тогда, когда отсутствуют ударные воздействия, к примеру, колесные клиноременных передач, подшипниковые чашки и др. Чугунный сплав этого типа маркируют следующим образом СЧ 32 – 52. Первая цифра показывает предел прочности на растяжение, вторая предел на изгибе.

В составе этого материала углерод обладает хлопьевидной формой. В химсостав этого материала входит до 1,4% кремния, 1% марганца и пр. Ковкий чугун производят из белого.

Для этого выполняют его термическую обработку, то есть прогревают и выдерживают в этом состоянии в течение заданного технологией времени. Эту операция называется томлением. Ковкий чугун маркируют так КЧ 45 – 6. Первое число обозначает прочность на растяжение, вторая удлинение в процентах.

В составе этого чугуна, углерод обладает шаровидной формой. Для производства чугуна этого вила используют модифицирование, то есть в расплав вводят магний. Он обеспечивает формирование углерода в виде включений шаровидной формы. Это решение позволило приблизить чугун этого сорта, по ряду свойств к углеродистым сталям. Литейные же параметры у него больше чем у других марок чугунных сплавов, за исключением серого.

Чугуны этого класса используют в производстве таких деталей, как – поршни, коленвалы, компоненты систем торможения.

Высокопрочный чугун маркируют так — ВЧ – 45-5. Первое число обозначает прочность на растяжение, вторая удлинение в процентах.

Особенности производства ковкого чугуна

Изготовление чугуна КЧ обладает рядом тонкостей, которые обусловлены литьевыми характеристиками и другими свойствами.

Чугун марки БЧ, являющийся основной производства ковкого, обладает не очень хорошими литьевыми параметрами. В, частности, он обладает пониженной жидкотекучестью, большим размером усадки во время остывания, и он склонен к формированию различных литейных дефектов. Эти является причиной того, что при производстве необходимо перегревать металл и принимать меры по борьбе с дефектами литья. Изготовление ковкого чугуна может выполняться с обязательным учетом усадки и изменения размеров заготовок во время томления. Максимальную усадку, имеют тонкие заготовки, минимальную, толстые. Операция томления выполняется при 1350 – 1450 градусов Цельсия.

Отжиг (томление) это базовый этап при производстве чугуна КЧ. Его производят в отдельных цехах, называемых томительными. Заготовки размещают в горшках, выполненных из стали или чугунных сплавов разных марок, для томления. В горшок может быть уложено до 300 отливок исходя из того, что до 1 500 кг должно приходиться на один кубометр.

Ковкий чугун получает наибольшую прочность в горшках, произведенных из белого чугуна с добавками хрома и минимальным количеством фосфора. Расход горшков измеряют по весу, он может составлять от 4 до 15 % веса заготовок. Именно поэтому увеличение их стойкости играет большую роль в формировании стоимости готового ковкого чугуна.

Во избежание коробления готовых отливок укладка заготовок в горшки должна выполняться с особой тщательностью. Их укладывают максимально плотно, для повышения эффекта заготовки пересыпают песком или рудой. Эти материалы предохраняют заготовки от деформации и лишнего окисления.

Для производства ковкого чугуна применяют электрические печи. Это вызвано тем, что в процессе томления должна быть возможность регулировки температуры, резкий подъем на время нагрева и быстрое понижения на стадии его графитизации. Кроме того, не будет лишним, и возможность регулировки воздушной смеси в печи.

Большая часть печей, которая используется для получения ковкого чугуна – муфельные. То есть продукты сгорания топлива не вступают в контакт с горшками, в которых уложены заготовки.

Отливки, полученные из ковкого чугуна несколько раз проходят через операцию очистки, а после отжига удалению питателей и правке. Первая чистка проводится для удаления остатков формовочных смесей. Для чистки применяют пескоструйное оборудование или специальные галтовочные барабаны. Удаление остатков питателей происходят на наждаках.

Самыми часто встречающимися дефектами ковкого чугуна можно назвать следующие:

• усадочные раковины;
• недолив;
• трещины и пр.

Часть дефектов не может быть исправлена дальнейшей термической обработкой. Следует отметить, то, что изготовление ковкого чугуна требует строго соблюдения всех требований ГОСТ, технологических правил и регламентов. Только в этом случае можно говорить о получении качественного ковкого чугуна, которым допустимо заменять другие, дорогие материала – стали, цветные металлы.

Разновидности ковкого чугуна

Марка чугунного сплава КЧ напрямую связана с условиями, в которых проводят отжиг. После этой операции получают три класса чугуна КЧ:

• ферритный;
• перлитной;
• ферритно-перлитным.

Первый содержит в своем химсоставе феррит и углерод хлопьевидного строения. Второй включает перлит и графит хлопьевидного строения. Третий имеет в своем составе феррит, перлит и углерод хлопьевидного строения.

Ковкий перлитный чугун возникает в итоге быстрого охлаждения заготовки, когда она находится в зоне распада. В этом случае в строении чугуна кроме феррита будет находиться перлит. Он будет сохраняться и при дальнейшем остывании заготовки до температуры ниже чем 727 градусов.

То есть, можно сказать, что строение чугуна жестко связано с температурными режимами отжига и наличием легирующих компонентов.

Основные характеристики металла

Ключевые параметры чугуна КЧ определены количеством углерода, который имеет форму графита и наличием кремния. Перлитный ковкий чугунный сплав содержит в себе еще два составных элемента – хром и марганец.

Различие в строении ковкого чугуна отражается и на конечных свойствах изделий, получаемых из него. К, примеру, заготовки, выполненные из ферритного чугуна, имеют меньшую твердость, чем те, которые производят из перлитного материала, но вместе с тем первые имеют повышенную пластичность. Графит в виде хлопьев обеспечивает высокие параметры прочности готовым деталям при относительно хорошей пластичности. Изделия из чугуна КЧ могут деформироваться в условиях комнатной температуры и влажности. Именно это свойство и определило название этого материала – ковкий. На самом деле, это условное название и не означает того, что готовые детали получают из него при помощи ковочного оборудования. Для производства изделий применяют литье. Главное свойство этого материала заключено в том, в том, что в нем отсутствуют напряжения.

Механические свойства ковкого чугуна расположены между серым чугуном и сталью. То есть, чугун этого типа обладает высокой текучестью, стойкостью к износу, коррозии, агрессивным веществам. Кроме того, этот материал отличается высокими прочностными свойствами. Так, деталь с толщиной стенки 7 – 8 мм выдерживает давление рабочей среды до 40 атм. Это позволяет использовать его для изготовления трубопроводной арматуры для газа и воды.

Нельзя забывать и том, что при малых температурах, чугун становиться очень хрупким и очень боится ударных воздействий.

Свойства ковких чугунов

Базовое свойство чугунного сплава КЧ состоит в том, в нее входят включения углерода в разной форме, которая определяет его прочность и пластичность. Чугун КЧ с малым количеством углерода (обезуглероженный), по сути, это единственный материал из конструкционных чугунных сплавов, который хорошо сваривается и его применяют для получения сваренных металлоконструкций. Для производства сварки применяют или защиту газа, или стыковую технологию. Чугун это марки поддается запрессовке, чеканке и достаточно просто заполняет пустоты и зазоры. Детали, полученные из ковкого ферритного чугунного сплава, подвергаются холодной обработке, а из перлитного правке в разогретом виде.

Чугун, используемый в производстве, изготавливают из белого чугунного сплава путем его отжига. Строение, получаемое после выполнения этой операции, может иметь ферритную или перлитную форму.

Одним из преимуществ ковкого чугунного сплава является то, что он обладает однородными свойствами по сечению, кроме того, он хорошо обрабатывается на станках токарно-фрезерной группы.

Основные физико-технические параметры ковкого чугунного сплава нормированы в ГОСТ 1215-79. Маркировка этого материала основана допустимых значений на растяжение и удлинение. Твердость материала определена от структуры, а прочностные параметры и пластичность определяет и наличие графита.

Надо понимать, что на свойства материала оказывает не только форма, но и количество графита, содержащегося в сплаве. Максимальных прочностных характеристик ковкий чугун достигает при наличии мелкодисперсного перлита и небольшом количестве графита. Предельная пластичность и вязкость чугуна этого класса достигается при наличии феррита и таком же количестве графита.

Сфера применения

Ковкий чугун нашел свое применение в машиностроении для производства станочного оборудования, отдельных деталей автомобилей, конструкций и механизмов, эксплуатируемых на железнодорожном транспорте и пр.

Чаще всего применяют ферритные отливки, которые стоят несколько дешевле, чем все остальные. Перлитные отливки используют для изготовления деталей, которые применяют для изделий и узлов, работающих под повышенными нагрузками.

Ковкий чугун используют для получения отливок с тонкой стенкой, ее размер может составлять от 3 до 40 мм.

Основой для изготовления чугуна или стали служит железо. В природе это – металл с серебристым отливом, не имеющий достаточной твердости. Такой металл практически не используется в промышленности, а широкое применение получили различные сплавы железа.

Чугун и сталь – это сплавы железа с углеродом, но от содержания этих элементов и примесей будет зависеть качество металла.

Чугун

Чугун – первичный продукт металлургии. В его составе содержится углерода более 2% и значительное количество примесей, влияющих на свойства металла: марганец, фосфор, кремний, сера, легирующие добавки.

Чугун относят к хрупким металлам, его можно легко разбить на осколки при ударе, поэтому он менее практичен в обработке и применении. Вид углерода, содержащегося в чугуне, влияет на его свойства, поэтому различают несколько видов чугуна:

Серый, мягкий металл с низкой температурой плавления;

Белый, с повышенной твердостью, но хрупкий;

Ковкий, вторичный продукт белого чугуна;

Высокопрочный.

Плотность чугуна составляет 7000 кг/м3.

Сталь

Процентное содержание углерода в сплаве не должно превышать отметку 2%, а железо составлять не менее 45%. Оставшиеся 53% могут содержать различные легирующие добавки и примеси, которые позволяют изменять его свойства.

Существует большое количество разновидностей и классификаций. В зависимости от количества связующих элементов различают:

Низколегированные;

Среднелегированные.

Также различают по количеству углерода:

Низкоуглеродистые;

Среднеуглеродистые;

Высокоуглеродистые.

На качество металла влияет наличие неметаллических включений (оксиды, сульфиды, фосфиды) и существует классификация по качеству.

Общая характеристика это – металл, обладающий хорошей прочностью, износостойкостью, твердостью, пригоден для различных видов обработки. Плотность стали 7700 – 7900 кг/м3.

Не смотря, на большое количество разновидностей чугуна и стали, можно выделить основные параметры различия этих металлов:

Сталь обладает большей прочностью, пластичностью и твердостью;

Более пластична, поэтому хорошо поддается обработке (штамповке, ковке, прокатке, сварке), изделия из чугуна выполняют методом литья;

Чугун имеет меньшую стоимость;

Сталь имеет высокую теплопроводность, качество повышают методом закаливания, а чугун из-за пористости металла способен удерживать тепло;

Сплавы имеют различный удельный вес.

Металлургия поставляет на рынок сотни разновидностей того и другого сплава, которые имеют свои особенности и характеристики, но обязательными компонентами этих металлов являются железо и углерод. Поэтому сталь и чугун можно объединить в группу железоуглеродистых сплавов.

Чугун – сплав железа (Fe>90%) с углеродом (C от 2,14% до 6,67%).
Углерод может содержаться в чугуне в виде графита (С) или цементита (Fe3C).
Также чугун содержит примеси кремния, марганца, фосфора и серы.
Чугуны со специальными свойствами содержат также легирующие элементы – хром, никель, медь, молибден и др.

Чугун – наиболее широко применяемый материал для изготовления литых деталей, используемых при относительно невысоких напряжениях и малых динамических нагрузках. Преимущества чугуна в сравнении со сталью – высокие литейные свойства и небольшая стоимость. Чугуны также лучше обрабатываются резанием, чем большинство сталей (кроме автоматных сталей), но плохо свариваются, обладают меньшей прочностью, жесткостью и пластичностью.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
белый чугун
серый чугун (ГОСТ 1412 - "Чугун с пластинчатым графитом для отливок")
ковкий чугун (ГОСТ 1215 - "Отливки из ковкого чугуна")
высокопрочный чугун (ГОСТ 7293 - "Чугун с шаровидным графитом для отливок")

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C.
У белого чугуна высокая износостойкость и твердость, однако он хрупок и плохо обрабатывается резанием, поэтому в машиностроении они находят ограниченное применение и идут, в основном, в передел на сталь .
По содержанию углерода серый чугун подразделяют на:
Доэвтектический с содержанием углерода от 2,14% до 4,3%
Эвтектический с содержанием углерода 4,3%
Заэвтектический с содержанием углерода от 4,3% до 6,67%.

В сером, ковком, высокопрочном чугунах весь углерод или большая его часть находится в виде графита различной формы (их еще называют графитными).

Серый чугун

В структуре серых чугунов графит пластинчатой формы.
Серые чугуны содержат: 3,2-3,5% углерода, 1,9-2,5% кремния, 0,5-0,8% марганца, 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы.
Отливки деталей из серых чугунов получают в кокилях – земляных или металлических формах.
Серый чугун находит широкое применение в машиностроении. Ввиду невысоких механических свойств у отливок из серого чугуна и простоты получения их применяют для изготовления деталей менее ответственного назначения, деталей, работающих при отсутствии ударных нагрузок. В частности из них делают крышки, шкивы, станины станков и прессов.
Пример обозначения серого чугуна: СЧ32-52. Буквы обозначают серый чугун (СЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (32 кгс/мм2 или 320 МПа), второе число – предел прочности при изгибе.

Ковкий чугун

В структуре ковких чугунов графит хлопьевидной формы.
Ковкие чугуны содержат: 2,4-3,0% углерода, 0,8-1,4% кремния, 0,3-1,0% марганца, менее 0,2% фосфора, не более 0,1% серы.
Ковкий чугун получают из белого чугуна в результате нагрева и длительной выдержки. Эту процедуру называют графитизирующим отжигом или томлением.
Пример обозначения ковкого чугуна: КЧ45-6. Буквы обозначают ковкий чугун (КЧ), первое число - предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в % (6%).

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы.
Он имеет наиболее высокие прочностные свойства.
Высокопрочный чугун содержит: 3,2-3,8% углерода, 1,9-2,6% кремния, 0,6-0,8% марганца, до 0,12% фосфора и не более 0,3% серы.
Высокопрочный чугун получают путем модифицирования (т.е. введения добавки-модификатора – магния) жидкого расплава. Модификаторы способствуют образованию графитных включений шаровидной формы, благодаря чему механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам угеродистых сталей, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов).
Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали для машиностроения - поршни, цилиндры, коленчатые валы, тормозные колодки. Также из высокопрочного чугуна изготавливают трубы.
Пример обозначения высокопрочного чугуна: ВЧ45-5. Буквы обозначают высокопрочный чугун (ВЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2 или 450 МПа), второе – относительное удлинение в %.

Чугун - сплав железа с углеродом (содержанием более 2, 14%).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В чугуны .
Чугуны в

Чугу́н - сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны .
Чугуны держат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в отдельных событиях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.).
Обыкновенно, чугун хрупок.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна , в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы.
Металлическая основа такого чугуна : феррит и реже перлит.
Ковкий чугун получил свое название из - за повышенной пластичности и вязкости (при всем при том, что обработке давлением не подвергается).
Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару.
Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры: картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам.
В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие;
в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.
Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или в то же самое время в виде цементита и графита.
Возникновение постоянной фазы - графита в чугуне может происходить в итоге прямого выделения его из слабого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита (при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению РезС - > Fe + ЗС с образованием феррита и графита).
Процесс формирования в чугуне (стали) графита называют графитизацией.

По содержанию углерода чугуны подразделяются на доэвтектический - 2, 14 ...
4, 3 % С, эвтектический - 4, 3 % С и заэвтектический - 4, 3 ...
6, 67 % С углерода .
Доэвтектические чугуны , включающие 2, 14 ...
4, 3 % С, после окончательного охлаждения имеют структуру перлита, ледебурита (перлит + цементит) и вторичного цементита.
Эвтектический чугун (4, 3% С) при температуре ниже + 727 °С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).
Заэвтектический, который нельзя отменить 4, 3 ...
6, 67 % С, при температуре ниже + 727 °С состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).
На практике наибольшее распространение получили доэвтектические чугуны , включающие 2, 4 ...
3, 8% С углерода .
Тельное значение содержания углерода в чугуне определяется его технологическими характеристиками при литье - обеспечение хорошей жидкотекучести.
Жидкотекучесть - это способность металлов и сплавов в расплавленном состоянии заполнять полость формы, точно воспроизводить очертания и размеры отливки.
Увеличенное содержание углерода в чугуне выше 3, 8% С приводит к резкому возрастанию твердости и хрупкости.
Жидкотекучесть определяется по спиральной пробе, а ее величина по длине заполнения части спирали.
Усадка - уменьшение линейных и обьемных размеров металла, затопленного в фигуру при его кристаллизации и охлаждении.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим типом: передельный чугун - П1, П2 ;
передельный чугун для отливок (передельно - литейный) - ПЛ1, ПЛ2, передельный фосфористый чугун - ПФ1, ПФ2, ПФ3, передельный высококачественный чугун - ПВК1, ПВК2, ПВК3 ;
чугун с пластинчатым графитом - СЧ (цифры после букв « СЧ », значат величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм) ;
антифрикционный чугун антифрикционный серый - АЧС, антифрикционный высокопрочный - АЧВ, антифрикционный ковкий - АЧК;
чугун с шаровидным графитом для отливок - ВЧ (цифры после букв « ВЧ » означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние (%) ;
чугун легированный со специальными свойствами - Ч.

Чугунами принято условно называть железоуглеродистые сплавы с содержа­нием углерода свыше 2 % вне зависимости от степени легированности. Исключе­ние составляют некоторые инструментальные стали и высококремнистые чугуны, например силал, содержащий в зависимости от марок от 1.6 до 2.5 % С. Принятое разграничивание области чугунов от области стали совпадает с предельной растворимостью углерода в γ-железе.

Свойства чугуна определяются количеством, формой и характером распреде­ления структурных составляющих. Фазовый состав чугуна зависит от химического состава, условий выплавки и условий кристаллизации чугуна .

Диаграмма состояний железо-углерод

Диаграмма состояний железо-углерод в интервале концентраций от железа до цементита представлена на рис. 1. Линия ABCD является ликвидусом системы, линия AHJECF – солидусом.

Три горизонтальные линии на диаграмме (HJB, ECF и PSK) указывают на протекание трёх нонвариантных реакций. При 14850 (линия HJB) протекает перитектическая реакция LB+ФН→АJ. В результате перитектической реакции образуется аустенит. Реакция эта имеет место только у сплавов, содержащих углерода от 0.1 до 0.5 % . При 11300 (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция LC→AE+Ц. В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Реакция эта происходит у всех сплавов системы, содержащих углерода более 2 %. При 7230 (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция AS→ФР+Ц. Продуктом превращения является эвтектоидная смесь. Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом.

У всех сплавов, содержащих свыше 0.02 % углерода, т. е. практически у всех промышленных железоуглеродистых сплавов, имеет место перлитное (эвтектоидное) превращение. Таким образом, диаграмма железо – углерод характеризует протекание в этих сплавах эвтектического, эвтектоидного и перитектического превращений.

Внешний вид диаграммы железо – углерод (в своей доцементитной части), т. е. расположение линий на диаграмме, является вполне определённым и устоявшимся. Уточнению подвергаются лишь координаты (т. е. температура и концентрация наиболее характерных точек).

Значения координат точек на диаграмме железо – углерод представлены в таблице 1 .

Рис. 1. Диаграмма железо – углерод

Таблица 1.

Характерные точки на диаграмме железо – углерод

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 15390±50 С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 9110 С и 13920 С. При температуре ниже 9110 С существует α-Fe с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 9110÷13920 С устойчивым является γ-Fe с гранецентрированной кубической решеткой. При температуре ниже 7680 С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 7680 С.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – σ=250 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50 % ). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. Железо со многими элементами образует твердые растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения .

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 35000С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 50000С).

Так как железо, кроме того, что образует с углеродом химическое соединение Fe3C, имеет две аллотропические формы, то в системе существуют следующие фазы: жидкая фаза, цементит, феррит, аустенит .

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы .

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6.67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 15500С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 2170С.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В железоуглеродистых сплавах также присутствуют фазы: цементит первичный (Ц I), цементит вторичный (Ц II), цементит третичный (Ц III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0.006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0.02% при температуре 7270С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 13920С существует высокотемпературный феррит с предельной растворимостью углерода 0.1% при температуре 14990С (точка J) .

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности σв=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение δ=30 %), магнитен до 7680С .

Аустенит γ-Fe (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В центре гранецентрированной кубической ячейки находится атом углерода. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0.8 % при температуре 7270С (точка S), максимальную – 2.14 % при температуре 11470С (точка Е). Аустенит имеет твердость 200÷250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40÷50 %), парамагнитен. При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

Микроструктура чугунов

Получение той или иной структуры чугуна зависит от многих факторов: хи­мического состава чугуна, технологии плавки и внепечной обработки металла , скорости кристаллизации и охлаждении расплава в форме, а, следовательно, толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала формы и др. Структуру металлической основы чугуна можно изменять также термической обработкой. В таблице 2 приведены наиболее часто встречающиеся структуры и струк­турные составляющие чугуна и некоторые их свойства .

Таблица 2.

Структуры и структурные составляющие чугуна

Классификации чугунов

Классификация чугунов по химическому составу

В чугунах, кроме железа и углерода, содержатся в качестве постоянных примесей определенные количества кремния, марганца, фосфора и серы. Из них фосфор и сера считаются вредными примесями.

По химическому составу чугуны делятся на нелегированные, мало-, средне - и высоколегированные. Нелегированными считаются чугуны, содержащие до 2 % марганца и до 4 % кремния, до 0.1 % хрома и до 0.1 % никеля. При наличии этих элементов в больших количествах или при содержании специальных примесей чугуны считаются легированными .

В малолегированных чугунах количество специальных примесей (никель, медь, хром и т. п.) не превосходит обычно 3 %; в среднелегированных чугунах ко­личество легирующих примесей составляет 7-10 %, а в высоколегированных значительно превышает 10 %.

Путём низкого легирования чугуна стремятся улучшить его общие свойства, получить однородную структуру, повысить предел прочности и упругости с сохранением этих свойств при нагреве, улучшить твёрдость и износостойкость, ан­тифрикционность и т. п. При среднем и высоком легировании значительно меняется состав твёрдых растворов и карбидов, благодаря чему наибольшее значение приобретает измене­ние характера металлической основы .

Классификация чугунов по структуре и условиям образования графита

По степени графитизации, формам графита и условиям их образования различают следующие типы чугунов: белый, половинчатый, серый, ковкий и высоко­прочный с шаровидным графитом (см. схему рис. 2). Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитиза­ции и легированности, а также видом термической обработки.

По степени графитизации белый чугун можно считать наименее или вовсе неграфитизированным, половинчатые чугуны можно считать частично графитизи­рованными, а остальные чугуны – значительно графитизированными .

Рис. 2. Схема классификации чугунов

В белых и половинчатых чугунах обязательно наличие ледебурита (механическая смесь твердого раствора углерода в железе и карбида железа), а в значи­тельно графитизированных чугунах ледебурита не должно быть.

Белым чугуном называется чугун, у которого весь углерод находится в хими­чески связанном состоянии. Белый чугун весьма твёрд, хрупок и очень трудно об­рабатывается резанием. Микроструктура нелегированного белого доэвтектического чугуна состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита. В легированных или термически обработанных чугунах вместо перлита может получаться мартенсит или даже ау­стенит. Белый чугун применяется для изготовления износостойких, коррозионно­стойких и жаростойких деталей. Кроме того, отливки из белого чугуна соответст­вующего состава служат для получения деталей из ковкого чугуна путём графити­зирующего отжига. Белый чугун называется так потому, что вид излома у него светло-кристаллический, лучистый. Для половинчатого чугуна характерно то, что в нём, наряду с ледебуритом, име­ется и графит.

Структура половинчатого чугуна – перлитно-ледебуритная с графитом. В леги­рованных или термически обработанных чугунах вместо перлита можно получить аустенит, мартенсит или бейнит.

Половинчатый чугун называется так потому, что вид излома у него представляет собой сочетание из светлых (белых) и тёмных (графитизированных) участков. По­ловинчатый чугун твёрд и хрупок. У отбеленных чугунных деталей поверхностные слои имеют структуру бе­лого чугуна, а сердцевина – графитизированного чугуна. Между поверхностными слоями и сердцевиной находится зона из половинчатого чугуна.

Серый чугун наиболее распространённый машиностроительный материал. Серый чугун маркируется буквами С – серый и Ч – чугун. После букв следуют цифры, указывающие среднюю величину временного сопротивления при растяже­нии (кгс/мм2) и относительную деформацию.

Главная отличительная особенность серого чугуна заключается в отсутствии недопустимого количества цементита и ледебурита и том, что графит в плоскости шлифа имеет пластинчатую форму. Когда пластинки графита весьма дисперсные, то его называют точечным. Пластинчатые формы графита могут быть прямолиней­ными и различной степени завихрённости. Для получения пластинчатой формы графита необязательны термообработка и специальное модифицирование. Устра­нение графитных включений нежелательных форм и сочетаний достигается модифицированием графитизирующих добавок. Вид излома серого чугуна в значительной степени зависит от количества графита: чем больше графита, тем темнее излом чугуна.

Серому чугуну свойственно почти полное отсутствие относительного удли­нения (до 0.5 %) и весьма низкая ударная вязкость. Эта особенность серого чугуна является следствием весьма сильного ослабляющего действия пластинчатого графита на металлическую основу.

Поскольку серый чугун, независимо от характера металлической основы, об­ладает весьма низкой пластичностью, то стремятся к получению в ней перлитной металлической основы, так как перлит значительно прочнее и твёрже феррита. Снижение же количества перлита и повышение за счёт этого количества феррита в структуре приводит к потере прочности и износостойкости без повышения пластичности.

В легированных и термически обработанных чугунах вместо перлита может быть получен аустенит, мартенсит или бейнит. Включения вторичного и эвтектического цементита большей частью нежела­тельны. Принципиальное отличие высокопрочного чугуна заключается в шаровидной форме графита, которая получается путём внедрения в жидкий чугун специальных модификаторов.

Шаровидная форма графита является наиболее благоприятной из всех из­вестных форм. Шаровидный графит меньше других форм ослабляет металличе­скую основу. Металлическая основа этого чугуна обычно бывает в зависимости от требуемых свойств перлитной, перлитно-ферритной и ферритной. Путём легирова­ния и термической обработки можно также получить аустенитную, мартенситную или бейнитную основу.

В структуре высокопрочного чугуна может допускаться некоторое количе­ство пластинчатого графита при условии, что по своим свойствам он удовлетворяет требуемой марке. Допускаются также и неправильные (искажённые) формы шаровидного графита. Высокопрочный чугун маркируют буквами ВЧ, затем следуют цифры, кото­рые показывают среднее значение временного сопротивления при растяжении (кгс/мм2).

Главное отличие ковкого чугуна заключается в том, что графит в нём получа­ется путём отжига белого чугуна и имеет хлопьевидную или шаровидную форму. Шаровидная форма получается при специальном модифицировании или при обезуглероживающем отжиге. Хлопьевидный графит бывает различной компактности и дисперсности, что значительно отражается на механических свойствах чугуна.

Ковкий чугун производится не только с ферритной, но и с ферритно-перлит­ной и перлитной металлической основой.

Чугун с ферритной основой обладает наибольшей пластичностью, поэтому его чаще всего и применяют. Излом у ферритного ковкого чугуна чёрно-бархати­стый, с увеличением количества перлита в структуре излом становится более светлым.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указы­вают временное сопротивление при растяжении (кгс/мм2), вторые – относительное удлинение (%) .

Классификация чугунов по свойствам

Классифицировать чугуны можно по механическим и специальным свойст­вам. По механическим свойствам чугунные отливки делят по твёрдости, прочности и пластичности.

Таблица 3.

Классификация чугунов по свойствам.

ГОСТ 7769-82 «Чугун легированный для отливок со специальными свойст­вами» предусматривает девять марок белых износостойких чугунов: низколегирован­ный хромистый марки ЧХ3Т, высоколегированные хромистые марки ЧХ9Н5, ЧХ16, ЧХ16М2, ЧХ22, ЧХ29Д2, ЧХ32, высолегированный марганцевый марки ЧГ7Х4 и низколегированный никелевый марки ЧН4Х2. Первая буква обозначает «чугун». Цифры показывают содержание легирующего элемента, указанного в про­центах после соответствующей буквы. Если цифра после буквы отсутствует, то со­держание соответствующего легирующего элемента равно 1 %. Другие легирован­ные специальные чугуны маркируют таким же образом, кроме антифрикционных, где первая буква обозначает «антифрикционный». Могут встречаться и термины: «номаг» (немагнитный чугун), «нирезист», «силал», «никросилал» (коррозионно­стойкие), «чугаль» (жаростойкий) и некоторые другие.

Применяемые в настоящее время чугуны в отношении магнитных свойств можно разбить на ферромагнитные и парамагнитные. В свою очередь ферромаг­нитные чугуны можно условно разделить на магнитно-мягкие и магнитно-жёсткие. Это де­ление весьма условно, так как ни при каких условиях чугуны не могут быть в под­линном смысле мягким или жёстким магнитным материалом. К магнитно-мягким относятся серые, ковкие и высокопрочные чугуны .

Общая характеристика серых чугунов

Серый чугун получается непо­средственно в процессе кристаллизации с замед­ленным охлаждением, графит при этом имеет пластинчатую форму. В зависимости от степени графитизации мо­жет быть получена различная структура метал­лической основы (матрицы) серого чугуна: се­рый перлитный чугун со структурой П+Г; серый ферритно-перлитный чугун со структурой Ф+П+Г; серый ферритный чугун со структурой Ф+Г.

Механические свойства серого чугуна как конструкционного материала за­висят как от свойств металлической основы (матрицы), так и от количества, геометрических параметров и ха­рактера распределения включений графита. Чем меньше этих включений и чем они мельче, тем выше прочность чугуна. Металли­ческая основа в сером чугуне обеспечивает наибольшую проч­ность и износостойкость, если она имеет перлит­ную структуру. Наименьшей прочностью облада­ет серый чугун с ферритной основой. Относи­тельное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической осно­вы практиче­ски равно нулю (δ≤0,5%).

Наиболее высокими механическими свойства­ми обладают модифицирован­ные ферросилицием и силикокальцием серые чугуны. Модифициро­вание - добавка в расплав нерасплавляющихся измельченных частиц - обеспечивает измельче­ние графитовых включений.

Применяются ферритные и ферритно-перлитные серые чугуны для малонагру­женных деталей сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов. Чугуны с перлитной основой, обла­дающие очень высокой способностью гасить ме­ханические колебания (высокая демпфирующая способность), применяют для от­ливок станин станков и механизмов, а также для изготовления дизельных цилинд­ров, деталей блока двигателей внутреннего сгорания (поршневые кольца, што­ки).

Микроструктура серых чугунов

При рассмотрении в микроскоп микрошлифа серого чугуна хорошо видны включения пластинчато­го графита (рис.3). На величину и расположение включений графита влияют скорость охлаждения, темпе­ратура и время выдержки рас­плавленного чугуна перед отливкой, химический состав чугуна, введение в чугун неко­торых примесей (модификаторов). Например, скорость охлаждения влияет таким обра­зом, что при прочих равных условиях графит образуется тем крупнее, чем медленнее охлаждение . Чем больше перегрев жидкого чугуна и чем дольше время выдержки при этом, тем мельче получаются графитные включения .

Рис. 3. Включения пластинчатого графита. Шлифы нетравленые (х100):

а) прямолинейные; б) завихренные; в) розеточные, г) междендритные

Металлическая основа в серых чугунах очень сходна с микроструктурой сталей и в зависимости от количества связанного углерода может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной .

Рис. 4. Ферритный серый чугун - феррит и пластинчатый графит;

а)

Рис. 5. Ферритно-перлитный серый чугун – феррит+перлит+ пластинчатый графит: а) микроструктура (х500); б) схема микроструктуры

Рис. 6. Перлитный серый чугун - перлит+пластинчатый графит:

а) микроструктура (х500); б) схема микроструктуры

Таким образом, возможны следующие типы структур серых чугунов: феррит + пластинчатый графит – ферритный серый чугун (рис. 4). Феррит + перлит + пластинчатый графит – ферритно-перлитный серый чугун (рис. 5). Соотношение количества феррита и перлита в структуре чугуна может быть различным в зависимости от химического состава и условий охлаждения. Перлит + пластинчатый графит – перлитный серый чугун на рис. 6.

Рис. 7. Микроструктура серого чугуна с фосфидной эвтектикой:

перлит + пла­ стинчатый гра­фит + фосфидная эвтектика (х500)

При повышенных концентрациях фосфора в серых чугунах имеется фосфидная эвтектика (рис. 7), располз­ающаяся полностью или частично по границам зерен.