6.3. Чугуны

По сравнению с углеродистой сталью чугуны отличаются более высоким содержанием углерода, лучшими литейными и худшими пластическими свойствами.

Свойства чугуна определяются структурой металлической основы, формой, количеством и размерами графитных включений. Металлическая основа чугуна аналогична по строению и близка по свойствам стали.

Структуру и свойства чугуна определяет в основном углерод. С повышением содержания углерода ухудшаются механические свойства, но повышаются его литейные свойства. Содержание углерода в чугуне не должно превышать 4,3%. Углерод в составе чугуна может быть в виде карбида Fe3C, графита или их смеси. В зависимости от того, в каком виде находится в чугунах углерод, а также от формы графита и условий его образования различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.

Белым называют чугун, в котором при нормальных условиях весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe3C. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и характерный металлический блеск. Белые чугуны отличаются высокой твердостью, хрупкостью, низкой прочностью и трудностью механической обработки. В качестве конструкционного материала используется редко, например, для износостойкой наплавки зубьев землеройной техники. Из белого чугуна получают отливки деталей машин с последующим их отжигом (см. ниже) на ковкий чугун.

Серым называют такой чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита. На изломе такой чугун имеет серый цвет. В сером чугуне графит имеет форму слегка изогнутых пластинок. Они нарушают целостность металлической основы чугуна и играют роль надрезов и мелких трещин. Механическая прочность серого чугуна в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Чугуны с пластичным графитом имеют сравнительно низкую прочность на растяжение и пластичность. Чем меньше в металлической структуре феррита, тем мельче графитные включения и тем выше механические свойства чугуна.

Наиболее высокие механические свойства имеют серые модифицированные чугуны с мелкими пластинками графита. Для серых чугунов в качестве модификаторов используют силикокальций, алюминий и ферросилиций. Модификаторы вводят в незначительном количестве, поэтому они химического состава чугуна не изменяют, но оказывают значительное влияние на процесс графитизации. Кроме того, они играют роль зародышей центров выделения графита. Серый чугун маркируется буквами СЧ (серый чугун) в сочетании с числом, которое характеризует значение предела прочности при растяжении ?в.

Например, марка СЧ20 означает, что чугун имеет ?в = 200МПа. Серый чугун выпускается марок СЧ15, СЧ 25, СЧ30, СЧ35, СЧ40 и др., причем высшие марки получают введением модифицирующих добавок.

Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием (стружка становится ломкой), менее хрупок, чем белый чугун, имеет хорошие антифрикционные свойства (графит является сухой смазкой). В машиностроении серый чугун используется главным образом для производства отливок и поэтому его называют литейным.

Высокопрочным называется чугун с шаровидной формой графита. Его получают специальной обработкой – модифицированием жидкого серого чугуна. В качестве модификаторов применяют магний, церий, иттрий и др. в количестве до 0,1% от массы обрабатываемого чугуна. Модификаторы вводятся в жидкий чугун перед его разливкой. Шаровидный графит в меньшей степени ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит серого чугуна. В отличие от пластинчатого, шаровидный графит не является также активным концентратом напряжений. Все это обуславливает значительное повышение прочности и пластичности чугуна. Маркируют высокопрочные чугуны буквами ВЧ в сочетании с числом, характеризующим прочность чугуна при растяжении.

Например, марка ВЧ45 означает, что чугун имеет ?в = 450 МПа.

Высокопрочный чугун выпускают марок ВЧ35, ВЧ40, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ80, ВЧ100. Благодаря хорошему сочетанию механических, технологических и эксплуатационных свойств высокопрочные чугуны широко применяются в различных отраслях машиностроения как перспективный конструкционный материал, в том числе и как заменитель сталей для изготовления особо нагруженных деталей.

Ковким называется чугун с хлопьевидным графитом, который получают из белого чугуна в результате специального графитизирующего отжига (см. ниже). Термин “ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, также как и из любого другого чугуна, ковке не подвергаются. Наиболее трудоемкой и энергоемкой операцией при получении изделий из ковкого чугуна является процесс отжига, который длится иногда несколько десятков часов. В результате отжига происходит распад цементита белого чугуна и образование графита хлопьевидной формы. Вследствие этого из хрупкого и твердого белого чугуна получается более пластичный и мягкий ковкий чугун.

По своим литейным и механическим свойствам, ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. По сравнению со сталью, ковкий чугун более дешевый, имеет лучшие литейные свойства, а также повышенную способность гасить возникающие в нем вибрации. Ковкий чугун маркируется буквами КЧ с добавлением двух чисел: первое указывает предел прочности при растяжении, а второе относительное удлинение.

Например, марка КЧ55-4 означает, что чугун имеет ?в = 550 МПа и ? = 4%. Ковкий чугун выпускается марок КЧ30-6, КЧ35-10, КЧ50-5 и др.

Ковкий чугун широко применяется в автомобильной, тракторной и других отраслях промышленности для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Акулич Н.В. Процессы производства черных и цветных металлов и их сплавов, Гомель 2008