Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.
Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:
Степень эвтектичности SЭ — отношение концентрации углерода С в чугуне к его концентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора:
где 4,26 — концентрация углерода в эвтектике системы «железо—графит» (см. рис. 7.1.), Si и P — содержание этих элементов в чугуне, %.
Углеродный эквивалент определяется как:
Сэк = С + 0,3(Si + P)
Чугуны подразделяются на: доэвтектические (Sэ < 1, Cэв < 4,2–4,3), эвтектические (Sэ 
1, Сэк 4,2–4,3) и заэвтектические (Sэ > 1, Cэв > 4,2–4,3).
Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 7.1): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe—Fe3C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe3C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe—C (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).
На представленных диаграммах (рис.7.1) кроме общих линий АС, АЕ, GS остальные линии не совпадают. В системе Fe—C графитная эвтектика (аустенит—графит) содержит 4,26 % С и образуется при 1 153 ° С. По линии E' S' в интервале температур 1 153–738 ° С выделяется вторичный графит. Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида (феррит + графит). Пользование диаграммами Fe—C и Fe—Fe3C принципиально не отличается друг от друга.
Вероятность образования цементита из жидкой фазы значительно выше, чем графита. Любой процесс определяется термодинамическими и кинетическими условиями протекания. Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить запас свободной энергии. Цементит термодинамически менее устойчивая фаза, чем графит. Однако разница между температурами образования цементита и графита невелика, и при сравнительно небольшом переохлаждении будет происходить кристаллизация цементита, а не графита.
Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 ° С происходит образование цементита.
Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы. В соответствии с диаграммой Fe—C ниже линии C'D' образуется первичный графит, по линии E'C'F' — эвтектический графит, по линии Е'S' — вторичный графит и по линии P'S'К'— эвтектоидный графит.
Графитизация чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров графитизации.
Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий:
-
бразование центров графитизации в жидкой фазе или аустените;
-
диффузия атомов углерода к центрам графитизации;
-
рост выделения графита.
При графитизации цементита добавляются стадии предварительного распада Fe3C и растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.
В зависимости от степени графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.
Белые чугуны — получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe3C, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в виде Fe3C, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал не применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига.
Серые чугуны — образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.
Половинчатые чугуны — занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде Fe3C. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.
Промышленные чугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, до 03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны с различной структурой и свойствами. Структурная диаграмма (рис. 7.2) приближенно указывает границы структурных областей в зависимости от содержания кремния и углерода при содержании 0,5 % Mn и заданной скорости охлаждения (при толщине стенки отливки 50 мм).
Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сера является вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5–6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор не влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950–980) ° С фосфидной эвтектики.
Рис. 7.2. Структурная диаграмма:
1 — белые чугуны; 2 — половинчатые чугуны;
3, 4, 5 — серые чугуны на перлитной, феррито-перлитной
и ферритной основе соответственно
Таким образом, регулируя химический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужную структуру чугуна.
Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.
Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.
В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:
-
чугун с пластинчатым графитом;
-
чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);
-
чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);
-
чугун с вермикулярным графитом.
На рис. 7.3 дана обобщенная классификация чугунов по строению металлической основы и форме графита.
Микроструктура чугунов приведена на рис. 7.4.
Рис. 7.3. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме
графитовых включений
Рис. 7.4. Различные формы графита в чугуне:
а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит. × 200
По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.
В отдельную группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.
МАРКИ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ
Чугун с пластинчатым графитом для отливок
На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок.
Пластины графита с острыми краями уменьшают живое сечение металлической матрицы и, главное, являются внутренними концентраторами напряжений, способствующими зарождению и развитию трещин. Коэффициент концентраций растягивающих напряжений около пластин графита достигает 7,5. Пластины графита сильно снижают прочность и пластичность чугуна при растяжении. Относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом, как правило, не превышает 0,5–1,0 % и стандартом не гарантируется. На прочность при сжатии включения графита влияют значительно слабее, поэтому чугун особенно выгодно использовать для изготовления деталей, работающих на сжатие.
Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резким переходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другим неровностям поверхности отливки.
Количественные параметры структуры чугуна оценивают в соответствии с ГОСТ 3443–87. Форму, размер, распределение и объемную долю включений графита, соотношение феррита и перлита и дисперсность пластинчатого перлита определяют сравнением с эталонными структурами. Микроструктуры чугунов с пластинчатым графитом приведены на рис. 7.5.
|
|
| Рис. 7.5. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах. ´ 200 |
Серый чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа · 10–1. ГОСТ 1412–85 включает шесть основных марок серого чугуна — от СЧ 10 до СЧ 35 (табл. 7.1). По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24. Сдаточной характеристикой является только s в. Приведенный в табл. 7.1 химический состав не является сдаточной характеристикой, но от него зависят структура чугуна и, соответственно, уровень s в. Химический состав устанавливает завод-изготовитель отливок для обеспечения необходимого уровня s в.
Чем выше углеродный эквивалент, тем ниже прочность. У чугуна СЧ 10 Сэ = 4,25–4,6, а у чугуна СЧ 35 Сэ = 3,3–3,5. Чугун СЧ 10 по структуре эвтектический или слегка заэвтектический, а чугун СЧ 35 — доэвтектический.
Снижение прочности с увеличением Сэ обусловлено большой полнотой графитизации, образованием более крупных включений графита и уменьшением доли перлита (увеличением доли феррита). Чугун СЧ 10 имеет ферритную основу, а чугун СЧ 35 — перлитную.
Поскольку строение чугуна зависит не только от его химического состава, но и от условий плавки и литья, то эти условия также влияют на механические свойства чугуна. С ускорением охлаждения мельче становятся включения графита, уменьшается его количество, увеличивается доля перлита и уменьшается межпластиночное расстояние в перлите. Все эти факторы приводят к повышению прочности и твердости при заданном химическом составе чугуна.
В реальных фасонных отливках скорости охлаждения зависят от сечения их стенок. С увеличением сечения стенок скорость охлаждения уменьшается, что приводит к снижению s в и НВ. В ГОСТ 1412–85 в качестве справочных данных приведены сведения о влиянии сечения стенки отливки на прочность и твердость чугунов (табл. 7.2).
Физические свойства чугунов представлены в табл. 7.3.
Таблица 7.1
Прочность и химический состав (масс. %) чугунов с пластинчатым графитом
(ГОСТ 1412–85)
| Марка чугуна | s в, МПа (кгс/мм2) | Углерод | Кремний | Марганец | Фосфор | Сера | |
| не более | |||||||
| 3,5–3,7 | 2,2–2,6 | 0,5–0,8 | 0,3 | 0,15 | |||
| СЧ 15 | 150 (15) | 3,5–3,7 | 2,0–2,4 | 0,5–0,8 | 0,2 | 0,15 | |
| СЧ 20 | 200 (20) | 3,3–3,5 | 1,4–2,4 | 0,7–1,0 | 0,2 | 0,15 | |
| СЧ 25 | 250 (25) | 3,2–3,4 | 1,4–2,2 | 0,7–1,0 | 0,2 | 0,15 | |
| СЧ 30 | 300 (30) | 3,0–3,2 | 1,3–1,9 | 0,7–1,0 | 0,2 | 0,12 0,12 | |
| СЧ 35 | 350 (35) | 2,9–3,0 | 1,2–1,5 | 0,7–1,1 | 0,2 | ||
Таблица 7.2
Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении
и твердости в стенках отливки различного сечения
| Марка |
| ||||||
| Толщина стенки отливки, мм | |||||||
| 4 | 8 | 15 | 30 | 50 | 80 | 150 | |
| СЧ 10 |
|
|
|
|
|
|
|
