2.5. Чугуны

Чугун отличается от стали составом (более высокое содержание углерода и примесей) и технологическими свойствами (хорошие литейные свойства, низкая пластичность). В белом чугуне большая часть углерода находится в связанном состоянии в виде цементита, излом имеет белый цвет и металлический блеск. В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита (в связанном состоянии – до 0,8 %), излом серого цвета. Наиболее распространены чугуны с содержанием 2,4-3,8 % С.

Графитизация – процесс образования графита в чугуне. Образование графита происходит непосредственно из жидкой фазы вместо цементита при очень медленном охлаждении, либо из твердой фазы при термическом разложении цементита. Особенно сильно на устойчивость цементита влияют графитизирующие элементы – кремний и магний, способствующие его распаду на феррит и свободный углерод (графит). Изменяя содержание кремния от 0,5 до 5 %, можно получать чугуны, различные по структуре и свойствам

М еталлическая основа чугунов похожа на структуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали. Чугун – сталь, пронизанная включениями графита. В зависимости от геометрической формы графита чугуны делят на: серый – с пластинчатым, ковкий – с хлопьевидным, высокопрочный – с шаровидным графитом (рис. 2.18).

Графит улучшает обрабатываемость чугуна резанием. Чугун имеет хорошие антифрикционные свойства, так как графит обеспечивает смазку поверхностей трения. Пустоты, заполненные графитом, гасят вибрации; детали не чувствительны к поверхностным концентраторам напряжений (проточки, отверстия, переходы в сечениях).

Серый чугун. Изделия получают литьем. Графитовые пластинчатые включения способствуют разупрочнению чугуна. Около графитовых включений при деформации концентрируются напряжения, которые тем больше, чем они острее. Серый чугун имеет низкие механические свойства при испытании на растяжение, но высокие – на сжатие. Изготавливают детали, которые подвергаются сжимающим и изгибающим нагрузкам: зубчатые колеса, гильзы и блоки цилиндров, поршневые кольца, подшипники скольжения. Серые чугуны содержат: до 3,7 % C; 1-5 % Si; 0,2-0,8 % Mn; 0,1-0,3 % P; до 0,15 % S. Обозначаются индексом СЧ и значением предела прочности (_В = 150 МПа): СЧ 15.

Ковкий чугун. Название условное, пластическому деформированию не подвергают. Получают при отжиге белых доэвтектических чугунов состава: 2,2-2,8 % C; 0,7-1,5 % Si; 0,2-1,0 % Mn; менее 0,2 % P и 0,1 % S. Структура белого чугуна формируется при быстром охлаждении тонкостенных отливок. Последующий длительный отжиг (до 2 суток) приводит к разложению цементита и образованию хлопьевидного графита.

Ферритный ковкий чугун получают при очень медленном охлаждении после отжига при 760-720 °С (режим (а) на рис. 2.19). Цементит, входящий в перлит и ледебурит, полностью разлагается. Структура: зерна феррита и графита, излом темный. Мягкий материал (150 НВ,  = 6 %) с удовлетворительной прочностью (_В = 300 МПа).

Ф еррито-перлитный ковкий чугун получают при ускоренном охлаждении по режиму (б). Структура: зерна перлита и феррита, графит.

Перлитный ковкий чугун получают при быстром охлаждении (режим (в)). Структура: перлит, малое количество графита. Излом светлый.

Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным. Применяется для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Обозначается КЧ и значениями предела прочности (_В = 300 МПа) и относительного удлинения ( = 6 %): КЧ 30–6.

Высокопрочный чугун получают при модифицировании серого чугуна алюминием, щелочными или щелочноземельными металлами (обычно магнием до 0,05 % от массы отливки), ферросилицием. Чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую основу. Механические свойства высокие, что вызвано отсутствием неравномерности распределения напряжений в металлической основе из-за шаровидной формы графита. Изготовляют ответственные детали: тонкостенные отливки, шаботы молотов, коленчатые валы, зубчатые колеса и др. Чугуны содержат: 3-4 % C; 1-3 % Si; 0,3-0,8 % Mn; 0,1 % P; 0,03 % S. Высокопрочный чугун с пределом прочности 420 МПа и относительным удлинением 12 % обозначается ВЧ 42-12.

Наряду с шаровидным графитом высокопрочные чугуны содержат графит вермикулярной (червякообразной) формы в виде изогнутых лепестков, размеры которых меньше пластинок серого чугуна. По механическим свойствам и износостойкости этот чугун занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. Используется для деталей подвергаемых циклическим нагрузкам и частым сменам температур.

Отбеленные и другие чугуны. Отбеленные чугуны – отливки, поверхностный слой которых состоит из белого чугуна, сердцевина – серый или высокопрочный чугун. Этот слой получают на толстостенных деталях при литье в металлические или земляные формы. В поверхностном слое много твердого (950-1000 НВ) хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Чугуны используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц. Состав: 3-4 % C; 0,6-0,9 % Si; 0,4-0,6 % Mn.

Легированные чугуны. Легирующие элементы влияют на металлическую основу чугунов, размеры и форму графитовых включений. Легированные чугуны подвергаются термической обработке для обеспечения необходимых свойств. Для деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Для деталей, работающих в условиях износа при высоких температурах, используют высокохромистые и хромоникелевые чугуны.

Коррозионностойкие чугуны часто легируют никелем (0,7-1,5 %), хромом (0,2-0,6 %), молибденом (0,3-0,6 %) и медью (0,2-0,5 %).

Высоколегированные чугуны содержат до 12-18 % кремния (в их структуре образуются кремнистые сплавы – ферросилициды). Чугуны используются для изготовления деталей насосов, оборудования для концентрированных азотной и серной кислот и др.