2.4. Чугуны

Чугун – это сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода может колебаться от 2,14 до 4 %.

Чугун широко применяется в качестве материала для деталей, эксплуатируемых при небольших напряжениях и динамических нагрузках.

Чугун получают в доменных печах, он подразделяется на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун, применяемый в литейном производстве.

Заготовками деталей из чугуна служат отливки, поскольку чугун обладает хорошими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой и слабо выраженной ликвацией.

Жидкотекучесть – способность металла заполнять полость литейной формы. Она зависит от температуры заливки и химического состава металла.

Усадка – способность металла уменьшать линейные размеры и, следовательно, объем отливки при охлаждении. Чем меньше усадка, тем стабильнее размеры литых заготовок.

Ликвация – неоднородность химического состава в сплаве.

Температура плавления чугуна на 300-400 °С ниже, чем у стали, что значительно облегчает и удешевляет процесс литья.

Структура и свойства чугунов зависят от условий получения отливки и химического состава. Механические свойства чугуна связаны с формой и размерами графитных включений. По этим признакам различают следующие чугуны: серый чугун (СЧ), содержащий графит пластинчатой формы; ковкий чугун (КЧ), содержащий графит хлопьевидной формы; высокопрочный чугун (ВЧ) с графитом шаровидной формы.

На рис. 7 изображена сводная таблица классификации чугунов по форме графитовых включений:

Рис. 7. Обобщенная классификация чугуна

Чугун маркируется буквами, отражающими структуру материала, и цифрами, обозначающими предел прочности при растяжении _В, МПа.

Рассмотрим особенности структуры чугунов различных видов.

1. Серый чугун

В структуре серых чугунов присутствует графит пластинчатой формы (рисунок 8). Чем меньше пластинки, тем прочнее чугун. Но, в целом, серые чугуны имеют самые низкие механические свойства и используют их в деталях не слишком ответственного назначения и только при отсутствии ударных нагрузок.

Рис. 8. Графит пластинчатой формы

Процесс получения серого чугуна достаточно простой и дешевый, поэтому отливки из него являются самыми распространенными в России.

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из зернистой 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 (по массе) находится в виде цементита, а остальной углерод – в виде графита; феррито-перлитной, когда массовая доля углерода в виде цементита менее 0,8 %; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.

Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для нагруженных деталей двигателей, станин станков и других ответственных изделий. Для менее ответственных деталей используется серый чугун с ферритно-перлитной основой.

2. Ковкий чугун

Имеет в структуре графит хлопьевидной формы (рис. 9) и, в связи с этим, более высокие механические свойства, прежде всего, пластичность. Поэтому он и называется ковким. Название нельзя понимать буквально, ни один из чугунов не куется, заготовки всех чугунов изготовляются только литьем.

Процесс получения ковкого чугуна сложнее, чем серого. Его плавят в электропечах, что позволяет полнее удалить серу и фосфор. Охлаждение ковкого чугуна идет очень долго: до 50-60 часов, что позволяет получать структуру с высокими механическими свойствами.

Рис. 9. Графит хлопьевидной формы

Ковкий чугун применяется для изготовления сравнительно небольших отливок тонкостенных деталей ответственного назначения.