5. Чугуны

5.1.Классификация и маркировка

Чугун  сплав железа с углеродом (2,14…6,64 % С).

Чугуны классифицируют по назначению, степени графитизации, форме графита, микроструктуре металлической основы, химическому составу.

По назначению чугуны подразделяются на передельные (идут на переработку в сталь) и литейные (для изготовления различных отливок).

Классификация по структуре основывается на степени связанности углерода в сплаве.

Если весь углерод находится в связанном состоянии  в виде химического соединения Fe₃C, то чугун называется белым.

Если весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии  в виде графита, то чугун называется серым, ковким или высокопрочным. Форма графита, оказывающая существенное влияние на свойства чугунов, в серых чугунах  пластинчатая, в ковких  хлопьевидная, в высокопрочных  шаровидная.

По структуре чугуны делят на ферритные, феррито-перлитные и перлитные.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ (серый чугун) и цифрами (например, СЧ12, СЧ15, СЧ18, СЧ21, СЧ23, СЧ24, СЧ32, СЧ36, СЧ40), показывающими среднее временное сопротивление при растяжении (кгс/мм²). Например, чугун марки СЧ12 имеет _В > 12 кгс/мм² (120 МПа), СЧ40  _В = 40 кгс/мм² (400 МПа).

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируют соответственно буквами ВЧ и КЧ и цифрами (например, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3), при этом первые две цифры указывают на средний _В, а следующие в ковких чугунах  на относительное удлинение в %.

5.2. Свойства и применение чугуна

Белый чугун

Наличие большого количества высокотвердого >800 НВ (> 8000 МПа) Fe₃C обусловливает высокую хрупкость, очень плохую обрабатываемость резанием, а следовательно, и ограниченное применение белого чугуна. Его, в основном, перерабатывают в сталь, применяют в качестве литейного материала с рекордной устойчивостью в условиях абразивного износа; при помощи термообработки трансформируют в ковкий чугун.

Серый чугун

Серый чугун представляет собой сплав FeCSi с неизбежными примесями Mn, S и Р. Содержание углерода колеблется в пределах 2,4…3,8 %. Кремний (1,2…3,5 %) вводят специально  он ускоряет графитизацию, оказывает большое влияние на структуру и свойства чугуна. Марганец (1,25…1,4 %) и сера (0,1…0,12 %) препятствуют графитизации, причем в мелких отливках их действие вреднее, чем в больших. Он способствует отбеливанию (образованию Fe₃C) чугуна, особенно в поверхностных слоях отливок, охлаждающихся более интенсивно. Сульфиды FeS, MnS ухудшают свойства отливок. Фосфор не влияет на графитизацию, но образует фосфидную эвтектику, повышающую литейные свойства чугуна. Поэтому в отливках для художественного литья допускается 0,4…0,5 % Р.

Серый чугун имеет высокие литейные свойства (определяются его структурой), сравнительно низкую температуру плавления, хорошую жидкотекучесть, способность поглощать вибрации, достаточно высокое сопротивление разрушению под действием сжимающих нагрузок, что обеспечивает широкое применение серого чугуна.

Пластины графита нарушают сплошность металлической основы: в силу малой прочности его включения являются как бы готовыми трещинами. Измельчение графитных включений, увеличение степени изолированности их друг от друга повышают прочность чугуна, но относительное удлинение его при растяжении все равно мало  меньше 0,5 %.

Графит (играет роль смазки) обусловливает хорошие антифрикционные свойства чугуна, улучшает обрабатываемость резанием.

В зависимости от структуры основы твердость чугуна составляет 143…255 НВ (1430…2550 МПа). Соответственно меняется и прочность: чем больше феррита, тем ниже прочность и износостойкость. Наиболее прочные перлитные чугуны применяют для ответственных отливок (станины мощных станков, гильз, поршней, поршневых колец, цилиндров, блоков двигателей, дизельных цилиндров и др.).

Ферритные и феррито-перлитные чугуны с _В = 120 180 МПа применяются для изготовления малоответственных и малонагруженных деталей (фундаментные плиты, корпуса редукторов и насосов, строительные колонны, крышки, ступицы и др.).

Высокопрочный чугун

При выплавке чугуна с присадкой небольшого количества (0,03…0,07 %) магния или других модификаторов (щелочных или щелочноземельных металлов) графит в чугуне получается шаровидной формы. Он значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый. Чугун имеет более высокие механические свойства: способность гасить вибрации, хорошо обрабатываться резанием, износостойкость, литейные свойства и др. Как правило, в таком чугуне содержится 2,7…3,7 % С, 1,6…2,7 % Si, 0,5…0,6 % Mn, 0,1 % Р, 0,1 % S (для чугунов, имеющих _В  800 МПа, содержание S  0,01 %).

Как и серые, высокопрочные чугуны имеют ферритную, феррито-перлитную и перлитную основу. Сорбитообразный перлит придает чугунам наибольшую прочность.

Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверсы прессов, шаботы ковочных молотов, корпуса турбин, коленчатые валы, поршни, кронштейны) и другие ответственные детали.

Ковкий чугун

Если отливки из белого чугуна подвергнуть отжигу, то цементит распадается, и графит приобретет хлопьевидную форму. Это обеспечивает чугуну с твердостью 163 НВ (1630 МПа) некоторую пластичность при растяжении ( до 12 %). Поэтому такие чугуны называются ковкими, хотя ковать их невозможно.

Степень графитизации зависит от длительности отжига.

Твердость ферритного чугуна 163 НВ (1630 МПа), перлитного 240…269 НВ (2400…2690 МПа). Наибольшую прочность имеют чугуны с перлитной (сорбитной) структурой. Влияние хлопьевидного графита на механические свойства чугунов примерно такое, как шаровидного.

Из ферритных ковких чугунов изготавливают изделия, работающие как при высоких статистических и динамических нагрузках, так и менее ответственные детали (головки, хомуты, гайки, фланцы муфт). Из перлитного ковкого чугуна делают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейеров, втулки, тормозные колодки.

Из высокопрочного магниевого чугуна отливают детали большого сечения, из ковкого, главным образом, тонкостенные.