Чугуны серые, белые литейные чугуны. Высоко-прочные чугуны, ковкие чугуны. Коррозионностойкие сплавы и чугуны

 

1. ЧУГУНЫ СЕРЫЕ, БЕЛЫЕ ЛИТЕЙНЫЕЧУГУНЫ. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ЧУГУНЫ, КОВКИЕ ЧУГУНЫ. КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СПЛАВЫ И ЧУГУНЫ.

1. Общие сведения

2. Белые чугуны

3. Серые чугуны

4. Ковкие чугуны

5. Высокопрочные чугуны

6. Литейные чугуны

7. Коррозионностойкие сплавы и чугуны

 

1. Общие сведения

Чугун — сплав Fe (основа) с С (обычно 2...4 %), содержащий постоянные примеси (Si, Мn, S, Р), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V, Аl и др.); как правило, хрупок.

 

Рис. 1. Фазовая диаграмма  стабильного равновесия Fe —С

Фазовая диаграмма состояния Fe — С (стабильная) представлена на рис. 1 (штриховые линии соответствуют выделению графита, а сплошные — цементита). Температуры плавления чугунов значительно ниже (на 300...400 °С), чем у стали.

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или одновременно в виде цементита и графита. Образование стабильной фазы - графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита (при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению Fе3С -> Fe + 3С с образованием феррита и графита). Процесс образования в чугуне (стали) графита называют графитизацией.

Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей).

Присутствие эвтектики в структуре  чугунов обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Высокие литейные свойства при небольшой стоимости обеспечили широкое применение чугунов в промышленности.

Механические свойства чугуна обусловлены, главным образом, количеством и структурными особенностями графитной составляющей. Влияние графитных включений на механические свойства чугуна можно оценить количественно (ГОСТ 3443—87). Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень их изолированности, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Наиболее высокую прочность обеспечивает шаровидная форма графитной составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства. Чугун с пластинчатым графитом можно рассматривать как сталь, в который графит играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу.

Применяемые для отливок чугуны имеют в среднем состав: С — 2...4%, Si— 1,5...4%, Мn—0,6... 1,25%, Р— 0,1...1,2%, S <0,06%.

Самым распространенным видом термообработки чугунов является отжиг отливок  при 430...600 °С для уменьшения литейных напряжений, которые могут вызвать даже коробление фасонных изделий. Нормализация чугуна проводится для аустенизации ферритной и ферритно-перлитной матриц и последующего перлитного превращения, что обеспечивает упрочнение. Закалку чугуна на мартенсит с нагревом до 850...930 °С и охлаждением в воде и масле применяют для повышения прочности и износостойкости. После закалки проводят низкий отпуск (200 °Q для уменьшения закалочных напряжений или высокий отпуск (600...700 °C) для получения микроструктур сорбита или зернистого перлита, обеспечивающих повышенную вязкость.

Классификацию чугунов проводят по виду и форме углеродосо-держащей структурной составляющей, то есть по наличию и форме графита.

По виду структурной  составляющей выделяют чугуны без графита  — белые чугуны, в которых практически  весь углерод находится в химически  связанном состоянии в виде цементита. Промежуточное положение занимает половинчатый чугун, большая (« 0,8 %) часть углерода которого находится в Fе3С. Структура половинчатого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

 

2. Белые чугуны

 

Белые чугуны (передельные) редко используются в народном хозяйстве в качестве конструкционных материалов, так как из-за большого содержания цементита очень хрупкие и твердые, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. Из них делают детали гидромашин, пескометов и других конструкций, работающие в условиях повышенного абразивного изнашивания.  Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют хромом, ванадием, молибденом и другими карбидообразующими элементами. Маркировка белых чугунов не установлена.

Разновидностью белых чугунов является отбеленные чугуны. Поверхностные слои изделий из таких чугунов имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина - серого чугуна. Отбел на некоторую глубину (12...30 мм) получают путем быстрого охлаждения поверхности (например, отливка чугуна в металлические или песчаные формы). Для снятия структурных напряжений, которые могут привести к образованию трещин, отливки подвергают нагреву при 500..550 °С. Высокая износостойкость отбеленных чугунов обусловлена твердостью поверхности, достигающей 400..500 HV. Из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и др.

 

3. Серые чугуны

 

Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в отливке в соответствии с диаграммой состояния системы Fe—С (стабильной). Причем, чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по этой диаграмме с образованием графитной эвтектики. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий).

Модифицирование металлов — введение в металлические расплавы модификаторов, то есть веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долей %) способствуют созданию дополнительных искусственных центров кристаллизации, и следовательно, образованию структурных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.

Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков.

Металлическая основа серых чугунов  формируется из аустенита при  этектоидном распаде и может быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Образование перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Для получения ферритного белого чугуна используют изотермическую выдержку при 690...650 °С, в результате которой цементит перлита распадается на феррит и пластинчатый графит.

Механические свойства серых чугунов  зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости.

Марки серых чугунов согласно ГОСТ 1412—85 состоят из букв «СЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении ов, МПа / 10. Чугун СЧ10 — ферритный; СЧ15, СЧ18, СЧ20 — ферритно-перлитные чугуны, начиная с СЧ25 — перлитные чугуны.

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок. Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритноперлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов — блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена. Из серого чугуна, содержащего фосфор (0,5 %), изготавливают архитектурно-художественные изделия.

 

4. Ковкие чугуны

 

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их специальному графи-тизирующему отжигу. Графитизирующий отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий (рис. 2).

Первая стадия (950... 1050 °С) подбирается  по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс графитообразования облегчается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным.

Рис. 2. Схема отжига белого чугуна на ковкий

На второй стадии графитизирущего  отжига при температуре эвтектоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в интервале 760...720 °С или изотермическая выдержка при 720...700 °С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного превращения.

Ковкие чугуны, обладая высокими пластическими свойствами, находят  применение при изготовлении разнообразных тонкостенных (до 50 мм) деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках, — фланцы, муфты, картеры, ступицы и др. Масса этих деталей — от нескольких граммов до нескольких тонн.

Для повышения твердости, износостойкости  и прочности изделий из ковкого чугуна иногда применяют нормализацию или закалку. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита.

 

5. Высокопрочные  чугуны

 

Высокопрочный чугун (ЧШГ — чугун  с шаровидным графитом) получают модифицированием жидкими присадками (0,1...0,5 % магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0,2...0,3 % церия, иттрия и некоторых других элементов). При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы до 0,02...0,03 °/о.

Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна (2,7...3,7 % С; 0,5...3,8 % Si) выбирается в зависимости от толщины стенок отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

Чтобы избежать образования в высокопрочных  чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Продолжительность такого отжига благодаря повышенному содержанию графитизирующих элементов (углерода, кремния) значительно короче, чем при отжиге белого чугуна.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и др.) свойствами. Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке. Образование мелкоигольчатого мартенсита в закаленном поверхностном слое изделий повышает их износостойкость в три и более раз. Для повышения износостойкости применяется также азотирование (или азотирование с последующей «обдувкой дробью»), при котором в поверхностных слоях изделий создаются благоприятные сжимающие напряжения.

 

6. Литейные  чугуны

 

Основным продуктом доменнного производства явл чугун, представляющий сплав железа с углеродом(2...4,5 %) и др. элементами (марганцем, кремнием, фосфором, серой, и др.) Исходя из хим. состава различают: предельный, литейный, и специальный чугуны. Около 85-90% приходится на предельный (белый) чугун. Отличается повышенной твердостью, хрупкостью, плохо поддается технологической обработке и используется в основном для производства стали. Для улучшения прочности и эксплуатационных характеристик, повышения износостойкости, жаростойкости, коррозионостойкости в состав чугуна вводят легирующие элементы: никель, хром, вольфрам, алюминий и др. Белые легированные чугуны обладают высокой прочностью, износостойкостью и жаростойкостью и частично используются для тормозных колодок, деталей котлов и т.д. Литейный (серый) чугун характеризуется повышенным содержанием кремния (до 4%), способствующего выделению углерода в виде графита. Такой чугун обладает хорошими литейными свойствами и применяется для изготовления различных деталей. Разновидностью литейных чугунов является природно-легированные чугуны, получаемые из железных руд, содержащих ванадий, хром, никель и др. Эти элементы при плавке переходят в состав чугуна, и улучшают его свойства. Природно-легированный чугун является хорошим конструкционным материалом.

Контроль качества. Чушковый предельный и литейный чугун контролируют по хим. составу, внешнему виду и количеству боя не должно превышать 2 % от массы партии, к бою относят куски массой не более 2 кг. При транспортировании в ж/д вагоны, предварительно очищенные от других материалов, загружают чугун только одной марки, группы, класса и категории, но если партия небольшой массы вагон догружают чугуном другой марки с принятием мер, исключающих их перемешивание. В каждом вагоне к партии д.б. прикреплен ярлык (наименование предприятия-изготовителя, марка, группа, класс и категория чугуна, хим. состав, номер партии и масса, обозначение стандарта). Хранят обычно на открытых площадках штабелями, придерживаясь раздельной укладки чугуна различных марок, групп, классов, категорий. Площадки для хранения должны иметь стоки дождевых вод, а штабеля д.б. укрыты брезентом.