Состояние углерода в чугуне и форма графитных включений играют решающую роль в достижении наиболее высоких показателей механических свойств. Поэтому главными классификационными признаками чугунов являются состояние углерода (связанное или свободное) и форма графитных включений. В соответствии с этим различают:

· белый чугун – весь углерод в белом чугуне находится в связанном состоянии в виде карбида железа – цементита;

· серый чугун – углерод в основном находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы и частично может находиться в перлитной составляющей металлической основы в виде цементита (до 0,8%);

· высокопрочный чугун содержит до 0,8% углерода в металлической основе в связанном состоянии в виде шаровидного графита;

· ковкий чугун получается путем отжига отливок белого чугуна, в результате чего цементит распадается с образованием своеобразных по форме хлопьевидных включений графита, при этом связанный углерод присутствует только в перлите металлической основы.

Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом термической обработки.

По степени графитизации белый чугун является почти неграфитизированным, половинчатые чугуны являются малографитизированными, а остальные чугуны – значительно графитизированными (рис.11).

Рисунок 11. Схема классификации чугунов по степени графитизации, виду излома, форме и условиям образования графита.

Белый чугун. Так как углерод в белом чугуне находится преимущественно в виде цементита, то на изломе такой чугун имеет белый цвет и характерный металлический блеск. Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется, а идет на производство стали.

По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Любой белый чугун содержит эвтектику – ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита, а при охлаждении ниже 727 0 С – из перлита и цементита (рис. 12 ).

Рисунок 12. Микроструктура белого эвтектического (4,3 % углерода) чугуна.

Большое количество цементита в структуре придает белым чугунам высокую твердость 450-550 НВ и хрупкость, поэтому они используются только для изготовления износостойких деталей типа шаров мельниц, звездочек в галтовочных барабанах, облицовочных плит для щековых дробилок, прокатных валков с отбеленной поверхностью и т.д. В связи с высокой хрупкостью белые чугуны имеют очень ограниченное применение и поэтому не маркируются.

Серый чугун. Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении. Он мало пластичен и вязок, но легко обрабатывается резанием, применяется для малоответственных деталей и деталей, работающих на износ, так как ему присущи антифрикционные свойства Так как углерод в нем находится преимущественно в свободном состоянии в форме пластинчатого графита, то на изломе данный чугун имеет серый цвет (Рис. 13).

Рисунок 13. Вид излома серого чугуна.

В зависимости от распада цементита различают ферритный, ферритно – перлитный и перлитный серые чугуны (Рис. 14). Наиболее прочным, но в то же время наименее пластичным, является чугун на перлитной основе. Чугун на ферритной основе обладает наивысшей пластичностью при наименьшей прочности.

Рисунок 14. Структура серого чугуна (а – перлитная, б – ферритно-перлитная, в – ферритная).

Графитовые включения в чугуне не связаны с металлической основой. Поэтому при увеличении содержания углерода повышается объем графитовых включений, что снижает их прочность. Этим обусловлено сравнительно небольшое содержание углерода (от 3,5 до 4,5%).

Иногда в сером чугуне наряду с графитом содержится ледебурит. Такой чугун называют половинчатым. Структура половинчатого чугуна – ледебурит + перлит + графит. В легированных и термически обработанных чугунах можно получить мартенсит, аустенит или игольчатый тростит.

Половинчатым чугун называется потому, что вид излома у него представляет собой сочетание из светлых и темных участков кристаллического строения. Половинчатый чугун твёрд и хрупок; применение изделий из половинчатого чугуна ограничено. Чаще всего эта структура встречается в отбеленных отливках в качестве переходной зоны между отбеленным слоем и графитизированной частью.

Серый чугун широко применяется в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении для производства отливок, поэтому его называют литейным. Из него изготавливают станины металлорежущих станков, блоки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и т.д.

Маркировка. Серые чугуны обозначаются по ГОСТ 1412-85: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20 … СЧ 45. Расшифровывается марка следующим образом: СЧ – серый чугун, двухзначная цифра характеризует предел прочности при растяжении σ_в в МПа∙10. Например, чугун СЧ 35 имеет σ_в=350 МПа.

Выбор марки чугунов для конкретных условий работы обуславливается совокупностью технологических и механических свойств. Ферритные серые чугуны СЧ10. СЧ15, СЧ18 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей – крышки, фланцы, маховики, диски сцепления и т.д. Ферритные серые чугуны СЧ20, СЧ21,СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статистических и динамических нагрузках – блоков цилиндров, картеров двигателей, поршней цилиндров, барабанов сцепления и т.д. Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ49, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами, их используют для изготовления гильз цилиндров, распределительных валов и т.д.

Высокопрочный чугун. Высокопрочными называются чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму (Рис. 15). Получают путем введения в жидкий серый чугун специальных добавок.

Рисунок 15. Шаровидный графит.

Высокопрочные чугуны могут иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую основу (Рис. 16).

Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов – обратное.

Рисунок 16. Структура высокопрочного чугуна (а – перлитный, б – перлитно –ферритный, в – ферритный).

Для данных чугунов характерна достаточно высокая ударная вязкость и усталостная прочность, при перлитной основе.

Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %,кремния –1,9…2,6 %, марганца –0,6…0,8 %, фосфора – до0,12 %, серы – до0,3 %.

Эти чугуны обладают высокой жидкотекучестью, линейная усадка – около 1%. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна. Из-за высокого модуля упругости обладают достаточно высокой обрабатываемостью резанием.

Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Маркировка. Высокопрочный чугун маркируется буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях МПа (ГОСТ 7293-85). Например, ВЧ70 – высокопрочный чугун с σ_в=700 МПа; Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ80, ВЧ100.

Ковкий чугун. Ковким называют чугун с хлопьевидным графитом. Его получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4—2,9 % С и 1,0—1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига.

Промышленный ковкий чугун производится главным образом с ферритной основой; в ней однако всегда имеется перлитная кайма. В последние годы стали широко применяться чугуны с феррито-перлитной и перлитной основой. Чугун с ферритной основой обладает большой пластичностью.

Излом у ферритного ковкого чугуна черно-бархатистый; с увеличением количества перлита в структуре излом становится значительно светлее.

Данный чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркировка. Ковкий чугун обозначается двумя буквами и двумя числами (ГОСТ 1215-85), например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число—предел прочности (в МПа) на разрыв σ_в=370 МПа, второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна δ=12%.

«Железное литьё» известно человечеству с незапамятных времен. В наше время оно широко используется во многих сферах народного хозяйства и носит название – чугун. И если о коленвалах, картерах редукторов, ступицах колес, арматуре обычный человек может и не знать, то о сковородках, чугунках, радиаторах, ваннах, решетках и других чугунных изделиях знают все.

Металлургическая промышленность производит разные простые и специальные виды чугуна, для каждого из которых существует своя сфера применения.

Особенности чугунов

Чугун – железоуглеродистый сплав, выплавляемый с использованием топлива из магнитного, красного или бурого железняка, с добавлением специальных неорганических веществ – плавней (флюсов).

Очень многие не видят принципиальных отличий между сталью и чугуном, ошибочно предполагая, будто это одно и тоже.

Оба продукта металлургии являются сплавами – состоят из нескольких компонентов, одним из которых является железо.

Чугун выступает сырьём для производства стали.

Технологические свойства:

• у стали – деформационные (штамповка, вальцевание, ковка);
• у чугуна – литейные.

Присутствие углерода:

Внешние отличия:

• чугун темный и матовый;
• сталь серебристая и блестящая.

Различные физические характеристики

• выше литейные качества;
• легко обрабатывается резанием;
• имеет меньший вес;
• ниже температура плавления.

К минусам чугуна можно отнести:

• малая пластичность;
• хрупкость;
• слабо поддаётся ковке и сварке.

У чугуна низкая себестоимость, он дешевле стали.

Добавки и примеси

Весь поставляемый чугун регламентирован ГОСТами по своему химическому составу и содержанию примесей. Чугунное литьё, помимо железа, имеет в себе некоторые «ингредиенты», влияющие на конечный продукт и добавляющие определенные особенности:

• углероды – увеличивают твердость сплава;
• кремний – улучшает литейные качества;
• марганец – придает крепость;
• сера – «загущает», ограничивает жидкотекучесть чугуна.
• фосфор вызывает образование трещин в холодном состоянии и снижает механические параметры.

С целью улучшения исходного материала чугун легируют, то есть вводят различные легирующие добавки, изменяющие физические и/или химические свойства.

Чугуны с большим содержанием кремния и марганца в составе относят к легированным.

Классификация чугунов

Металлургическая промышленность выпускает разные виды чугуна. Сорт зависит от участвующих в сплаве форм графита или цементита и остальных компонентов.

Серый чугун (СЧ)

Обозначают буквами СЧ. На разрезе – серовато-черный, что обусловлено присутствием графита, этого природного цвета. В составе также присутствуют различные примеси, в том числе и кремний. Этот вид чугуна, свободно поддающийся резке и часто употребляющийся в машиностроительной отрасли для «неосновных» деталей, при добавлении фосфора становится жидкотекучим. Применим для всех видов литья, в том числе художественного.

Белый чугун

На разрезе светлый, благодаря присутствию карбида железа. Подвергается дальнейшей переработке на ковкий чугун и сталь. Поэтому сорт называют передельным. Свойства – хрупкость и твердость, слабо обрабатываемый, не годится для самостоятельного использования. Твердый, слабо подвержен обработке, хрупкий – такие свойства делают его непригодным для самостоятельного использования.

Ковкий чугун

Обозначение – КЧ. При длительном отжиге белый чугун преобразуется в ковкий.

Свойства – не поддаётся обработке давлением, но при этом обладает повышенной сопротивляемостью ударам и прочностью при растяжении. Ковкий чугун подходит для изготовления деталей усложненной конфигурации.

Высокопрочный

Маркируют буквами ВЧ. Получают при введении в серый жидкий чугун спецдобавок, для придания графиту сфероидальной формы. Высокопрочный вид чугуна применяют для изготовления ответственных деталей – шестерён, коленвалов, поршней, которые должны иметь высокую износоустойчивость.

Форма выпуска передельного и литейного видов – специальные формы – чушки. Современные технологии позволяют получить полуфабрикаты, квадратные, листовые, пластинчатые, брусковые заготовки разновидностей чугуна.

В зависимости от назначения и химсостава выделяют следующие разновидности чугуна:

Они имеют названия, соответствующие металлам-добавкам:

Легированные виды более всего востребованы в производстве агрегатов, механизмов, узлов и деталей, работающих в особо неблагоприятных средах и условиях.

Чугун, отличающийся увеличенным процентным включением ферромарганца или ферросилиция, относят к специальным – ферросплавам. Добавляются в сталеплавильном производстве для выделения кислорода – раскисления.

К легированным чугунам относят:

1. Антифрикционные;
2. Жаростойкие;
3. Жаропрочные;
4. Коррозионностойкие.

Антифрикционные виды маркируются первыми буквами АЧ. Например, АЧС – это антифрикционный серый чугун. Ещё можно увидеть маркировку АЧВ – антифрикционный высокопрочный чугун и АЧК – антифрикционный ковкий.

Жаростойкий вид маркируют буквами ЖЧ. Далее указывается буква обозначающая легирующий элемент. Например, ЖЧХ-2,5. Это жаростойкий чугун с добавлением хрома 2,5%.

К жаростойким относят марки: ЧН19ХЗШ.

К коррозионностойким: маркировка ЧНХТ, ЧН1МХД

Еще их называют специальными чугунами.

Производство

Технология промышленного извлечения железа из железосодержащего сырья и получение чугуна достаточно трудоёмкая и сложная. Нет смысла описывать все химические и технологические процессы и углубляться в терминологию. Изучить вопрос можно при желании в источниках по металлургии.

Чугун выплавляют из магнитного, красного, бурого железняка, на металлургических комбинатах, в специальных доменных печах. Топливом служит кокс, который частично могут заменять мазутом или газом.

Руда проходит предварительную подготовку, прежде чем попасть в доменную печь. Помимо руды и топлива, для плавки используют флюсы – известняки, необходимые для образования шлака и удаления серы из расплава.

Методы подготовки зависят от качества руды – это дробление, сортировка, окусковывание, обогащение и другие.

Пройдя все сложные процессы, руда превращается в шихту, которая непрерывно загружается в доменную печь.

Через фурмы в нижней части подается раскаленный воздух, обогащенный кислородом и природный газ, который сгорает под воздействием высоких температур, образуя диоксид кислорода. Поднимаясь выше, газ соединяется с кислородом и с еще не сгоревшим углеродом, преобразуясь в угарный газ СО. Он вступает в реакцию с оксидами железа, «отбирая» у них кислород.

В результате образуется почти чистый металл. Расплавленная чугунная масса стекает в горн. Несгораемые остатки также стекают вниз.

Готовый чугун сливают через определенные промежутки времени в специальные ковши.

Пока в печи идет процесс плавки, отверстие, через которое выпускают чугун, забивают специальной пробкой из тугоплавкой массы. Чтобы выпустить металл, в пробке пробивают отверстие. По специальным каналам в полу цеха поток расплавленного металла течет «красным сливом».

Жидкий шлак также выпускают из печи по другому каналу.

С каждой плавки берется проба. Металл заливают в специальную форму и делают анализ. Все процессы автоматизированы. За ними следят операторы.

А простому обывателю домна представляется гигантской пробиркой, в которой происходит «таинство» превращения железной руды в чугун.

Преимущества «железного литья»

Чугуны, как и любые материалы, имеют определенные плюсы и минусы, при эксплуатации различной продукции из них – запчастей к автомобилям, деталей станков, сантехнического оборудования и других изделий.

• экологичность;
• способность сохранять температуру;
• высокая теплоотдача;
• устойчивость к перепадам температур;
• устойчивость к кислотам и щелочам;
• коррозионная устойчивость;
• некоторые виды – повышенной прочности, что позволяет сравнивать со сталью;
• износостойкость;
• долговечность.

• хрупкость, при сборке следует соблюдать осторожность;
• большой вес изделий;
• ржавеет при длительном контакте с водой.

Основу черной металлургии в нашей стране составляет производство чугуна, стали и проката. Крупнейшим потребителем «железного литья» являются такие стратегически важные отрасли как металлообработка, машиностроение, строительство, транспорт, легкая промышленность, химическая и другие.

Железное литьё не сдает свои позиции и в производстве товаров народного потребления – чугунные котлы, сковородки, утятницы, ограды. Искусные мастера из этого металла создают самые настоящие произведения искусства – каминные решетки, ограды, скамейки, перила, украшая их ажурными чугунными кружевами.

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида же­леза. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и харак­терный металлический блеск. Структура состоит из пер­лита, ледебурита и избыточного цементита, поэтому чугун отличается высокой твердостью, хрупкостью, низ­кой прочностью и трудоемкостью механической обра­ботки. Из белого чугуна делают отливки деталей с по­следующим отжигом на ковкий чугун. Белые чугуны применяют для производства стали, поэтому их назы­вают передельными чугунами.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугу­ны — отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготов­ляют прокатные валки, тормозные колодки и другие детали, работающие в условиях износа.

16. Серые чугуны, их маркировка и область применения.

В серых чугунах углерод в значитель­ной степени или полностью находится в свободном со­стоянии в форме пластинчатого графита. Из-за этого излом имеет серый цвет.

В зависимости от распада цементита различают ферритный, феррито-перлитный и перлитный серые чугуны. Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается, менее хрупок, чем белый чугун, ему присущи хорошие антифрикционные свойства, что объясняется пористым строением и наличием графита. Иногда в структуре чугуна наряду с графитом содер­жится ледебурит. Такой серо-белый чугун называют половинчатым. Основные его свойства: высокая твер­дость, хрупкость и низкая прочность.

Серый чугун широко применяют в автотракторном и сельскохозяйственном машиностроении для производства отливок, поэтому его называют литейным. Из него изготавливают станины металлорежущих станков, бло­ки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и др. Маркируется серый чугун по ГОСТ 1412-79 буквами СЧ и цифрами, кото­рые обозначают предел прочности при растяжении. Например, марка СЧ18 (всего по ГОСТу 11 марок) по­казывает, что чугун этой марки имеет G_в=176 МПа.

Выбор марки чугунов для конкретных условий ра­боты обусловливается совокупностью технологических и механических свойств. Ферритные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, диски сцепления и др. Феррито-перлитные СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоков цилин­дров, картеров двигателя, поршней цилиндров, бараба­нов сцепления и др. Перлитные серые модифицирован­ные чугуны СЧЗ0, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают наи­более высокими механическими свойствами и их исполь­зуют для изготовления гильз цилиндров, распредели­тельных валов и др.

17. Высокопрочные чугуны, их маркировка и область применения.

В высокопрочном чугуне гра­фитовые включения имеют шаровидную форму. Это до­стигается модифицированием чугуна магнием до 0,5 % от массы чугуна. Шаровидная форма графита опреде­ляет наибольшую сложность металлической основы и не создает резкой концентрации напряжений, поэтому чугун имеет высокую прочность при растяжении и изгибе. Из высокопрочного чугуна изготавливают ответственные детали машин (коленчатые валы, зубчатые колеса, поршни и др.).

Высокопрочный чугун, так же как и серый, подраз­деляют на ряд марок в зависимости от механических свойств, причем основными показателями служат пре­дел прочности при растяжении и относительное удлине­ние. Механические свойства зависят от структуры ме­таллической основы, которая может быть перлитная, феррито-перлитная и ферритная. Лучшей структурой яв­ляется структура, состоящая из перлита и шаровидного графита, окруженного небольшими островками феррита.

Маркируется высокопрочный чугун по ГОСТ 7293-79 (всего по ГОСТу 10 марок) буквами ВЧ и цифрами, из которых первые две обозначают предел прочности при растяжении, а последние – относительное удлинение в процентах. Например, марка ВЧ 42-12 показывает, что чу­гун данной марки имеет G_в= 412МПа и б = 12 %.