Разновидности чугунов. Виды чугунов
6.4. Виды чугунов
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой , называютсябелыми чугунами (по серебристо-белому цвету излома). Такие чугуны содержат ледебурит, отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому применяются лишь для ограниченной группы деталей, работающих на износ: прокатных валков, лемехов плугов, шаров мельниц.
По количеству углерода и по структуре белые чугуны делятся на доэвтектические (), эвтектические () и заэвтектические ().
Можно вызвать распад ледебурита с выделением углерода в виде графита, что приведет к повышению механических характеристик. Чугуны, в составе которых имеется свободный графит, в зависимости от формы его включений делятся на серые, высокопрочные, ковкие и вермикулярные. Эти чугуны имеют металлическую основу, в которой распределены графитовые включения. В зависимости от строения металлической основы различают ферритные, феррито-перлитные и перлитные чугуны. Перлитные чугуны обладают большей прочностью по сравнению с ферритными.
Серым называют чугун, в котором включения свободного углерода имеют пластинчатую форму. Такие включения играют характер надрезов, что значительно снижает прочность металлической матрицы. Марка серого чугуна складывается из букв СЧ и числа, которое показывает предел прочности на разрыв в ().
Процессу графитизации способствует повышенное содержание в чугуне углерода, кремния, меди, никеля, а также замедленное охлаждение отливок.
Серый чугун находит применение в станкостроении (базовые корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, станины, направляющие), автостроении (блоки цилиндров, гильзы, поршневые кольца, распределительные валы).
Чугун с шаровидными включениями графита называется высокопрочным. Если перед разливкой в жидкий чугун вводят модификатор – магний (по массе), то выделяющийся графит приобретает круглую форму. Механические свойства по сравнению с серым чугуном улучшаются: сильно повышается пластичность и заметно увеличивается прочность. Принцип маркировки высокопрочных чугунов () почти аналогичен маркировке серых.
Высокопрочный чугун находит применение как заменитель углеродистой стали, в частности, для изготовления коленчатых валов массой от нескольких килограмм до взамен кованых стальных валов. Из этого чугуна также изготавливают изложницы, валки прокатных станов, детали турбин, станков: суппорты, резцедержатели и др.
Чугун с хлопьевидными включениями графита называется ковким. Его получают отжигом белого чугуна. Отливки выдерживают в печи при температуре в течении, что способствует графитизации углерода. При последующем медленном охлаждении (2 - выдержке в интервале) происходит разложение цементита, в т.ч. входящего в состав перлита и структура чугуна после отжига состоит из феррита и графита. При относительно быстром охлаждении (1) получается перлитный ковкий чугун.
По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между сталью и серым чугуном.
Марки ковкого чугуна: (- предел прочности на разрыв в, 6 – относительное удлинение в процентах),,и др.
Мелкие отливки преимущественно из ферритного ковкого чугуна используются в различных отраслях промышленности: в авто- и транспортостроении, сельхозмашиностроении (картеры редукторов, корпуса подшипников, звездочки приводных цепей и др.) и других областях.
Следующим видом является чугун с вермикулярным графитом. В этих чугунах структура формируется под действием комплексного модификатора, содержащего и редкоземельные металлы. Графит приобретает шаровидную (до) и вермикулярную – в виде мелких тонких прожилок - форму.
Имеется четыре марки этого чугуна (принцип маркировки как у серого и высокопрочного чугуна): ,,,. По механическим свойствам они соответствуют промежуточному положению между серым и высокопрочным. Отличаются хорошей теплопроводностью, поэтому стойки к теплосменам.
Этот чугун заменяет серый чугун в отливках, подверженных циклическим нагревам и частым теплосменам (блоки цилиндров, поршни, изложницы и кокили).
Все чугуны по сравнению со сталями обладают меньшей стоимостью и более высокими литейными свойствами, что позволяет изготавливать из них отливки корпусных и прочих массивных деталей. Для чугунов, в составе которых имеется свободный графит, играющий роль смазки, характерны высокие антифрикционные свойства и хорошая обрабатываемость резанием. Однако чугуны, по сравнению со сталями, обладают меньшей пластичностью и ударной вязкостью. Являясь относительно малопластичными сплавами, чугуны имеют значительно большую несущую способность по напряжениям сжатия, чем по напряжениям растяжения.
studfiles.net
Разновидности чугунов
Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % С, называются чугунами. В отличие от стали чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Их технологические свойства обусловлены наличием эвтектики в структуре. Стоимость чугунов ниже стоимости стали.
Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах.
Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавкистали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья. В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0 % С. Кроме углерода обязательно присутствуют примеси S, P, Mn, Si причем в значительно большем количестве, чем в углеродистой стали.
В зависимости от формы выделения углерода различают следующие виды чугунов.
- Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3С. Чугун в изломе имеет белый цвет и характерный блеск.
- Половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.
- Серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии в виде цементита составляет не более 0,8 %.
- Чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при литье их в металлические формы. По мере удаления от поверхности вследствие уменьшения скорости охлаждения структура белом чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используют для деталей с высокой износостойкостью, для валков прокатных станов, мукомольных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, лемехов плугов с отбеленным носком и лезвием. Отбел может достигаться путем местного увеличения скорости охлаждения за счет установки в литейную форму холодильников в виде металлических вставок.
- Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму.
- Ковкие чугуны, в которых углерод находится в виде хлопьевидного графита, получаются из белых чугунов путем отжига.
metallurgy.zp.ua
Структура, свойства и применение чугунов
Чугуны – это сплавы на основе железа, содержащие от 2 до 5 % углерода, а также марганец, кремний и вредные примеси. Это литейный и передельный материал.
В зависимости от того, в какой форме содержится углерод, различают следующие виды чугунов: белые, в которых весь углерод связан в карбид железа Fe3C (рис. 12, а), серые с пластинчатым графитом (рис. 12, б), ковкие – с хлопьевидным графитом (рис. 12, в) и высокопрочные – с шаровидным графитом (рис. 12, г).
Рис.12 . Виды чугунов:
а – белый заэвтектический; б – серый; в – ковкий; г – высокопрочный
(б, в, г – структура металлической основы не показана)
Белые чугуны содержат углерод только в связанном виде – в виде цементита. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. В структуру любого белого чугуна входит эвтектика – ледебурит. В момент образования он состоит из аустенита и цементита, а при температуре ниже 7270C – из перлита и цементита.
Излом белого чугуна светлый, блестящий – «белый», отсюда и название. Твердость составляет 450-500HB, материал очень хрупкий и твердый. Резанием (лезвийным инструментом) не обрабатывается, для изготовления деталей не используется.
Применяют отбеленные чугунные детали, у которых сердцевина имеет структуру серого чугуна, а с поверхности есть слой белого чугуна толщиной 5-7 мм. Так можно изготавливать прокатные валки, тормозные колодки, шары мельниц для размола горных пород, лемехи плугов, зубья ковшей экскаваторов, доски в драгах, – то есть, изделия, от которых требуется высокая твердость и износостойкость поверхности.
Для получения структуры белого чугуна в отливке необходимо быстрое охлаждение, а также минимальное содержание кремния и присутствие марганца и хрома («отбеливающих» компонентов).
Главное назначение белого чугуна – передел в ковкий чугун.
Серые чугуны.В сером чугуне весь углерод или его часть находятся в свободном виде – в виде графита. Диаграмма состояния железо – цементит является метастабильной (неравновесной). При очень медленном охлаждении расплавленного чугуна реализуется стабильная, равновесная диаграмма железо – графит. Ее точки и линии смещены чуть влево и вверх.
а б
Рис.13 . Равновесная диаграмма состояния железо-графит (а)
и схема, иллюстрирующая вероятность образования графита и цементита (б)
Графит в сером чугуне – это кристаллы сложной формы – «розетки», растущие из одного центра в виде сильно искривленных лепестков (рис. 70, а). В плоскости шлифа графит виден как отдельные пластинки, прямолинейные или изогнутые, так как плоскость шлифа пересекает графитные лепестки. Такой графит называют пластинчатым.
Металлическая основа серого чугуна может быть ферритной, перлитной или смешанной – феррито-перлитной (рис. 14,б). Излом серого чугуна темно-серого цвета, а в ферритном чугуне, в котором весь углерод содержится в виде графита, – бархатно-черного.
Механические свойства серых чугунов зависят от структуры основы и от количества, формы и размеров графитовых включений. Перлитные серые чугуны тверже и прочнее, ферритные – наименее прочные, феррито-перлитные – имеют промежуточные характеристики. Графит играет роль надрезов, трещин в металлической основе. Прочность графита при растяжении несопоставима с прочностью металла, поэтому пластичность чугунов очень мала (δ ≤ 0,5%), а предел прочности при растяжении значительно ниже, чем у стали. Но на сжатие графит работает хорошо.
Серый чугун – самый дешевый литейный сплав. Имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку, что позволяет получать тонкостенные фасонные отливки. Хорошо обрабатывается резанием: дает мелкую сыпучую стружку, графит является твердой смазкой и уменьшает тем самым износ инструмента. Благодаря графиту, в сером чугуне быстро затухают механические колебания, в том числе звуковые, что позволяет уменьшить шум при работе оборудования. Чугун нечувствителен к надрезам на поверхности деталей (в отличие от стали).
Детали из чугуна изготавливают литьем с последующей обработкой резанием. Для получения структуры серого чугуна в отливке сплав должен содержать много кремния и углерода, но мало марганца, чтобы не образовался цементит.
ГОСТ 1412-85 включает 6 основных марок серого чугуна. Чугун – единственный сплав, в марке которого зашифрован не химический состав, а механические свойства. Например, марка СЧ12 означает: серый чугун с пределом прочности при растяжении 120 МПа (12 кг/мм2).
Серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих с небольшими нагрузками, в основном, на сжатие. Это могут быть колонны, опоры, корпуса, станины, крышки, суппорты, зубчатые колеса, канализационные трубы, ванны, батареи.
Высокопрочные чугуны.В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. 
Они содержат 2,7-3,5 % углерода. Их модифицируют в ковше магнием (0,02-0,08 %). Модификатор не позволяет растущему кристаллу графита принять естественную форму розетки. Атомы магния образуют тонкий слой на поверхности зародыша графита, увеличивая его поверхностную энергию. Стремление системы к минимальной свободной энергии приводит к тому, что графит кристаллизуется в виде шариков (у шара поверхность при заданном объеме минимальна). Металлическая основа может быть такой же, как у серых чугунов (рис. 15).
Такой вид чугунов был создан с целью повышения механических свойства чугуна, сохранив его преимущества перед сталью. Предел прочности при растяжении sВ и относительное удлинение δ у высокопрочных чугунов выше, чем у серых, так как шаровидные включения графита – более мягкие концентраторы напряжения, чем пластинчатые (см. рис. ).
Маркировка высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85 аналогична маркировке серых. Например, ВЧ90 означает: высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 900 МПа (90 кг/мм2).
Такие чугуны выдерживают значительные растягивающие нагрузки, поэтому применяются для более ответственных деталей: кузнечно-прессового оборудования, станин прокатных станов, коленчатых валов автомобилей, поршней, вентилей, крыльчаток, распределительных валиков. Отливки из высокопрочного чугуна широко используются в автомобиле- и тракторостроении вместо более дорогих стальных поковок. Их можно подвергать упрочняющей термообработке. Есть смысл выплавлять легированные высокопрочные чугуны для особых условий эксплуатации – с повышенной вязкостью при отрицательных температурах, жаропрочные, коррозионно-стойкие.
Ковкие чугуны.В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит получается при отжиге белого доэвтектического чугуна с содержанием углерода 2,5-3 %. Его еще называют углеродом отжига.
При нагреве до температур, близких к солидусу, цементит в белом чугуне распадается на исходные компоненты: железо и углерод.
Fe3C → Fe + C.
Режим отжига может быть различным. Во время выдержки при температуре 1000 ºC распадается цементит эвтектики и получается перлитный ковкий чугун (рис. 16, режим а). Если сделать отжиг в две стадии, с выдержкой вначале немного ниже 1147 ºC, а затем чуть ниже температуры перлитного превращения, то на первой стадии распадется цементит эвтектики, а на второй – цементит, входящий в перлит (рис.16, режим б). При таком режиме получается ферритный ковкий чугун, самый мягкий и пластичный (рис. 17, а). Отжиг на ковкий чугун – длительная процедура, он занимает до 70-80 часов. Поэтому ковкий чугун самый дорогой.
Рис. 17. Ферритный (а) и перлитный (б) ковкий чугун
Маркировка ковких чугунов по ГОСТ 1215-92 включает характеристику не только прочности, но и пластичности. Например, КЧ45-7 означает ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 450МПа (45 кг/мм2) и относительным удлинением 7%. Но несмотря на повышенную пластичность материала, название «ковкий» – условное, ковать его нельзя.
Ковкие чугуны применяют для мелких деталей, работающих с вибрациями, ударами: крюков, скоб, картеров, ступиц и т.д.
infopedia.su
