Файл: 8. Чугуны 1 Общие сведения о чугунах.pdf

1
8. Чугуны
8.1 Общие сведения о чугунах
Чугунами называются сплавы железа и углерода с содержанием углерода от 2,14 % до 6,67%.
Чугуны имеют высокую твердость и низкую пластичность, поэтому как деформируемые сплавы не применяются. Чугуны обладают хорошими литейными свойствами, поэтому применяются для изготовления литых деталей различной формы (корпуса, основания машин и аппаратов и др.).
Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии в виде цементита, в свободном состоянии в виде графита или одновременно в виде цементита и в виде графита.
Углерод может существовать в двух аллотропических формах – алмаз и графит. Алмаз – редкая форма существования углерода, и в железоуглеродистых сплавах не встречается. В сплавах в свободной форме углерод может находиться только в форме графита. Кристаллическая структура графита – слоистая (рисунок 8.1). Графит имеет весьма низкие прочность и пластичность.
Рисунок 8.1 – Кристаллическая структура графита

2
8.2 Процесс графитизации в чугунах
Графитизацией называется процесс формирования в чугуне графита из жидкости или аустенита. Если графит формируется в чугуне при затвердевании, этот процесс называется первичной графитизацией. Если графит образуется в чугуне из аустенита в процессе специализированной термической обработки, этот процесс называется вторичной графитизацией.
Рассмотрим процесс первичной графитизации.
При охлаждении жидкого чугуна из жидкости возможно образование как графита, так и цементита. Удельная работа, затрачиваемая на образование центров кристаллизации, для цементита меньше, чем для графита. Поэтому, с этой точки зрения, из жидкого чугуна выгоднее образование цементита, а не графита.
Вместе с тем, графит – более устойчивая фаза, чем цементит. Смесь
(аустенит + графит) обладает меньшим уровнем свободной энергии по сравнению со смесью (аустенит + цементит). Следовательно, с точки зрения термодинамического фактора, более выгодным является образование графита, чем цементита. На рисунке 8.2а представлены зависимости уровней свободных энергий жидкого чугуна F
ж
, смеси (аустенит + цементит) F
А+Ц
и смеси (аустенит + графит) F
А+Г
Из рисунка 8.2а видно, что смесь (аустенит + графит) обладает меньшим уровнем свободной энергии, и, согласно принципу минимума свободной энергии, смесь (аустенит + графит) является термодинамически более устойчивой по сравнению со смесью (аустенит + цементит).
Если скорость охлаждения будет относительно невелика, т.е. степень переохлаждения при кристаллизации будет малой, и жидкая фаза будет кристаллизоваться при температуре 1153…1147ºС, то в этом случае будет происходить графитизация (см. рисунок 8.2б), и структура чугуна после кристаллизации будет (аустенит + графит).

3
Если же скорость охлаждения будет достаточно велика, кристаллизация чугуна будет происходить при температуре ниже 1147ºС за счет более высокой степени переохлаждения. В этом случае кинетически будет более выгодно образование смеси (аустенит + цементит), т.к. работа, затрачиваемая на образование цементита ΔF
Ц
, будет меньше, чем работа, затрачиваемая на образование графита ΔF
Г
(см. рисунок 8.2в). Образование графита в этом случае является вторичной реакцией, протекающей впоследствии в результате распада цементита. а б в
Рисунок 8.2 – Зависимость уровней свободной энергии жидкого чугуна F
ж
, смеси (аустенит + цементит) F
А+Ц
и смеси (аустенит + графит) F
А+Г
от температуры при кристаллизации чугунов (а) и схемы изменения уровней свободной энергии при кристаллизации чугунов с низкой (б) и высокой (в) скоростями охлаждения: А – аустенит; Г – графит; Ц - цементит

4
Образование графита из жидкости на практике облегчается наличием в ней различных примесей, включений, в том числе и мельчайших частиц графита, которые являются центрами кристаллизации графита и облегчают графитизацию.
Аналогично образование графита из аустенита при вторичной
графитизации. Образование графита возможно только в интервале температур 738…727ºС – при этом из аустенита образуется смесь (феррит + графит). При температуре 727 ºС аустенит уже будет распадаться не на смесь
(феррит + графит), а на смесь (феррит + цементит).
Таким образом, образование графита из жидкости или аустенита происходит при охлаждении в узком интервале температур (1153…1147ºС – при образовании из жидкости и 738…727ºС – при образовании из аустенита)
при малых скоростях охлаждения.
В случае, если графит не образовался при охлаждении из аустенита, т.е. структура чугуна после охлаждения состоит из перлита и цементита, можно провести специальную термическую обработку – графитизацию, в ходе которой из имеющегося в структуре цементита формируется графит.
Графитизация (обработка) заключается следующем. Сначала чугун нагревают до температуры выше линии PSK (см. рисунок 8.3, стадия 1). При нагреве до таких температур перлит превращается в аустенит, а при дальнейшей выдержке цементит распадается на (аустенит + графит) (стадия
2). При охлаждении (стадия 3), аустенит превращается в перлит. Если охладить чугун на этом этапе до комнатной температуры (стадия 5’), структура чугуна будет состоять из перлита и графита. Если чугун не охлаждать, а выдерживать при температуре немного ниже PSK (стадия 4), цементит, находящийся в перлите, распадается на (феррит + графит). В зависимости от завершенности этого процесса структура после охлаждения может быть (перлит + феррит + графит) (стадия 5’’) или (феррит + графит)
(стадия 5).

5
Рисунок 8.3 – Схема образования структур чугунов при графитизации: А – аустенит; Ц – цементит; Г – графит; П – перлит; Ф – феррит; PSK – температура, соответствующая линии PSK диаграммы «железо – углерод»
8.3 Виды чугунов
Чугун, в котором весь углерод связан в цементит, называется белым.
Чугуны, в которых углерод находится в виде графита, делятся на серые (с пластинчатыми включениями графита), высокопрочные (с шаровидными включениями графита)и ковкие (с хлопьевидными включениями графита).
Белый чугун
Такое название этот чугун получил из-за вида его излома, который имеет матово-белый цвет. Структура белого чугуна состоит из цементита и перлита. В белом чугуне весь углерод находится в форме цементита, и степень графитизации равна нулю. Белый чугун обладает крайне высокой твердостью и практически нулевой пластичностью, практически не поддается обработке режущим инструментом, поэтому как конструкционный
материал не используется. Чаще всего белые чугуны используют для переплавки в стали.

6
Серый чугун
Название получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется углерод в свободном состоянии в виде
пластинчатого графита.
Серый чугун получают непосредственно из расплава при медленном охлаждении для протекания процессов графитизации. Для облегчения графитизации в состав чугуна вводят кремний в количестве 1,2…3,5 %.
Наибольшее применение нашли доэвтектические серые чугуны, содержащие
2,4…3,8 % углерода.
Серый чугун характеризуется хорошими литейными свойствами
(хорошая жидкотекучесть в жидком состоянии, малая усадка), поэтому его применяют для отливки станин, оснований станков, при изготовлении элементов двигателей – корпуса, головки, поршни и др. Серые чугуны являются хрупкими, и, как и большинство хрупких материалов, лучше работают на сжатие, чем на растяжение, изгиб, кручение. Поэтому серые чугуны стараются применять в изделиях, работающих преимущественно на сжатие.
По строению металлической основы серые чугуны подразделяют на ферритные, феррито-перлитные и перлитные.

Серый ферритный чугун. В этом чугуне металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита. Серые ферритные чугуны получают при минимальных скоростях охлаждения. Такие чугуны являются наиболее пластичными и наименее прочными из всех серых чугунов. Фотография микроструктуры серого ферритного чугуна представлена на рисунке
8.4а. На фотографии светлая основа – феррит, темные вытянутые включения – пластинчатый графит.

Серый феррито-перлитный чугун. Структура состоит из феррита, перлита и включений графита. По сравнению с серым ферритным

7 чугуном, обладает более высокой прочностью и пониженной пластичностью. Фотография микроструктуры серого феррито- перлитного чугуна представлена на рисунке 8.4б. На фотографии светлая часть основы – феррит, более темная часть основы – перлит, а темные вытянутые включения – пластинчатый графит.

Серый перлитный чугун. Структура его состоит из перлита с пластинчатыми включениями графита. Как известно, перлит содержит
0,8% углерода, поэтому это количество углерода находится в связанном состоянии. Остальной углерод находится в свободном состоянии, т.е. в форме графита. Фотография микроструктуры серого перлитного чугуна представлена на рисунке 8.4в. На фотографии темная основа – перлит, среди зерен которого наблюдаются включения графита. Серый перлитный чугун получают при высоких скоростях охлаждения. Прочность таких чугунов максимальна относительно ферритного и феррито-перлитного, однако, они наиболее хрупкие. а б в
Рисунок 8.4 – Микроструктуры серых чугунов: а – ферритный; б – феррито- перлитный; в – перлитный
Марки серых чугунов обозначают буквами «СЧ». После букв указывается число, которое показывает гарантированное значение предела прочности чугуна при растяжении в кГс/мм
2
(«килограмм-сила на квадратный миллиметр»).

8
Например, марка чугуна СЧ 12 означает, что это серый чугун с пределом прочности на растяжение 12 кГс/мм
2
В зависимости от условий эксплуатации изделия для его изготовления выбирают марку чугуна с оптимальным для этого случая сочетанием свойств.
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун получают так же, как и серый – путем его медленного охлаждения из расплава. При этом в расплав вводят небольшое количество модификаторов – щелочных или щелочноземельных металлов
(обычно это магний или церий в количестве 0,03…0,07%). По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.
Под действием модификаторов графит в процессе графитизации выделяется не в виде пластинчатых включений (как в серых чугунах), а в виде шаровидных включений (рисунок 8.5). Такая форма графита значительно меньше ослабляет металлическую основу и, в отличие от пластинчатого графита, не является активным концентратором напряжений.
Поэтому чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, чем серые чугуны.
Рисунок 8.5 – Микроструктура высокопрочного ферритного чугуна (с шаровидным графитом)

9
Высокопрочные чугуны хорошо обрабатываются резанием, обладают высокой прочностью и износостойкостью и применяются для изготовления ответственных изделий. Углерода в них обычно содержится 2,7…3,6%. Так же, как и серые чугуны, по виду металлической основы могут быть ферритными, феррито-перлитными и перлитными.
Маркируют высокопрочный чугун буквами «ВЧ», после которых указывается число, которое показывает гарантированное значение предела прочности чугуна при растяжении в кГс/мм
2
Например, марка чугуна ВЧ 50 – высокопрочный чугун с пределом прочности на растяжение 42 кГс/мм
2
Примеры других марок высокопрочного чугуна: ВЧ 42 (ферритный);
ВЧ 45 (феррито-перлитый); ВЧ 60; ВЧ 70; ВЧ 80; ВЧ 100; ВЧ 120
(перлитные).
Ковкий чугун
Ковкий чугун получают длительным графитизирующим отжигом белого чугуна. Термический цикл отжига приведен на рисунке 8.6. В результате отжига имеющийся в структуре цементит распадается на графит хлопьевидной формы (рисунок 8.7). Такой графит, по сравнению с пластинчатым, является менее интенсивным концентратором напряжений и практически не снижает прочность и пластичность чугуна. Металлической основой ковкого чугуна чаще всего является феррит, реже – перлит.
Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун.
Химический состав белого чугуна, отжигаемого на ковкий чугун, примерно следующий: 2,5…3,0% углерода; 0,7…1,5% кремния; 0,3…1,0% марганца; менее 0,12% серы и менее 0,18% фосфора.

10
Рисунок 8.6 – Схема термического цикла графитизирующего отжига белого чугуна при получении ковкого чугуна
Рисунок 8.7 – Микроструктура ковкого ферритного чугуна (с хлопьевидным графитом)
Маркируют ковкий чугун буквами «КЧ», после которых указывается два числа. Первое число показывает гарантированное значение предела прочности чугуна при растяжении в кГс/мм
2
, а второе – относительную деформацию (удлинение) чугуна до разрушения, в процентах.
Например, марка чугуна КЧ 50-4 – ковкий чугун с пределом прочности на растяжение 50 кГс/мм
2
и относительным удлинением 4%.
Примеры марок ковких чугунов: КЧ 37-12; КЧ 35-10 (ферритные); КЧ
50-4; КЧ 63-2 (перлитные).
Из ковких чугунов изготавливают детали небольшого сечения, работающие при высоких динамических и статических нагрузках (картеры

11 редукторов, ступицы, крюки, скобы – из ферритных; вилки карданных валов, звенья и ролики цепей, втулки, муфты, тормозные колодки – из перлитных).
8.4 Влияние примесей на структуру и свойства чугунов
Обычный промышленный чугун содержит те же примеси, что и сталь, т.е. марганец, кремний, серу, фосфор и др., но в большем количестве. Эти примеси существенно влияют на процесс графитизации, а значит, на структуру и свойства чугунов.
Кремний особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая процесс графитизации. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах от 0,3…0,5% до 3…5%. Изменяя содержание кремния, можно получать чугуны, различные по структуре и свойствам – от малокремнистого белого, до высококремнитого ферритного (серого или высокопрочного).
Марганец, в отличие от кремния, препятствует графитизации (или, как говорят, способствует «отбеливанию» чугуна). Содержание марганца составляет 1,25…1,4% в белых чугунах; 0,8…1,2% в серых чугунах;
0,5…0,6% в высокопрочных чугунах; 0,3… 1,0% в ковких чугунах.
Сера также способствует отбеливанию чугуна, но при этом ухудшает литейные качества (снижает жидкотекучесть), поэтому содержание серы в чугунах ограничено 0,08…0.12%.
Фосфор практически не влияет на процесс графитизации. однако фосфор – полезная примесь в чугуне, так как он повышает жидкотекучесть.
Твердые участки фосфидной эвтектики повышают общую твердость и износостойкость чугуна.
Кроме постоянных примесей, в чугун часто вводят и другие элементы.
Чугуны, в которые специально вводили другие химические элементы, называются легированными. Наиболее часто чугуны легируют хромом
(замедляет графитизацию), медью, никелем (ускоряют графитизацию), алюминием и титаном.