2.1. Чугуны
Чугуном называют сплав железа, углерода (более 2,14 %) и других элементов (кремния, марганца, фосфора, серы и др.). В чугуне углерод может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита (Fe3C) и в свободном состоянии в виде включений графита.
Серый чугун обладает хорошими технологическими свойствами и низкой стоимостью, в настоящее время является распространенным литейным материалом.
Серым называют такой чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0,8 %. Излом такого чугуна имеет серый цвет.
Из серого чугуна изготовляют самые разнообразные литые детали – от простых до сложных. Отливки хорошо обрабатываются на металлорежущих станках. Пример условного обозначения серого чугуна по ГОСТ 1412-85:
СЧ 25.
Буквы «СЧ» означают серый чугун, число (25) – значение временного сопротивления при растяжении (σв), МПа·10-1.
Его механические свойства зависят от величины зерна металла, от размеров и характера распределения включений графита и др. В обычном сером чугуне графит кристаллизуется в виде пластинок, которые расчленяют основную металлическую массу и действуют как внутренние трещины. По этой причине серый чугун с пластинчатым графитом обладает низкой прочностью и малой пластичностью (до 0,3 %).
Серый чугун обладает способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках. Это свойство называют циклической вязкостью. Серый чугун имеет хорошие литейные свойства, а отдельные марки обладают достаточно высокой прочностью и износостойкостью.
В сером чугуне обычно содержится 2,9–3,6 % С; 1,5–3,5 % Si; 0,4–1 % Mn; 0,2–0,12 % S; в легированном чугуне содержатся и другие элементы.
Элементы, входящие в состав серого чугуна, существенно влияют на его свойства.
Кремний способствует выделению в чугуне углерода в виде графита, понижает температуру его плавления, обеспечивая высокие литейные и технологические свойства.
Марганец действует на свойства чугуна противоположно кремнию: он препятствует выделению в чугуне углерода в виде графита, увеличивая устойчивость цементита. Марганец повышает твердость чугуна и прочность отливок.
Сера, как и марганец, задерживает выделение в чугуне углерода в свободном состоянии. Способствует отбеливанию чугуна, делает его более тугоплавким, снижает жидкотекучесть. Поэтому в чугуне сера считается вредной примесью.
Фосфор в сером чугуне может оказывать и вредное, и полезное влияние. Повышая хрупкость, фосфор снижает механические свойства чугуна. Следовательно, в чугуне для машиностроительных отливок, требующих высокой прочности, значительное содержание фосфора может быть вредной примесью. Фосфор увеличивает жидкотекучесть металла. Следовательно, в чугуне для тонкостенных, со сложной поверхностью отливок, не требующих высокой прочности, повышенное содержание фосфора будет желательным. При изготовлении художественных отливок, особенно ажурных, содержание фосфора в чугуне до 1 % считается полезной примесью, увеличивающей жидкотекучесть расплава и стойкость отливок против коррозии.
Серые чугуны, применяемые в промышленности в качестве конструкционного материала для литых деталей, по физико-механическим характеристикам можно условно разделить на 4 группы: малой прочности, повышенной прочности, высокой прочности и со специальными свойствами.
Применяют серые чугуны с пластинчатым графитом 11 марок. Механические свойства и химический состав серых чугунов указаны в табл. 2.1.
Таблица 2.1. Марки серых чугунов с пластинчатым графитом
| Марка чугуна | Значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа | Твер-дость, НВ | Массовая доля элементов, % | Структура металлической основы | ||
| углерод | кремний | марганец | ||||
| СЧ 10 | 100 | 143-229 | 3,5-3,7 | 2,2-2,6 | 0,5-0,8 | Феррит |
| СЧ 15 | 150 | 163-229 | 3,5-3,7 | 2,0-2,4 | 0,5-0,8 | Феррит |
| СЧ 18 | 180 | 170-229 | 3,4-3,6 | 1,9-2,3 | 0,5-0,7 | Феррит+перлит |
| СЧ 20 | 200 | 170-241 | 3,3-3,5 | 1,4-2,2 | 0,7-1,0 | Феррит+перлит |
| СЧ 21 | 210 | 170-241 | 3,3-3,5 | 1,4-2,2 | 0,7-1,0 | Феррит+перлит |
| СЧ 24 | 240 | 170-241 | 3,2-3,4 | 1,4-2,2 | 0,7-1,0 | Перлит |
| СЧ 25 | 250 | 180-250 | 3,2-3,4 | 1,4-2,2 | 0,7-1,0 | Перлит |
| СЧ 30 | 300 | 181-255 | 2,0-3,2 | 1,4-2,2 | 0,7-1,0 | Перлит |
| СЧ 35 | 350 | 191-269 | 2,9-3,0 | 1,0-1,1 | 0,7-1,1 | Перлит |
| Сч 40 | 400 | 207-285 | 2,5-2,7 | 2,5-2,9 | 1,2-0,4 | Перлит |
| Сч 45 | 450 | 229-289 | 2,2-2,4 | 2,5-2,9 | 0,2-0,4 | Перлит |
Детали, получаемые из серого чугуна, со структурой феррита имеют невысокую прочность, прочные – с феррито-перлитной структурой и наиболее прочные – с перлитной структурой.
Из серого чугуна отливают колонны, котлы, радиаторы, ванны, трубы, а также самые разнообразные конструкционные детали для машиностроения.
Высокопрочный чугун имеет металлическую основу и шаровидные включения графита. Из него изготовляют отливки со стенками большой толщины и высокой прочности (коленчатые валы, зубчатые колеса, детали турбин). Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкого серого чугуна магнием. В результате модифицирования в чугуне образуется графит шаровидной формы. В отличие от обычного серого чугуна этот чугун обладает повышенной пластичностью и большей прочностью. Высокопрочный чугун, по сравнению с обыкновенным серым, обладает меньшей склонностью к отбелу.
Высокопрочный чугун с графитом шаровидной формы подразделяется в зависимости от механических свойств на следующие марки, приведенные в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Марки высокопрочного чугуна для отливок с шаровидным графитом
| Марка чугуна | Значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение, % | Твердость, НВ | Структура металлической основы |
| ВЧ 35 | 350 | 22 | 140-170 | Феррит |
| ВЧ 40 | 400 | 15 | 140-202 | Феррит |
| ВЧ 45 | 450 | 10 | 140-225 | Феррит |
| ВЧ 50 | 500 | 7 | 153-245 | Феррит+перлит |
| ВЧ 60 | 600 | 3 | 192-277 | Перлит |
| ВЧ 70 | 700 | 2 | 228-302 | Перлит |
| ВЧ 80 | 800 | 2 | 248-351 | Перлит |
| ВЧ 100 | 1000 | 2 | 270-360 | Перлит |
Пример условного обозначения высокопрочного чугуна по ГОСТу 7293-85:
ВЧ 60.
Буквы «ВЧ» обозначают высокопрочный чугун, первые две цифры – значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа·10-1.
Ковкий чугун получают путем длительного нагрева при высоких температурах (950–1000 °С) (отжигом) отливок из белого чугуна. При отжиге образуется графит, имеющий компактную хлопьевидную форму. При такой форме графита, отливки перестают быть хрупкими, приобретают способность выдерживать ударные нагрузки (свободный углерод в них имеет форму, промежуточную между пластинчатой и шаровидной – хлопьевидную).
Название «ковкий чугун» условно и указывает лишь на то, что этот материал по сравнению с серым чугуном является пластичным. В действительности же ковкий чугун никогда ковке не подвергают, из него, так же как из серого чугуна, изготовляют лишь фасонные отливки для машиностроения. Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Детали, изготовленные из такого чугуна, хорошо работают в среде влажного воздуха, поточных газов и воды. В зависимости от способа производства ковкого чугуна его подразделяют на группы: ферритный и перлитный.
Ферритный ковкий чугун получают при отжиге отливок из белого чугуна в нейтральной среде. Такой чугун имеет бархатный черный излом и состоит из феррита и графита отжига Fe3C→3Fe+Cотж. Из ферритного ковкого чугуна с повышенной пластичностью изготовляют ответственные детали для автомобилей и сельскохозяйственных машин, для этих целей используют марки КЧ 37-12; КЧ 35-10. Для малоответственных деталей (гайки, фланцы и др.) применяют КЧ 30-6; КЧ 33-8.
Перлитный ковкий чугун получают после отжига белого чугуна в окислительной атмосфере. Вследствие обезуглероживания в процессе отжига отливок получают чугун с меньшей вязкостью. Этот чугун находит ограниченное применение в машиностроении.
Из перлитного ковкого чугуна изготовляют карданные валы, звенья цепей конвейера, муфты и др.
Ковкий чугун подразделяется в зависимости от механических свойств на следующие марки, приведенные в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Марки ковких чугунов
| Марка чугуна | Значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение, % | Твердость, НВ |
| Ферритный | |||
| КЧ 30-6 | 294 | 6,0 | 100-163 |
| КЧ 33-8 | 323 | 8,0 | 100-163 |
| КЧ 35-10 | 333 | 10,0 | 100-163 |
| КЧ 37-12 | 362 | 12,0 | 110-163 |
| Перлитный | |||
| КЧ 45-7 | 441 | 7,0 | 150-207 |
| КЧ 50-5 | 490 | 5,0 | 170-230 |
| КЧ 55-4 | 539 | 4,0 | 192-241 |
| КЧ 60-3 | 588 | 3,0 | 200-269 |
| КЧ 63-2 | 637 | 3,0 | 212-269 |
| КЧ 70-2 | 686 | 2,0 | 241-285 |
| КЧ 80-1,5 | 784 | 1,5 | 270-320 |
Основной химический состав ковкого чугуна: 2,4–2,8 % C; 0,8–1,4 % Si; менее 1 % Mn; менее 0,1 % S; менее 0,2 % P.
Примеры записи марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215-79:
КЧ 30-6.
Буквы «КЧ» обозначают ковкий чугун, первое число – значение временного сопротивления при растяжении σв, МПа·10-1, второе число – минимальное относительное удлинение δ, %.