Структура, свойства и применение чугунов

Белые чугуны. В соответствии с диаграммой железо цементит, равновесная структура чугунов состоит из:

- перлита, превращенного ледебурита и цементита вторичного - доэвтектические чугуны;

- ледебурита — эвтектические;

- превращенного ледебурита и цементита первичного заэвтектические.

В белых чугунах весь углерод находится в виде структурно-свободного цементита и цементита, входящего в состав ледебурита. Присутствие цементита в структуре белых чугунов придает им высокую твердость, хрупкость и они практически не поддаются обработке резанием.

Указанные свойства белых чугунов ограничивают их при­менение в качестве конструкционного материала. Белые (отбеленные) чугуны применяют в машиностроении в тех случаях, когда детали работают на износ (щеки камнедробилок, тормозные вагонные колодки и т. д.). Рабочая поверхность отливок для таких изделий должна иметь структуру белого чугуна, а центральная часть серого чугуна. Белые чугуны применяются в основном, для передела в сталь и ковкий чугун.

Серые чугуны (ГОСТ 1412—79). Характерной структурной составляющей серых чугунов является графит, имеющий форму пластинок различной величины. Металлическая основа серых чугунов зависит от степени графитизации и может быть перлитной, перлитно-ферритной и ферритной.

Структура серого перлитного чугуна состоит из перлита, на фоне которого расположены пластинки графита (рис.8.2, а). В таком чугуне -0,8% С находится в связанном состоянии в виде цементита, остальное количество углерода находится в свободном состоянии в виде графита.

Структура серого перлитно-ферритного чугуна состоит из перлита и пластинок графита, располагающихся преимущественно на участках феррита. В таком чугуне связанного углерода меньше 0,8% (рис. 8.2.а).

Структура серого ферритного чугуна состоит из зерен феррита, на фоне которых расположен графит (рис. 8.2,6). В сером ферритном чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита.

Чем меньше графитовых включений и чем они мельче, тем выше прочность чугуна. Улучшить механические свойства чугуна можно повышением прочности металлической основы и изменением формы и размеров графитных включений. Включения графита - это как бы пустоты, соответствующей формы, уменьшающие эффективную площадь поперечного сечения металлической матрицы и являющиеся концентраторами напряжений. Коэффициент концентрации напряжений (К) около включений графита пластинчатой формы составляет 4,0-7,5 (К=4 для серого чугуна на перлитной основе, пластичность его равна δ = 0,2 - 0,75%), а около включений графита шаровидной формы 2,5-3,5. Графитовые включения мало влияют на предел прочности на сжатие и твердость, которые определяются преимущественно структурой металлической основы. Разрушающая нагрузка при сжатии в 3—5 раз выше, чем при растяжении. Поэтому чугуны используют для изделий, работающих, главным образом, на сжатие. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна и улучшает обрабатываемость резанием. Нарушая сплошность металлической основы, графит придает чугуну малую чувствительность к внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности и т. д.).

Наибольшей прочностью обладает серый перлитный чугун. Графит в перлитном чугуне более мелкий, чем в феррито-перлитном и ферритном.

Ориентировочно химический состав (в %) серого чугуна может находиться в следующих пределах: углерода от 3,0 - 4,0; кремния от 1,5 - 2,6; марганца от 0,5- 1,1;серы не более- 0,15;фосфора от 0.1-0,3 (до 1,2 для художественного литья- каслинское литьё)

Стандартные марки серых чугунов обозначаются буквами СЧ (серый чугун) и двумя цифрами, которые указывают на минимальное значение предела прочности при растяжении МПа 10  (ГОСТ 1412-79, изменения 1988)

В табл. 8.1 приведены свойства некоторых стандартных марок серых чугунов.

Т а б л и ц а  8.1.

Механические свойства и примеры применения серых чугунов.

 

Марка чугуна	Структура	Механические свойства			Демпфирующая способность
				HВ	Ψ,%
		МПа
СЧ15	Феррит + пластинчатый графит	150	800	163-229	30-32
СЧ 35	Перлит + феррит + пластинчатый графит	342	1200	197—269	10-20
АЧС-1* ГОСТ1585- 75	Перлит + феррит + графит	—	—	196-260	-

*А — антифрикционный.; Ψ = 2δх100%; где Ψ – характеристика демпфирующей способности (способности гасить вибрацию); δ =1/n – логарифмический декремент затухания; n – число колебаний, когда амплитуда колебаний меняется в е раз(е- основание натурального логарифма). Для стали Ψ =0,2%.

Чугуны СЧ25 - СЧ35 получают при введении модификаторов в жидкий чугун перед разливкой ферросилиция или силикокальция. Перлитный чугун применяют для отливок станин станков и механизмов.

Для серых чугунов характерна зависимость прочности от толщины стенки отливки, с увеличением толщины стенки отливки предел прочности при растяжении снижается.

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215—79). Ковкие чугуны получают путем длительного нагрева при высоких температурах (отжиге) отливок из белого чугуна. В промышленности применяют ферритные ковкие чугуны (металлическая основа - феррит) и реже перлитные ковкие чугуны (металлическая основа перлит).

Ферритные более пластичны, чем и объясняется преимущество их применения в машиностроении.

Ковкие чугуны по сравнению с серыми, имеют пониженное содержание углерода и кремния (2,5—3% С; 0,7- 1,5% Si). Более низкое содержание углерода и хлопьевидная форма графита обусловливают повышенную пластичность сплава. Пониженное содержание кремния и углерода предотвращают выделение пластинчатого графита при охлаждении отливок.

При отжиге белого чугуна на ферритный ковкий чугун протекает процесс графитизации в две стадии. Первая стадия графитизации происходит при температуре 900—1000° С и заключается в распаде эвтектического и вторичного цементита. После чего отливка имеет структуру аустенита и углерода отжига. Вторая стадия графитизации происходит при температуре ниже эвтектоидного превращения (А ₁) и заключается в распаде эвтектоидного цементита. После отжига отливки имеют структуру феррита с включениями графита хлопьевидной формы (рис. 8.3, в).

По сравнению с серым ковкий чугун имеет более высокие прочностные свойства, большее относительное удлинение. Стандартные марки ковких чугунов обозначаются буквами К — ковкий, Ч - чугун. После букв следуют числа. Первое

указывает на предел прочности при растяжении (кгс/мм ), второе на относительное удлинение в (%).

Отливки из ковкого чугуна применяют при ударных и вибрационных нагрузках (табл.8.2).

Т а б  л и ц а  8..2.