Лекция 7. Чугуны

Чугуны – это сплавы железа и углерода, содержащие более 2,14% С. Чугуны делятся на две основные группы:

– белые (получили название по виду матово-белого излома), в них весь углерод находится в связанном состоянии – в цементите;

– с графитом, в них весь углерод или его часть находится в свободном состоянии (в виде графита) в металлической основе (матрице).

В чугунах содержатся те же постоянные примеси, что и в стали.

Сера и фосфор понижают вязкость и пластичность чугунов, так же как и в сталях. Однако вредное влияние этих примесей не так ощутимо, так как чугуны являются хрупким материалом. Вследствие этого в чугунах допускается более высокое ОГЛАВЛЕНИЕ серы – 0,1...0,12% и фосфора – 0,4...0,6%.

Чугуны являются литейными сплавами. Поэтому целесообразно оценить влияние примесей на технологические свойства чугунов – жидкотекучесть и усадку (см. 11.2).

Сера понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин.

Фосфор улучшает жидкотекучесть из-за снижения температуры плавления. Чугуны с увеличенным ОГЛАВЛЕНИЕм фосфора используют для художественного литья.

Марганец и кремний – полезные примеси, являются, как и в сталях, раскислителями при выплавке чугунов. Кремний как графитизатор способствует, а марганец, будучи карбидообразующим элементом (см. 6.4.1), затрудняет образование свободного углерода. Вместе с тем марганец несколько улучшает механические свойства чугунов, особенно в тонкостенных отливках. ОГЛАВЛЕНИЕ этих примесей в разных чугунах колеблется в пределах: 1,0...3,5% кремния и 0,2...1,1% марганца.

Влияние углерода зависит главным образом от того, в каком виде – связанном или свободном – он присутствует в структуре, и будет рассмотрено отдельно для белых чугу- нов и чугунов с графитом.

Белые и отбеленные чугуны

Белые чугуны – это чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Фазовые превращения в белых чугунах при первичной кристаллизации и в твердом состоянии в процессе последующего охлаждения протекают согласно диаграмме "железо – цементит" (см. 4.3 и рис. 4.4):

– белые доэвтектичсские чугуны со структурой перлита, ледебурита перлитового и цементита вторичного (П + Лп + + ЦII, см. рис. 4.4);

– белый эвтектический чугун со структурой ледебурита перлитового (Лп, см. рис. 4.4);

– белые заэвтектические чугуны со структурой ледебурита перлитового и цементита первичного (Лп + Ц,, см. рис. 4.4).

С увеличением в чугунах содержания углерода в структуре белых чугунов возрастает количество цементита, который присутствует как в виде самостоятельной фазы (вторичный в доэвтектических и первичный в заэвтектических), гак и в составе ледебурита и перлита. В результате заметно возрастают твердость и прочность чугуна при сжатии (асж), но снижаются прочность при растяжении (σΒ) и особенно сильно пластичность (δ). Поэтому ОГЛАВЛЕНИЕ углерода в чугунах ограничивается 3,7%, т.е. используются в основном белые доэвтектические чугуны.

Белые чугуны имеют высокую твердость (до 450...550 НВ), это определяет их хрупкость; из-за высокой твердости они плохо поддаются обработке резанием. В связи с этим белые чугуны мало применяются в машиностроении. Для их получения металл раскисляют обычно марганцем (препятствует графитизации) и отливают в отливки небольшой массы (отливки большой массы медленно охлаждаются, вследствие этого происходит графитизация, т.е. белый чугун не получается).

Детали из белого чугуна целесообразно использовать при работе в условиях повышенного износа, при этом они должны иметь простую форму, получение которой не требует значительной механической обработки (например, шары шаровых мельниц для размола руды). Основное назначение белого чугуна – это переработка на ковкий чугун. Кроме того, ограниченное применение находят отбеленные чугуны.

Отбеливание представляет собой процесс образования белого чугуна в поверхностном слое отливки из серого чугуна. Отбеливание является следствием быстрого охлаждения поверхности отливки, что, как указывалось, препятствует графитизации. Отбеливание происходит при заливке жидкого чугуна в металлическую форму (кокиль); глубина твердого отбеленного слоя составляет 12...30 мм. Его образование может быть:

– вредным, если отливка в дальнейшем подвергается механической обработке для обеспечения окончательных формы и размеров изготавливаемой детали; в этом случае отбеливание устраняется графитизирующим отжигом, в процессе которого цементит распадается с образованием графита;

– полезным, если полученная литая деталь практически не подвергается резанию и предназначена для работы в условиях, требующих высокой износостойкости.

Отбеленные чугуны используют для изготовления валков некоторых прокатных станов, лемехов плугов, тормозных колодок и других деталей.