Тема 2. 2. Структура и свойства чугунов

Сплавы, содержащие > 2, 14 %С (правее т. Е на диаграмме «железо-цементит», см. рис. 2.1), называются чугунами.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe- Fe₃С, называются белыми (из-за светлого оттенка излома, обусловленного большим количеством цементита в структуре). Из диаграммы Fe- Fe₃С следует, что затвердевание этих сплавов происходит при Т £ 1147 ^оС непосредственно ниже линии солидус ЕCF в результате превращения

Ж_с А_Е + Ц. (2.1)

Такое превращение (затвердевание жидкой фазы в смесь двух твердых при фиксированном составе фаз и постоянной температуре) называется эвтектическим, а образующаяся смесь кристаллов – эвтектикой (греч. – «легкоплавкаяя» – из диаграммы Fe- Fe₃С видно, что чугуны имеют наименьшую температуру плавления среди железоуглеродистых сплавов).

Эвтектика в белых чугунах называется ледебуритом (по фамилии исследователя – Ледебура). В момент образования (см. (2.3)) она состоит из аустенита и цементита, но при Т£ 727 ^оС аустенит превращается в перлит (т.к. РSК – линия эвтектоидного – перлитного превращения, см. (2.1)). Поэтому при нормальных температурах превращенный ледебурит (Л₂) – сложная структурная составляющая, которая представляет собой светлую цементитную основу с темными включениями перлитных зерен.

По структуре белые чугуны делятся на доэвтектические (2, 14–4, 3 %С) со структурой Л ₂ +П+Ц_II, эвтектические (4, 3 %С) – Л₂ и заэвтектические (4, 3–6, 67 %С) – Л₂+Ц_II.

Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечивает их высокие литейные свойства. Белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низкими значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является следствием большого количества цементита в структуре. Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не используются.

На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов широко применяются серые чугуны. Принципиальное отличие структуры серых чугунов от белых в том, что углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe₃C – цементита), а в свободном – в виде включений графита различной формы.

Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных структурных факторов:

1) формы (и количества) графитных включений,

2) структуры металлической основы.

По первому признаку эти сплавы делятся:

1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых графит имеет форму длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются модифицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную форму;

2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;

3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.

Структура металлической основы любого из этих чугунов может быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).

В табл. 2.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механические свойства различных видов серых чугунов.

Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металлической основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость (см. рис. 2.3).

Таблица 2.1. Классификация, маркировка и механические свойства различных видов серых чугунов

Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений (рис. 2.4, табл.2.1).

а	б	в	г

Рис. 2.4. Форма графита в чугунах: серый чугун обычного (а) и повышенного (б) качества (модифицированный); ковкий (в) и высокопрочный (г) чугун.

Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу (матрицу) чугуна (см. табл. 2.1).

По сути, любые серые чугуны представляют собой углеродистые доэвтектоидные (Ф+П), эвтектоидные (П) стали или техническое железо (Ф) (рис. 2.5) с включениями графита. Очевидно, что графит уменьшает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому чугуны имеют более низкие механические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Однако от сталей они отличаются более высокими литейными свойствами, низкой стоимостью, нечувствительностью к дефектам поверхности, демпфирующими и антифрикционными свойствами.

а	б	в	г

Рис. 2.5. Микроструктура серых чугунов на различной металлической основе:

а – серый ферритный; б – серый перлитный; в – ковкий ферритный;

г - высокопрочный феррито-перлитный

Серые (литейные) чугуны получают при меньшей скорости кристаллизации, чем белые чугуны, поэтому процесс формирования их структуры описывается стабильной диаграммой состояния железо–углерод (рис. 2.6), где пунктирные линии показывают фазовые равновесия с графитом.

L_С′ → γ _Е′ + Г (2.2)

В доэвтектических серых чугунах (сплавы с содержанием углерода от 2, 03 до 4, 25 %) первично кристаллизуются дендриты аустенита, а затем – аустенито-графитная эвтектика. В заэвтектических серых чугунах (сплавы с содержанием углерода более 4, 25 %) первично кристаллизуется графит. Он, как и эвтектический, растет в форме разветвленных кристаллов, которые видны на шлифе в виде изогнутых пластин. Оставшаяся после первичной кристаллизации графита жидкость затвердевает, как эвтектическая. В заэвтектических серых чугунах кристаллы первичного графита более грубые по сравнению с эвтектическими.

После завершения кристаллизации в твердом состоянии аустенит изменяет свой состав по линии E¢ S¢ и из него выделяется вторичный графит, осаждающийся на ранее образовавшихся первичных и эвтектических кристаллах графита, что принципиально не изменяет структуры чугуна.

а	б	в

Рис. 2.7. Форма и расположение графита в структуре серых чугунов:

а – эвтектическом; б – доэвтектическом; в – заэвтектическом

Переохлаждение аустенита состава точки S¢ (0, 69 % С) ниже эвтектоидной температуры 738 °С вызывает развитие эвтектоидной реакции с образованием феррито-графитной смеси (эвтектоида – α _P′ + Г):

γ _S′ → α _P′ + Г (2.3)

Феррито-графитная смесь, образующаяся по эвтектоидной реакции, характеризуется более тонким строением по сравнению с эвтектикой. При очень малых степенях переохлаждения эвтектоидный графит может отлагаться на ранее образовавшихся первичных или эвтектических кристаллах графита аналогично вторичному, принципиально не изменяя структуру чугуна. По структуре трудно подразделить серые чугуны на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Серые чугуны подразделяются по микроструктуре металлической основы (ферритной, феррито-перлитной или перлитной) в зависимости от полноты графитизации, которую оценивают по количеству свободного выделившегося (не связанного) углерода (рис. 2.5, а-б).

Серому литейному чугуну при любой металлической основе свойственны почти полное отсутствие относительного удлинения и очень низкая ударная вязкость.

Для повышения механических характеристик серого чугуна его подвергают модифицированию, т. е. в разливочный ковш добавляют в качестве модификаторов ферросилиций или силикокальций, которые создают добавочные центры кристаллизации. В результате в отливках получается однородная металлическая основа с измельчёнными (червеобразными) включениями чешуек графита (вермикулами). Такой чугун называют модифицированным (рис. 2.4, б).

Серый чугун с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85) маркируют буквами СЧ (серый чугун) и двузначными цифрами. Цифры показывают минимальное значение предела прочности чугуна на растяжение (кгс/мм²), например СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20, СЧ 21, СЧ 24, СЧ 35.

Серый чугун применяют для отливок изложниц, труб, станин металлообрабатывающих и других станков, плит, рам, гильз, блоков и головок цилиндров, поршней, поршневых колец, корпусов и крышек, зубчатых колес, вкладышей и других деталей.

Ковкие чугуны характеризуются повышенными механическими характеристиками (повышаются прочность на растяжение, пластичность и ударная вязкость) вследствие образования хлопьевидного графита, более компактного, чем в сером чугуне с пластинчатым графитом.

Получают ковкие чугуны графитизирующим отжигом или томлением белых доэвтектических чугунов. По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными, феррито-перлитными и перлитными.

Ковкий чугун с хлопьевидным графитом (ГОСТ 1215-79) маркируют буквами КЧ (ковкий чугун) и цифрами. Первые две цифры после букв КЧ показывают предел прочности при растяжении (кгс/мм²), вторые - относительное удлинение (%), например КЧ 30-6, КЧ 37-12, КЧ 45-7, КЧ 60-3, КЧ 65-3, КЧ 70-2, КЧ 80-1, 5.

Ковкий чугун обладает большей пластичностью по сравнению с серым. Это и послужило поводом для подобного названия, хотя ковкий чугун ковать нельзя. Применяют его для изготовления весьма широкой номенклатуры литых деталей для автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных и текстильных машин, для судов, котлов, вагонов, дизелей и т. п.

По микроструктуре основы ковкие чугуны подразделяют на ферритные (обладающие большей пластичностью) и перлитные или ферритно-перлитные (менее пластичные, но с более высоким пределом прочности).

Для получения высокопрочного чугуна проводят модифицирование серого чугуна магнием или церием, что обеспечивает образование глобулярного графита. В структуре высокопрочного чугуна присутствуют включения графита округлой формы (рис. 2.4, г рис. 2, 5, г). Основа высокопрочного чугуна может быть ферритная, перлитная и феррито-перлитная. Графитные включения шаровидной формы не создают резкой концентрации напряжений, поэтому высокопрочные чугуны отличаются более высокими механическими характеристиками. Высокие механические свойства чугуна обеспечиваются не только благоприятной формой графита, но и малым количеством вредных примесей серы и фосфора. Высокопрочные чугуны применяют на преимущественно с ферритной и преимущественно с перлитной металлическими основами.

Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293-85) маркируют буквами ВЧ (высокопрочный чугун) и цифрами. Цифры после букв ВЧ показывают минимальное значение предела прочности при растяжении (кгс/мм²), например ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100.

Относительно высокие механические, литейные, технологические и эксплуатационные свойства обусловили широкое применение высокопрочного чугуна в промышленности. Во многих областях машиностроения стальное литье успешно заменяют чугунным. Это приносит значительный экономический эффект, так как литые изделия из высокопрочного чугуна на 20-25 % дешевле стальных. Так, например, из высокопрочного чугуна отливают коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, поршневые кольца и другие ответственные детали машин.

Графит в чугуне играет и положительную роль. Например, графит облегчает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой; улучшает антифрикционные свойства, играя роль смазки; благодаря наличию графита быстро гасятся вибрации и, наконец, графит делает серый чугун нечувствительным к концентраторам напряжений.

Несмотря на относительно высокую пластичность отдельных видов чугуна ни один из них нельзя ковать или подвергать любому другому виду обработки давлением.

Различают еще чугуны с особыми свойствами:

1) антифрикционные чугуны (ГОСТ 1585-85) – обозначаются первыми буквами АЧ и порядковым номером, например,

АЧС-1 – антифрикционный серый чугун с порядковым номером марки 1;

АЧВ-2 – антифрикционный высокопрочный чугун с порядковым номером марки 2;

АЧК-2 – антифрикционный ковкий чугун с порядковым номером марки 2;

2) жаростойкие чугуны (ГОСТ 7769 – 82) – обозначаются буквами ЖЧ, после которых идет буквенное обозначение легирующих элементов (Н – никель, Д – медь и др., аналогично обозначению легирующих элементов в стали) и цифры, указывающие концентрацию элементов в %%; например,

ЖЧХ-2, 5 – жаростойкий чугун хромистый с содержанием хрома 2, 5%;

ЖЧС-5, 5 – жаростойкий чугун, легированный кремнием с содержанием 5, 5%.

Вопросы для самоконтроля

1. Каково содержание углерода в эвтектическом, до - и заэвтектических белых чугунах? Каковы их структуры?

2. Нарисуйте по памяти (качественно) зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода. Объясните ее.

3. На чем основана классификация углеродистых сталей по назначению? Приведите несколько марок сталей различного назначения, укажите содержание в них углерода.

4. Почему белые чугуны не используют в качестве конструкционных материалов?

5. От каких структурных факторов зависят механические свойства серых чугунов?

6. Назовите различные виды серых чугунов. На чем основана эта классификация? Какова маркировка этих сплавов?

7. Опишите структуру наиболее прочного (теоретически) из всех разновидностей серых чугунов.