Физические, химические и технологические свойства чугунов

В списке индустриально-промышленных металлов чугун является самым дешёвым материалом. Производство метала не требует глубокой технологической переделки, что выгодно отличает его себестоимость в сравнении со сталями. Имея хорошие литейные качества чугун в широко используют в изготовлении массивных корпусных, объёмных деталей и отдельных частей механизмов, не подвергающихся сильным ударным нагрузкам. Свойства отдельных видов чугунов и их марок во многом зависят от уровня содержания углерода его состояния и формы включений в сплаве.

Чугунные изделия
Литые изделия из чугуна

Основные механические и физические свойства

По своей природе чугун представляет собой сплав железа с углеродом с естественным содержанием незначительного количества примесей, где процент содержания углерода в общей объёмной массе сплава может быть в приделах от 2.14 до 6.67%.

Сплавы, имеющие в своём составе углерода ниже 2.14% переходят в разряд сталей. При содержании углерода в структуре выше 6.67% сплавы переходят в разряд сверхтвёрдых материалов именуемых — карбидами железа (цементитами).

Сравнительно со сталью, высокое содержание углерода делает чугун хрупким, твёрдым, не устойчивым к ударным нагрузкам. Этот же фактор затрудняет механическую обработку и свариваемость материала. Вместе с этим плюсом является хорошие литейные свойства и коррозийная устойчивость чугунов. Также при включении в состав некоторых легирующих добавок возможно улучшение некоторых физических и механических качеств металла.

Стандартно все марки чугунов, как и других сплавов, характеризуются такими механическими параметрами как твёрдость материала и сопротивление разрыву при растяжении.

Классификация чугунов

По назначению в металлургии выпускаются два вида чугунов:

  • передельный – используемый для технологической переплавки в сталь
  • литейный – используемый для отливки готовых деталей, который в свою очередь подразделяется на конструкционный и специальный

Содержанием углерода в сплаве чугуны делятся на следующие типы:

  • Доэвтектические с содержанием углерода 2.14 – 4.3%
  • Эвтектические  с содержанием — 4.3%
  • Заэвтектические с содержанием — 4.3 — 6.67%

По составу сплавов чугуны делятся на легированные и нелегированные

В зависимости от состояния углерода в структуре сплавы отличаются цветом на плоскости излома, где различают серый и белый виды чугунов. Структура белого чугуна характеризуется наличием углерода только в сформированном цементите. Углерод в структуре серых чугунов находится в виде графита сформированных в виде отдельных включений.

По структуре, а конкретно по форме и распределению включений углерода (графита) в массе сплава чугуны делятся на четыре группы:

  • Сплавы с графитом в виде пластинок в своей структуре. Данный вид чугунов не подаётся легированию.
  • Чугуны с включениям шаровидного графита. Такая структура характерна высокопрочным чугунам.
  • Сплавы с включениями вермикулярного (червеобразного) графита в своей структуре.
  • Хлопьевидные включения графита в структуре сплава характерны ковким маркам чугуна.
Графит в чугуне
Выделение графита в структуре

По структуре металлической основы сплава различают:

  • Перлитные
  • Ферритные
  • Перлито-ферритные
  • Аустенитные
  • Бейнитные
  • Мартенситные

Все перечисленные определения отражают строение структуры в соответствии с диаграммой превращения при плавлении стали и чугуна в зависимости от содержания углерода и режимов его кристаллизации в общем объёме сплава.

Свойства белого чугуна

Особенностью белого чугуна является то, что углерод в его составе растворён в цементите, где общая структура состоит из железа и цементита. Отдельных включений графита, как в сером чугуне, здесь нет и срез метала является более светлым.

Отбеленный чугун
Структура белого чугуна с цементитом

Цементит представляет собой высокоуглеродистое соединение в виде карбида железа Fe₃C, которое является неустойчивым и при определённых условиях и может распадаться с выделением углерода отдельными включениями графита в структуре металла.

Особенности белого чугуна

Данный вид чугуна характеризуется:

  • Высокой твёрдостью и удельным сопротивлением
  • Хорошей износостойкостью
  • Достаточной стойкостью к тепловому воздействию
  • Относительно хорошую коррозийную стойкость, включая к кислотам
  • Его литейные качества не позволяют изготовление деталей сложных конфигураций, где в литье могут образовываться трещины
  • Литьё из белого чугуна даёт усадку в переделах 2%
  • За счёт своей твердости материал сложно обрабатывать
  • Высокая хрупкость не позволяет его использовать в деталях испытывающих ударные нагрузки
  • Материал очень плохо сваривается, где в процессе налаживания шва при нагреве дуговой или газовой сварки образуются частые трещины

Применение

Белый чугун не столь широк в применении как серый. Его используют в отливке несущих элементов конструкций в строительстве, судостроении, станкостроении. Сплав в виду не столь высоких литейных качеств больше подходит для литья простых, несложных конфигураций массивных деталей. Чаще сплав используют как сырьё во вторичной переделке для производства ковких и других марок серого чугуна.

Белый чугун
Заготовки белого чугуна для производства ковкого чугуна

Серый чугун

Данный вид углеродистого сплава является самым широко применяемым из чугунов. Сплав используют при литье деталей требующих высокой устойчивости к нагрузкам на сжатие. Ограничение использования материала определяет его хрупкость и неустойчивость к изгибающим нагрузкам. Сплав применяют в литье цилиндров двигателей, несущих станин станков и корпусов оборудования.

Серый чугун
Детали из серого чугуна

Физические свойства серого чугунаМеханические свойства серого чугуна

Факторы, влияющие на свойства сплава

При плавке серых чугунов происходит выделение в структуре углерода в виде графита, где последний формируется отдельными пластинками или чешуйками. При этом для обеспечения соответствующей твёрдости и прочности содержание углерода должно быть в пределах 2.4-3.7%. В случае превышения углерода в составе сплав будет отличатся повышенной хрупкостью. При низком содержании углерода сплав потеряет свою твёрдость и литейные качества. Механические свойства серого чугуна во многом зависят от числа формы и распределения графита в структуре. Наиболее прочным считают сплавы с перлитной структурой, где графит равномерно распределён в виде микро-пластинок.

Технологии выплавки

Форма и размер графитных включений зависит от наличия в расплавленном чугуне центров кристаллизации, скорости его охлаждения и наличии добавок, обеспечивающих выделение графита. Чем больше в расплавленном материале нерастворимых частичек, тем больше центров кристаллизации, обеспечивающих формирование более мелких включений графита.

Серый чугун

Для обеспечения большего числа центров кристаллизации перед разливом в формы осуществляют внедрение в жидкий металл модифицированных добавок в составе с кремнием, алюминием и кальцием. В раскалённом металле данные элементы переходят в соответствующие оксиды SiO2, Al2O3 и CaO в виде взвешенных частиц, образуя центры кристаллизации в структуре.

Марки серого чугуна

СЧПГ в отливках ГОСТ 1412-85: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Число в маркировке означает временное сопротивление при растяжении (кгс/мм²).

Химический состав серого чугунаИспытания серого чугуна

Высокопрочный чугун

Данный сплав является подвидом модифицированного серого чугуна, где графит в структуре сплава распределён шаровидными включениями. Высокая прочность обусловлена меньшей площади к объёму сферических включений в структуре, что обеспечивает более монолитную металлическую основу сплаву. Формирование такой структуры обеспечивается присадками в виде чистого магния или связками (Например, Mg 20% + Ni 80%). Такие сплавы имеют ферритную или перлитную основу с более высокой пластичностью и ударной вязкостью, чем у обычных серых чугунов. Прочность сплава повышается с увеличением содержания в структуре перлита и увеличением дисперсности шариков графита. Вязкость повышается с увеличением в структуре феррита.

Такие чугуны успешно используют вместо стали для отливки коленчатых валов двигателей, шестерней, муфт, задних мостов, ступиц, картеров.

Среди высокопрочных чугунов ВЧШГ существуют следующие марки согласно ГОСТа 7293-85: ВЧ35-22, ВЧ40-15, ВЧ45-10, ВЧ50-7, ВЧ60-3, ВЧ70-2, ВЧ80-2, ВЧ100-2. Первое число означает временное сопротивление растяжению (кгс/мм²), второе относительное удлинение в %.

Свойства ковкого чугуна

Сплав получают из отлитого белого чугуна путем дополнительного продолжительного отжига при температуре 950°С в контейнерах засыпанным песком. Таким образом удаётся достигнуть относительной вязкости металла. Это конечно не позволяет работать с металлом кузнечным методом, но достаточно повышает стойкость к ударным нагрузкам материала.

В структуре ковкий чугун, как и серый содержит в своей сталистой основе включения углерода в виде графита. Но структурное отличие заключается в том, что графит распределён в массе сплава микроскопическими хлопьями, изолированными между собой. Таким образом металлическая снова менее разобщена и материал обладает более высокой пластичностью и вязкостью.

Свойства ковкого чугуна во много зависят от размера графитных включений в своей структуре. Среди чугунов данного типа, в зависимости от строения структуры различают два вида: ферритный (Ф класса), перлитный (П класса). К ковким чугунам относятся следующие марки: с ферритной и феррито-перлитной структурой КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12; с перлитной структурой КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ55-4, КЧ60-3, КЧ65-3, КЧ70-2, КЧ80-1.5.
Первая цифра в маркировке указывает минимальный придел прочности у кгс/мм², вторая- минимальное относительное линейное удлинение.

Действие добавок на свойства чугунов

Если говорить о углероде в составе чугуна, то его относительное массовое повышение в составе сплава положительно влияет на текучесть раскалённого жидкого сплава. Вместе с этим, при выделении углерода в виде графита в структуре сплава объём вылитой заготовки увеличивается, что частично компенсирует усадку после полной кристаллизации. Таким образом, углерод положительно влияет на литейные качества и позволяет отливать достаточно точные размеры заготовок.

Кремний

Является хорошим катализатором для выделения графита в структуре сплава, что важно при производстве серых чугунов. При взаимодействии железа с кремнием образуются соединения силициды FeSi и Fe₃Si₂, активизирующие формирование графитных пластинок, блокируя образование цементита в структуре, повышающего хрупкость материала. Дополнительно, кремний повышает жидкотекучесть сплава, понижает температуру плавления, замедляет скорость охлаждения, что улучшает формообразования отливок. Содержание кремния в массе серых чугунов может присутствовать в пределах 0.8-3.6%.

Марганец

Элемент обратное действие кремнию — для устойчивого удерживания углерода в составе сформированного карбида (цементита), обеспечивая отбеливание чугуна. Предельное содержание марганца в серых чугунах ограничивается в пределах 0.5-1.5%.

Сера

Понижает текучесть расплавленного чугуна, снижает выделение графита и повышает его хрупкость. Данный элемент негативно влияет на качество сплава поэтому его содержание в составе не должно превышать 0.7%

Фосфор

Элемент создаёт в структуре твёрдую и хрупкую эвктетику, поэтому в чугунах предназначенных для изготовления деталей подвергаемых самым малым ударным нагрузкам его содержание не должно превышать 0.3%. Однако для литых деталей требующих повышенной износоустойчивости содержание фосфора доводят до массового содержания в пределах 0.7-0.8%. Дополнительно, фосфор повышает литейные свойства, понижает температуру плавления, уменьшает объёмную усадку. Доведение содержания фосфора до 1.2% позволяет получать гладкие, тонкие и чистые отливки. С таким содержанием фосфора используют чугун для художественного литья.

Никель

Используют как легирующий элемент для выравнивания механических свойств отливок со стенками разной толщины, способствует повышению твердости, коррозийной стойкости и обрабатыванию резанием.

Медь

Повышает жидкотекучесть, твердость и прочность, стимулирует процесс графитизации в структуре металла.

Титан

Элемент притормаживает процесс выделения графита при содержании до 0.05%. С увеличением содержания титана процесс графитезации замедляется и повышает механические свойства.

Хром

Притормаживает процесс выделения графита, приводит к дроблению графитных включений, повышает дисперсность перлита, увеличивает прочность и твердость, снижает текучесть и пластичность сплава.

Магний

Стимулирует выделение графита при содержании элемента в сплаве до 0.01%, с увеличением количества стимулирует отбеливание сплава.

Молибден

Элемент замедляет выделение графита, стимулирует образование карбидов, повышает твердость и износоустойчивость без повышения сопротивляемости к обработке.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector