Основные виды чугунов и их классификация

1. Определение

 Чугуном принято называть железоуглеродистые сплавы, содер­жащие углерод при нормальных условиях кристаллизации выше пре­дела растворимости в аустените и эвтектику в структуре. В соот­ветствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов чугуном являются сплавы, содержащие углерода более 2%. Эвтектика в структуре этих сплавов в зависимости от условий ее образования может быть карбидной или графитной.

Приведенное определение, лежащее в основе классификации обычных железоуглеродистых сплавов, не всегда является доста­точным.

В самом деле, карбидная эвтектика имеется не только в чугунах, но и в высоколегированных сталях, содержащих мало углерода (менее 2%), например в быстрорежущих сталях. Сложным является вопрос и с графитной эвтектикой, поскольку вторичный и эвтектоидный графит не выделяются отдельно. По одной только структуре бывает трудно правильно отличить графитизированный чугун от графитизированной стали. Поэтому часто приходится прибегать к допол­нительным определениям. В частности, характерной особенностью чугуна являются лучшие литейные и худшие пластические свойства по сравнению, со сталью, что является следствием высокого содер­жания углерода (значительно большего предела растворимости в аустените). Общепринятые границы между чугуном и сталью при содержании углерода в 2% и более носят условный характер неза­висимо от степени легирования и характера структуры.

Структура чугуна остается важнейшим классификационным при­знаком, так как она определяет его основные свойства. Структура графитизированных чугунов состоит из металлической основы, пронизанной графитными включениями. Последние очень благо­приятно влияют на износостойкость и циклическую вязкость чугуна.

К важнейшим классификационным признакам относятся также механические свойства (а для чугунов специального назначения и специальные свойства), состав отливок, технология производства, конструкция отливок и области их применения.

Прочностные свойства чугуна определяются характером метал­лической основы и степенью ослабления этой основы графитными включениями. К последним относятся прежде всего количество, форма и характер распределения графитных включений.

2. Классификация по химическому составу

В чугунах, кроме железа и углерода, содержится (в качестве обычно определяемых постоянных примесей) кремний, марганец, фосфор и сера. Чугуны содержат также незначительные количества кислорода, водорода и азота.

По химическому составу чугуны делятся на  нелегированные и легированные.

Нелегированными считаются чугуны, в которых количество мар­ганца не превосходит 2% и кремния 4%. При наличии этих элементов в больших количествах или при содержании специальных примесей чугуны считаются легированными. Принято считать, что в малолегированных чугунах количество специальных примесей (Ni, Сr, Сu и т. п.) не превосходит 3%.

При малом и умеренном легировании стремятся улучшить общие свойства чугуна —однородность структуры, сохранение прочности и упругости при нагреве до относительно невысоких температур — 300—400°, повышение износостойкости, повышение прочности и т.д.

При среднем, повышенном и высоком легировании чугун приобре­тает специальные свойства, так как значительно меняется состав твердых растворов и карбидов. В этом случае наибольшее значение приобретает изменение характера металлической основы. Путем легирования можно получить непосредственно в литом состоянии мартенсит, игольчатый троостит и аустенит. Это повышает коррозионностойкость, жаростойкость и меняет магнитные свойства.

3. Классификация по структуре и условиям образования графита

По степени графитизации, формам графита и условиям их обра­зования различают следующие типы чугунов:

а) белый,

б) половин­чатый,

в) серый с пластинчатым графитом,

г) высокопрочный  с шаровидным графитом и

д) ковкий.

Перечисленные названия нельзя считать достаточно удачными, поскольку они отражают только вид излома или некоторые свойства и совершенно не характеризуют вид структуры. Однако эти назва­ния исторически сложились и их придерживаются.

Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом термической обра­ботки.

По степени графитизации белый чугун является почти неграфитизированным, половинчатые чугуны являются малографитизированными, а остальные чугуны —значительно графитизированными (рис.1).

 Рис 1. Схема классификации чугунов по степени графитизации, виду излома, форме и условиям образования графита

В белых и половинчатых чугунах обязательно наличие ледебу­рита, а в значительно графитизированных чугунах ледебурита не должно быть.

Структура чугуна в одной отливке может быть различной и при­надлежать к разным типам чугуна; иногда даже специально доби­ваются получения различных структур в разных слоях, например при производстве отбеленных прокатных валков и дробильных шаров. Наружные слои состоят из белого чугуна, переходные слои из поло­винчатого чугуна, сердцевина из значительно графитизированного чугуна.

Рассмотрим подробнее главнейшие особенности перечисленных чугунов.

а) Белый чугун. Белым называется чугун, у которого почти весь углерод находится в химически связанном состоянии. Белый чугун весьма тверд, хрупок и очень трудно обрабатывается резцами (даже из твердых сплавов).

Рис. 2. Структура белого чугуна (ледебурит, перлит и вторичный цементит)

На рис. 2   показана микроструктура нелегированного белого доэвтектического чугуна, состоящая из ледебурита, перлита и вто­ричного цементита. В легированных или термообработанных чугунах вместо перлита может быть троостит, мартенсит или аустенит.

Отливки из белого чугуна из-за большой твердости и хрупкости имеют ограниченное применение. Они применяются как износо­стойкие, коррозионностойкие и жаростойкие.

Белым чугун называется потому, что вид излома у него светло-кристаллический, лучистый (рис. 3).

Рис. 3. Вид излома белого чугуна.

б) Половинчатый чугун. Половинчатый чугун характерен тем, что наряду с карбидной эвтектикой в структуре имеется и графит. Это означает, что количество связанного углерода превосходит его предельную растворимость в аустените в реальных условиях затвер­девания.

Структура половинчатого чугуна — ледебурит + перлит + гра­фит. В легированных и термически обработанных чугунах можно получить мартенсит, аустенит или игольчатый тростит.

Половинчатым чугун называется потому, что вид излома у него  представляет собой сочетание из светлых и темных участков кристал­лического строения. Половинчатый чугун тверд и хрупок; приме­нение изделий из половинчатого чугуна ограничено. Чаще всего эта структура встречается в отбеленных отливках в качестве пере­ходной зоны между отбеленным слоем и графитизированной частью.

в) Серый чугун (СЧ). Серый чугун наиболее распространенный машиностроительный материал. Главное отличие серого чугуна заключается в том, что графит в плоскости шлифа имеет пластин­чатую форму (рис. 4). Когда пластинки очень дисперсны, графит назы­вают дисперсным или точечным  Получение      пластинчатой формы графита не требует термо­обработки   или обязательного модифицирования.

Пластинчатый графит раз­личают по степени изолирован­ности, характеру расположения, форме и размерам пластинок

Рис. 4 . Пластинчатый графит (прямолинейный). х100

Рис. 5. Пластинчатый графит, колониями большой степени изолированности. х100.

На рис. 5 показан пластинчатый графит, расположенный коло­ниями большой степени изолированности, а на рис. 6 малой степени  изолированности. Последний графит (дисперсный) расположен между дендритами и называется междендритным точечным. На фиг. & показан междендритный пластинчатый графит, а на рис. 8 розеточный графит.

Рис. 6. Пластинчатый графит, колониями малой степени изолированности. х100.

Рис. 7. Междендритный графит. х100.

Рис. 8.Розеточный графит. х100.

Рис. 9. Завихренный графит. х100.

Рис. 10. Структура серого чугуна ( сорбит, графит и фосфиды) х400.

Рис.  11. Перлито-ферритный серый чугун. х100.

Рис. 12. Шаровидный графит. х400.

Рис. 13. Перлитный высокопрочный . х400.

Рис. 14. Перлито-ферритный высокопрочный чугун. х100.

Рис. 15. Ферритный высокопрочный чугун. х200.

Графит на рис. 4 называется прямолинейным, или крупным: в отличие от завихренного, показанного на рис. 9.

По преимущественной длине сечений на шлифе графитные вклю­чения делятся на десять групп, указанных ниже.

Вид излома серого чугуна в значительной степени зависит от количества графита —чем больше графита, тем темнее излом.

Отливки из серого чугуна производятся любой толщины.

Вследствие сильного ослабляющего действия пластинок графита серому чугуну свойственны почти полное отсутствие относительного удлинения (менее 0,5%) и весьма низкая ударная вязкость.

В связи с тем, что серый чугун независимо от характера металли­ческой основы имеет низкую пластичность, большей частью стре­мятся к получению его с перлит­ной основой, поскольку перлит значительно прочнее и тверже фер­рита. Снижение количества пер­лита и повышение за счет этого количества феррита приводят к потере прочности и износостой­кости без повышения пластичности. Не дают также большой пластичности легирование серого чугуна и получение аустенитной основы.

Рис. 16. Хлопьевидный и   крабовидный  графиты.

Рис. 17. Ковкий чугун с ферритной основой.

На рис. 10 показана структура перлитно-графитного серого чугуна, а на рис. 11 структура перлитно-ферритного серого чугуна с примерно равным количеством перлита и феррита.

г) Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ). Прин­ципиальное отличие высокопрочного чугуна от других видов чугуна заключается в шаровидной форме графита, (рис. 12), которая полу­чается главным образом путем введения в жидкий чугун специаль­ных модификаторов (Mg, Се). Поэтому высокопрочный чугун часто называют магниевым, хотя в ГОСТе он назван «высокопрочным». Размеры и количество графитных включений бывают  различными.

Шаровидная форма графита является наиболее благоприятной из всех известных форм. Шаровидный графит меньше других форм графита ослабляет металлическую основу. Металлическая основа высокопрочного чугуна бывает в зависимости от требуемых свойств перлитной (рис. 13), перлитно-ферритной (рис. 14) и ферритной   (рис. 15).   Путем легирования и   термообработки можно получить аустенитную, мартенситную или игольчато-трооститную основу.

Отливки из высокопрочного чугуна так же, как и серого чугуна, могут производиться любой толщины.

д) Ковкий чугун (КЧ). Главное отличие ковкого чугуна заклю­чается в том, что графит в нем имеет хлопьевидную или шаровидную форму. Хлопьевидный графит бывает различной компактности и дис­персности (рис. 16  Л, Б, В, Г), что отражается на механических свойствах чугуна.

Промышленный ковкий чугун производится главным образом с ферритной основой; в ней однако всегда имеется перлитная кайма. В последние годы стали широко применяться чугуны с феррито-перлитной и перлитной основой. Чугун с ферритной основой (рис. 17) обладает большой пластичностью.

Излом у ферритного ковкого чугуна черно-бархатистый; с уве­личением количества перлита в структуре излом становится значи­тельно светлее.

Отливки из ковкого чугуна бывают ограниченной толщины, обычно не более 40—50 мм. Толщина отливок лимитируется труд­ностью получения сквозного отбеливания.

4. Классификация по свойствам

Классифицировать чугуны можно по механическим и специаль­ным свойствам.

По механическим свойствам чугунные отливки делят по:

а) твер­дости (НВ —твердость по Бринеллю);

б) прочности (σ_в—предел прочности при растяжении);

в) пластичности (δ —относительное удлинение).

Очень удобным является следующее деление:

а) по твердости

Мягкие чугуны................ΗВ до 149

Средней твердости...............НВ = 149— 197

Повышенной твердости.............ΗВ = 197 — 269

Твердые ...................ΗВ выше 269

б) по прочности

Обыкновенной прочности......... σ_в до 20 кг/мм2

Повышенной прочности.......... σ_в = 20 — 38 кг/мм2

Высокой прочности............ σ_в = 40 кг/мм2 и выше

Обыкновенной прочности бывают только серые чугуны. Повы­шенной прочности бывают серые и ковкие чугуны, высокой проч­ности ковкие чугуны и чугуны с шаровидным графитом.

в) по пластичности

Непластичные     δ до 1 %

Малопластичные    δ = 1-5%

Пластичные           δ = 5-10%

Повышенной пластичности   δ выше 10%

5. Классификация по способу изготовления чугуна отливок и их обработки

Большое влияние на свойства чугуна оказывает плавильный агрегат (ваграночный чугун, электроплавильный чугун и т. п.), поскольку от этого зависит степень перегрева жидкого чугуна. Часто приходится встречаться с тем, что какой-нибудь один или несколько технологических факторов играют решающую роль в деле изменения свойств чугуна. Например, добавка стали в ваграночную  шихту улучшает свойства чугуна. Такой чугун называют сталистым. Хорошие результаты достигаются модифицированием жидкого чугуна перед разливкой его в формы. В этом случае чугун называется моди­фицированным.

Соответственно можно классифицировать чугуны по характеру шихты, способу плавки и способу обработки жидкого чугуна.

Большое влияние на свойства чугуна оказывает также состояние формы и характер заливки в нее. По способу получения отливок чугунное литье можно разделить на кокильное (измельчение струк­туры за счет ускоренного охлаждения), центробежное (плотная структура), армированное (упрочнение отливок) и т. п.

Значительное изменение свойств достигается термообработкой отливок. С помощью термической обработки можно изменить сте­пень дисперсности металлической основы и ее характер вплоть до превращения ее в игольчато-трооститную и мартенситную. До неко­торого предела можно изменить количество связанного углерода, а при химико-термической обработке можно в поверхностных слоях изменить и состав чугуна. По виду термической обработки можно разделить отливки  на отожженные, нормализованные, улучшенные, поверхностно-закаленные, азотированные и т. п.

6. Классификация по видам отливок и областям их применения

Чугунные отливки по видам отливок и областям их применения можно делить на станочные, цилиндровые, автомобильные, подшип­никовые, прокатные валки из отбеленного чугуна и т. п.

Из приведенных классификаций наиболее четкой является клас­сификация по структуре, наименее четкой является классификация по видам отливок, поскольку чугуны с одинаковой структурой и одинаковым составом могут быть пригодны для различных видов отливок и отраслей машиностроения.

Необходимо отличать главнейшие (определяющие) признаки клас­сификации — форма графита от уточняющих признаков, к которым относится характер металлической основы, способ изготовления и т. п. Например, мало сказать серый чугун (пластинчатый графит), надо уточнить, какой серый чугун по металлической основе, как он получен (модифицированием или термической обработкой), леги­рован ли и чем он легирован.