Чугун

Чугуном называют железоуглеродистые сплавы (содержащие также то или иное количество примесей и легирующих элементов), затвердевающие с образованием эвтектики. Следовательно, в отличие от стали, чугун не может приобрести однофазное строение (например, аустенитное) при термической обработке. Согласно диаграмме состояния сплавов Fe—С (рис. 1), область чугуна охватывает сплавы, содержащие свыше 2,11% С. Практически же в качестве указанного граничного содержания углерода принято считать 2% С. С повышением содержания легирующих элементов эта граница, как правило, смещается в сторону меньших концентраций углерода. Так, многие высокохромистые, высококремнистые (например, ферросилиды), высокоалюминиевые сплавы железа содержат значительное количество эвтектики и условно считаются чугуном, несмотря на весьма низкое содержание углерода.

Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава (работы по прокатке чугуна, особенно высокопрочного с шаровидным графитом, дали некоторые положительные результаты, но промышленного применения не нашли; перспективной является прокатка низкоуглеродистого низкокремнистого белого чугуна).

Чугун менее прочен и более хрупок, чем сталь, но дешевле стали и хорошо отливается в формы. Поэтому чугун широко используют для изготовления литых деталей. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита (Fe₃C) или графита. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и трудно поддается механической обработке. Графит, наоборот, темного цвета и достаточно мягок. В зависимости от того, какая форма углерода преобладает в структуре, различают два основных вида чугуна: белый и серый.

По степени эвтектичности чугун подразделяют на доэвтектический, эвтектический и заэвтектический (см. рис. 1). Неправомерно принято отождествлять степень эвтектичности чугуна со степенью «насыщенности». Последняя относится как к чугуну, так и к стали и отражает лишь отношение содержания углерода в сплаве к эвтектическому или, с учетом влияния кремния и фосфора на смещение эвтектической точки влево.

Чугун считается эвтектическим, когда углеродный эквивалент равен 4,2—4,3%.

По содержанию дополнительных компонентов чугун подразделяют на нелегированный, низколегированный, средне- и высоколегированный. Нелегированным считают чугун, содержащий до 3,5—4% Si, до 1,5—2% Мп, до 0,3% Р, до 0,2— 0,25% S и до 0,1% таких элементов, как Cr, Ni, Си. В низколегированном чугуне содержание каждого из перечисленных легирующих элементов обычно не превышает 1,0—1,5%, в среднелегированном оно может достигать 7%, а в высоколегированном превышает 7—10%. Добавки сотых и даже тысячных долей процента таких элементов, как магний, азот, бор, висмут, считаются легирующими (микролегирование, модифицирование).

По степени графитизации чугун подразделяют на белый (практически не графитизированный), отбеленный или половинчатый (частично графити-зированный) и серый (в значительной степени или полностью графитизированный). Ковким называют чугун, полученный из белого путем его графитизации в твердом состоянии при термической обработке.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором весь или практически весь избыточный углерод, не находящийся в твердом растворе в железе, присутствует в виде цементита Fe₃C (или специальных карбидов в легированном чугуне). В нелегированном чугуне цементит представляет собой метастабильную фазу, способную распадаться с образованием железа и графита. На рисунке выше линии метастабильных равновесий (цементитная система) PSK, ES, ECF и CD показаны сплошными, а линии стабильных равновесий (графитная система) P`S`К`, E`S`, E`C`F` и C`D` —- пунктирными (в физической химии металлов принят обратный порядок обозначения).

В неполностью графитизированном сером чугуне эвтектоидное превращение протекает не в стабильной (графитной), а в метастабильной (цементитной системе) и аустенит превращается не в феррито-графитный эвтектоид, а в феррито-цементит-ную смесь — перлит. При этом наличие перлитного цементита и даже небольшого количества вторичного цементита (выпадающего из аустенита при его охлаждении в соответствии с линией метастабильного равновесия ES на рисунке выше) не является признаком отбела серого чугуна.

В производственной практике чаще всего наблюдаются случаи, когда эвтек-тоидное превращение протекает частично в стабильной и частично в метастабильной системах. Получающийся перлито-ферритный чугун обладает свойствами, приближающимися к свойствам перлитного или ферритного серого чугуна в зависимости от процентного содержания феррита и перлита в структуре металлической основы.

При отжиге белого чугуна на ковкий графит выделяется в виде более компактных включений, в результате чего металл приобретает определенные пластические свойства (откуда и название этого вида чугуна). Как и серый чугун, ковкий чугун может быть полностью и неполностью графитизированным и подразделяется соответственно на ферритный, феррито-перлитный и перлитный. Ледебуритного или вторичного цементита в ковком чугуне не должно быть (за исключением отдельных изолированных, так называемых «остаточных» карбидов). Половинчатый ковкий чугун промышленного применения не нашел.

В конце сороковых годов был изобретен метод модифицирования чугуна магнием, церием (а в настоящее время также иттрием и рядом других элементов), при котором графитные включения приобретают шаровидную или близкую к ней форму. Такой сплав фактически является разновидностью серого чугуна, однако ввиду приобретения им ряда специфических свойств (сочетания высокой прочности и пластичности, повышенной ударной вязкости) его классифицируют отдельно под названием «высокопрочный» чугун (ВЧ) или чугун с шаровидным графитом (ЧШГ). В зависимости от использованного модификатора его также называют магниевым, либо цериевым чугуном. В зарубежной литературе его часто называют «пластичным» чугуном (ductile iron). Высокопрочный чугун так же подразделяется на перлитный, перлито-ферритный и ферритный. В промышленности используют также отбеленный чугун с шаровидным графитом.

Часто модифицирование магнием или церием приводит к практически полному отбелу чугуна. После графитизирующего отжига в металле образуются шаровидные включения графита. Такой материал фактически представляет собой разновидность ковкого чугуна. Однако ввиду ряда специфических особенностей (кратковременности отжига, обусловленной высоким содержанием кремния в металле и отсутствием инкубационного периода) его классифицируют в одной группе с высокопрочным чугуном.

Таким образом, значительно графитизированный чугун условно подразделяют на серый (СЧ), ковкий (КЧ) и высокопрочный (ВЧ), хотя в ряде случаев провести между ними границу очень трудно.

Серый, ковкий и высокопрочный чугун классифицируют по механическим свойствам. Согласно общей классификации принято следующее деление:

По специальным свойствам чугун подразделяют на износостойкий, антифрикционный, коррозионностойкий, жаростойкий, немагнитный.

По твердости чугун подразделяют на:

Мягкий чугун < HB149

Средней твердости HB149-197

Повышенной твердости HB 197-269

Твердый > HB269

По прочности чугун подразделяют на:

Обыкновенной прочности < 20 кГ/мм²

Повышенной прочности = 20-38 кГ/мм²

Высокой прочности > 38кГ/мм²

В белом чугуне почти весь углерод содержится в связанном состоянии в форме цементита. Такой чугун имеет в изломе светло-серый цвет, очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для изготовления деталей из ковкого чугуна. Такой чугун называется также передельным.

Серый чугун в изломе темно-серого цвета, мягок, хорошо обрабатывается инструментами и поэтому широко применяется в машиностроении. Температура плавления серого чугуна 1100— 1250° С. Чем больше в чугуне углерода, тем ниже температура плавления. Основное количество углерода в сером чугуне содержится в виде графита, равномерно распределенного среди зерен основного сплава.

В сером чугуне, по сравнению с белым, содержится больше кремния и меньше марганца, так как кремний способствует графитизации углерода в чугуне, а марганец, наоборот, вызывает образование связанного углерода — цементита.

Примерный состав серого чугуна: 3—3,6% углерода; 1,6—2,5% кремния; 0,5—1% марганца; 0,05—0,12% серы; 0,1—0,8% фосфора. Сера является вредной примесью в чугуне, затрудняет его сварку и понижает прочность; она повышает вязкость чугуна в расплавленном состоянии и увеличивает его литейную усадку.

Фосфор делает чугун более жидкоплавким и улучшает его свариваемость, но одновременно повышает хрупкость и твердость. Поэтому содержание серы и фосфора в чугуне не должно превышать указанных пределов.

По ГОСТ 1412—54 марка серого чугуна обозначается буквами СЧ и двумя числами, из которых первое обозначает среднюю величину временного сопротивления в кгс/мм², а второе — то же, при изгибе. Выпускается, например, серый чугун марок СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36 и т. д. Наиболее прочным является чугун марки СЧ38-60. Твердость по Бринеллю для серого чугуна СЧ12-28 составляет от 143 до 229, чугуна СЧ38-60 —от 207 до 262.

Ковкий чугун по механическим свойствам занимает промежуточное положение между чугуном и сталью, отличается от серого чугуна большей вязкостью и меньшей хрупкостью. Для получения деталей из ковкого чугуна их отливают из белого чугуна, а затем подвергают термообработке, например длительному отжигу или «томлению» в песке при 800—850° С. При этом выделяется свободный углерод в форме мелких округленных частиц, располагающихся в виде обособленных скоплений (хлопьев) между кристаллами железа. При температуре выше 900—950° С углерод переходит в цементит и деталь теряет свойства ковкого чугуна. Поэтому детали после сварки приходится вновь подвергать полному циклу термообработки для получения в шве и околошовной зоне структуры ковкого чугуна.

Ковкий чугун по ГОСТ 1215—59 обозначается буквами КЧ и двумя числами: первое указывает временное сопротивление в кгс/мм², а второе — относительное удлинение в процентах, например КЧ35-4.

Легированный чугун обладает особыми свойствами — кислотоупорностью, высокой прочностью при ударных нагрузках и др. Эти свойства чугун получает в результате легирования хромом, никелем.

Модифицированный чугун получают из серого чугуна, вводя в жидкий чугун специальные добавки, называемые модификаторами — силикокальций, ферросилиций, силикоалюминий и др. Количество вводимых модификаторов не превышает 0,1 — 0,5%, при этом температура жидкого чугуна должна быть не ниже 1400° С.

При модификации состав чугуна почти не изменяется, но зерна графита принимают мелкопластинчатый, слегка завихренный вид, и располагаются изолированно друг от друга. От этого структура чугуна становится однородной, плотной, повышаются его прочность, износо- и коррозиоустойчивость.

По ГОСТ 1412—54 модифицированный чугун обозначается так же, как и серый, но с добавлением буквы М, например: МСЧ2848.

Высокопрочный и сверхпрочный чугуны имеют, графит шаровой формы. Это достигается введением в жидкий чугун при 1400° С чистого магния или его сплавов с медью и ферросилицием, с последующей модификацией силикокальцием или ферросилицием. Сверхпрочный чугун имеет временное сопротивление при растяжении 50—65 кгс/мм² (при изгибе 80—120 кгс/мм²) и относительное удлинение 1,5—3%.

Механические и технологические свойства: чугун является своеобразным композитным материалом, механические и эксплуатационные свойства которого зависят от характеристик металлической основы (прочность, пластичность, твердость и др.), а также формы, размеров, количества и распределения графитовых включений. При этом решающее значение в ряде случаев имеет либо графит, либо металлическая основа. Например, модуль упругости чугуна в решающей степени зависит от формы и величины графитовых включений, а твердость в основном определяется свойствами металлической основы. Такие свойства, как временное сопротивление разрыву, ударная вязкость, длительная прочность, зависят как от свойств металлической основы, так и от формы или размеров и количества графитовых включений.

Получение той или иной структуры чугуна в отливках зависит от многих факторов: химического состава чугуна, вида шихтовых материалов, технологии плавки и внепечной обработки металла, скорости кристаллизации и охлаждения расплава в форме, а следовательно, толщины стенки отливки, теплофизических свойств материала формы и др. Структуру металлической основы чугуна можно изменять также термической обработкой отливок, общие закономерности влияния которой аналогичны возникающим при термической обработке углеродистой стали, а особенности связаны с сопутствующими изменениями металлической основы процессами графитизации.

Среди элементов химического состава С и Si определяют формирование структуры чугуна, а при заданной технологии литья приведенный размер стенки отливки R_np характеризует скорость ее охлаждения — отношение площади сечения стенки к периметру).

Наряду с Si большое значение как графитизирующий элемент имеет Аl, который иногда частично или полностью заменяет Si. Это улучшает свойства чугуна, особенно пластичность. Наиболее благоприятное сочетание характеристик прочности, вязкости и пластичности достигается в алюминиевых чугунах при содержании в них Si < 1,0 %.

По влиянию небольших добавок других элементов на структуру чугуна и, следовательно, свойства добавки можно разбить на три группы.

Первая группа элементов (Ni, Со, Си) аналогично Si оказывает графитизирующее влияние, способствует раз мельчению выделений графита. Одновременно эти элементы стимулируют получение более дисперсных перлитных игольчатых и. мартенситных структур даже при сравнительно медленном охлаждении.

Вторая группа элементов (Сг, Мо, W, V и др.) в противоположность первой препятствует графитизации с интенсивностью, пропорциональной концентрации. При содержании, превышающем предел растворимости их в цементите или феррите, они образуют специальные карбиды.

К третьей группе элементов можно отнести Ti, Zr, Се, Са, Mg, В и др. Эти элементы характеризуются высокой химической активностью, почти целиком расходуются на образование тугоплавких карбидов, сульфидов, оксидов, нитридов, которые могут служить зародышами в процессе последующей кристаллизации и повышать дисперсность металлической основы. Более того, элементы этой группы Mg, Са, Се и др. редкоземельные металлы (РЗМ) входят в состав лигатур для модифицирования чугуна с целью получения графита вермикулярной или шаровидной формы.

Магнитные свойства чугунов. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к деталям, чугун может применяться в качестве ферромагнитного (магнитно-мягкого) или паромагнитного материала.

Магнитные свойства в большей степени, чем какие-либо другие, зависят от структуры металла, что определяет разделение магнитных свойств на первичные и вторичные. К первичным относятся индукция, насыщение (4лl), проницаемость в сильных полях и температура магнитного превращения. Эти свойства зависят от количества и состава ферромагнитных фаз и не зависят от их формы и распределения. К вторичным свойствам относятся гистерезисные характеристики: индукция, насыщение и проницаемость в слабых и средних полях, коэрцитивная сила, остаточный магнетизм. Вторичные свойства мало зависят от состава фаз и определяются главным образом формой и распределением структурных составляющих.

Основными ферромагнитными составляющими чугуна являются феррит и цементит, характеризующиеся следующими данными.

Цементит является более жесткой магнитной составляющей, поэтому в качестве магнитно-мягкого материала всегда применяется серый, а не белый чугун. Графитизация приводит к резкому понижению Н_с и интенсивному повышению U_mах, в особенности при распаде последних остатков карбидов. При этом влияние графита, как и других немагнитных фаз, зависит также от формы и величины включений. Наиболее благоприятной в этом отношении является глобулярная форма. Поэтому ковкий и высокопрочный чугун характеризуются большей индукцией и магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой, чем серый чугун при той же матрице.

Таким же образом влияет укрупнение эвтектического и ферритного зерна и уменьшение количества перлита. Поэтому отпуск после закалки способствует улучшению магнитно-мягких свойств.

Немагнитные (парамагнитные) чугуны применяются в тех случаях, когда требуется свести к минимуму потери мощности (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов, нажимные кольца на электромашинах и т. д.) или когда необходимо минимальное искажение магнитного поля (стойки для магнитов и т. п.). В первом случае, наряду с низкой магнитной проницаемостью, требуется высокое электрическое сопротивление; этому требованию чугун удовлетворяет даже в большей степени, чем цветные сплавы. Во втором случае необходима особо низкая магнитная проницаемость. Поэтому в ряде случаев и не удается заменить цветные сплавы аустенитными чугунами для второй группы отливок.

В зависимости от состава различают аустенитные немагнитные чугуны:

- никелевые типа нирезист с тем или иным количеством хрома;

- никельмарганцевые типа номаг с тем или иным содержанием меди и алюминия, превосходящие чугуны первой

- группы по немагнитности, но уступающие им по жаропрочности, жаростойкости и сопротивлению коррозии;

- марганцевые с тем или иным содержанием меди и алюминия, являющиеся наиболее дешевыми, но обладающие более низкими прочностными и физическими свойствами.

Представляют интерес также ферритные высоколегированные алюминиевые чугуны, характеризующиеся особенно низкой магнитной проницаемостью.

Влияние вида чугуна на его плотность: наибольшей плотностью характеризуются белые чугуны, не содержащие свободных графитовых включений, и некоторые легированные чугуны (хромовые, никелевые, хромоникелевые). У серых чугунов плотность обычно тем больше, чем выше прочность чугуна.

Высокопрочный чугун при прочих равных условиях (одинаковом содержании кремния, перлита и графита) характеризуется большей плотностью, чем чугун с пластинчатым графитом. Однако во многих случаях эта плотность может оказаться на практике ниже, чем у серых чугунов, вследствие более высокого содержания углерода и кремния или большей ферритизации матрицы.

Большей плотностью также характеризуются аустенитные чугуны, вследствие более плотного строения, особенно при легировании никелем и медью, плотность которых больше, чем у железа.

При легировании марганцем плотность аустенита несколько понижается. Еще меньше плотность ферритных кремнистых и алюминиевых чугунов.