(В.Г. Шипша)

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.

Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:

Степень эвтектичности S_Э — отношение концентрации углерода С в чугуне к его концентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора:

где 4,26 — концентрация углерода в эвтектике системы «железо—графит» (см. рис. 7.1.), Si и P — содержание этих элементов в чугуне, %.

Углеродный эквивалент определяется как:

С_эк = С + 0,3(Si + P)

Чугуны подразделяются на: доэвтектические (S_э < 1, C_эв < 4,2–4,3), эвтектические (S_э 1, С_эк 4,2–4,3) и заэвтектические (S_э > 1, C_эв > 4,2–4,3).

Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 7.1): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe—Fe₃C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe₃C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe—C (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).

На представленных диаграммах (рис.7.1) кроме общих линий АС, АЕ, GS остальные линии не совпадают. В системе Fe—C графитная эвтектика (аустенит—графит) содержит 4,26 % С и образуется при 1 153 ° С. По линии E' S' в интервале температур 1 153–738 ° С выделяется вторичный графит. Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида (феррит + графит). Пользование диаграммами Fe—C и Fe—Fe₃C принципиально не отличается друг от друга.

Вероятность образования цементита из жидкой фазы значительно выше, чем графита. Любой процесс определяется термодинамическими и кинетическими условиями протекания. Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить запас свободной энергии. Цементит термодинамически менее устойчивая фаза, чем графит. Однако разница между температурами образования цементита и графита невелика, и при сравнительно небольшом переохлаждении будет происходить кристаллизация цементита, а не графита.

Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 ° С происходит образование цементита.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы. В соответствии с диаграммой Fe—C ниже линии C'D' образуется первичный графит, по линии E'C'F' — эвтектический графит, по линии Е'S' — вторичный графит и по линии P'S'К'— эвтектоидный графит.

Графитизация чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров графитизации.

Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий:

•  бразование центров графитизации в жидкой фазе или аустените;

• диффузия атомов углерода к центрам графитизации;

• рост выделения графита.

При графитизации цементита добавляются стадии предварительного распада Fe₃C и растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

В зависимости от степени графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.

Белые чугуны — получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe₃C, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в виде Fe₃C, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал не применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига.

Серые чугуны — образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.

Половинчатые чугуны — занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде Fe₃C. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Промышленные чугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, до 03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны с различной структурой и свойствами. Структурная диаграмма (рис. 7.2) приближенно указывает границы структурных областей в зависимости от содержания кремния и углерода при содержании 0,5 % Mn и заданной скорости охлаждения (при толщине стенки отливки 50 мм).

Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сера является вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5–6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор не влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950–980) ° С фосфидной эвтектики.

Рис. 7.2. Структурная диаграмма:
1 — белые чугуны; 2 — половинчатые чугуны;
3, 4, 5 — серые чугуны на перлитной, феррито-перлитной
и ферритной основе соответственно

Таким образом, регулируя химический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужную структуру чугуна.

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.

Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.

В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:

• чугун с пластинчатым графитом;

• чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);

• чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);

• чугун с вермикулярным графитом.

На рис. 7.3 дана обобщенная классификация чугунов по строению металлической основы и форме графита.

Микроструктура чугунов приведена на рис. 7.4.

Рис. 7.3. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме
графитовых включений

Рис. 7.4. Различные формы графита в чугуне:
а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит. × 200

По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.

В отдельную группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок.

Пластины графита с острыми краями уменьшают живое сечение металлической матрицы и, главное, являются внутренними концентраторами напряжений, способствующими зарождению и развитию трещин. Коэффициент концентраций растягивающих напряжений около пластин графита достигает 7,5. Пластины графита сильно снижают прочность и пластичность чугуна при растяжении. Относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом, как правило, не превышает 0,5–1,0 % и стандартом не гарантируется. На прочность при сжатии включения графита влияют значительно слабее, поэтому чугун особенно выгодно использовать для изготовления деталей, работающих на сжатие.

Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резким переходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другим неровностям поверхности отливки.

Количественные параметры структуры чугуна оценивают в соответствии с ГОСТ 3443–87. Форму, размер, распределение и объемную долю включений графита, соотношение феррита и перлита и дисперсность пластинчатого перлита определяют сравнением с эталонными структурами. Микроструктуры чугунов с пластинчатым графитом приведены на рис. 7.5.

Серый чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа · 10^–1. ГОСТ 1412–85 включает шесть основных марок серого чугуна — от СЧ 10 до СЧ 35 (табл. 7.1). По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24. Сдаточной характеристикой является только s _в. Приведенный в табл. 7.1 химический состав не является сдаточной характеристикой, но от него зависят структура чугуна и, соответственно, уровень s _в. Химический состав устанавливает завод-изготовитель отливок для обеспечения необходимого уровня s _в.

Чем выше углеродный эквивалент, тем ниже прочность. У чугуна СЧ 10 С_э = 4,25–4,6, а у чугуна СЧ 35 С_э = 3,3–3,5. Чугун СЧ 10 по структуре эвтектический или слегка заэвтектический, а чугун СЧ 35 — доэвтектический.

Снижение прочности с увеличением С_э обусловлено большой полнотой графитизации, образованием более крупных включений графита и уменьшением доли перлита (увеличением доли феррита). Чугун СЧ 10 имеет ферритную основу, а чугун СЧ 35 — перлитную.

Поскольку строение чугуна зависит не только от его химического состава, но и от условий плавки и литья, то эти условия также влияют на механические свойства чугуна. С ускорением охлаждения мельче становятся включения графита, уменьшается его количество, увеличивается доля перлита и уменьшается межпластиночное расстояние в перлите. Все эти факторы приводят к повышению прочности и твердости при заданном химическом составе чугуна.

В реальных фасонных отливках скорости охлаждения зависят от сечения их стенок. С увеличением сечения стенок скорость охлаждения уменьшается, что приводит к снижению s _в и НВ. В ГОСТ 1412–85 в качестве справочных данных приведены сведения о влиянии сечения стенки отливки на прочность и твердость чугунов (табл. 7.2).

Физические свойства чугунов представлены в табл. 7.3.

Примечания:

Благодаря включениям графита, чугун отличается высокой демпфирующей способностью. Решающее значение для уровня демпфирующих свойств чугуна имеют количество, форма и распределение графита в чугуне, что иллюстрируется приведенными ниже значениями логарифмического декремента колебаний d · 10 для различных чугунов по сравнению со сталью [ 2] :

 Наивысший демпфирующей способностью обладают чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 10 и СЧ 15, которые имеют в своей структуре максимальное количество графита (углеродный эквивалент С_э = 4,25–4,6).

Графит делает стружку ломкой, благодаря чему серый чугун хорошо обрабатывается резанием. Лучшими литейными свойствами (большой жидкотекучестью, меньшей усадкой из-за увеличения удельного объема при образовании графита) обладают чугуны низких марок (СЧ 10, СЧ 15). Но все же наиболее широко в машиностроении используют более прочные чугуны марок СЧ 20–СЧ 35.

Основные области применения серого чугуна — станкостроение и тяжелое машиностроение (станины станков, разнообразные корпусные детали), автомобильная промышленность и сельскохозяйственное машиностроение, санитарно-техническое оборудование (отопительные радиаторы, трубы, ванны) и др.

Отливки из чугуна с пластинчатым графитом, как правило, подвергаются термической обработке. Самым распространенным видом термической обработке является отжиг при 450–600 °С отливок для уменьшения литейных напряжений, всегда возникающих при фасонном литье. Основная цель отжига — стабилизация размеров.

Графитизирующий отжиг. В тонких сечениях отливок из-за ускоренного охлаждения чугун получается белым. Кроме того в отливках, особенно при литье в кокиль, поверхность может оказаться отбеленной. Для устранения отбела с целью улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности проводят графитизирующий отжиг при температуре 850–950 °С, время выдержки — 0,5–5 ч, охлаждение — до 300 °С вместе с печью.

Упрочняющая термическая обработка (нормализация или закалка с низким отпуском) широкого применения не нашла. Это объясняется тем, что пластинчатый графит, действуя как внутренние надрезы, сильно снижает прочность и вязкость металлической основы. Поэтому ее упрочнение при термообработке не дает большого эффекта и часто нерентабельно.

При введении в чугун перед разливкой » 0,5 % магния или церия графит кристаллизуется в шаровидной или близкой к нему форме (рис. 7.4). Этот процесс называется модифицированием. Шаровидный графит в меньшей степени, чем пластинчатый, ослабляет сечение металлической матрицы и, главное, не является таким сильным концентратором напряжений. Это обстоятельство в сочетании с возможностью формировать необходимую структуру металлической матрицы позволяет придавать чугунам высокую прочность, пластичность и повышенную ударную вязкость.

Чугуны с шаровидным графитом, используемые в промышленности с 40-х годов, называют высокопрочными и, в соответствии с ГОСТ 7293–85, маркируются буквами ВЧ, за которыми следует число, указывающее значение временного сопротивления при растяжении в МПа · 10^–1 (например ВЧ 50).

Сдаточными (гарантируемыми) характеристиками высокопрочных чугунов являются s _в и s _0,2 , а при наличии требований в нормативно-технической документации допускается устанавливать значения относительного удлинения d , твердости НВ и ударной вязкости KCV в соответствии с нормами, указанными в ГОСТ 7293–85. Марки и характеристики механических свойств высокопрочных чугунов приведены в табл. 7.4, а рекомендуемый химический состав — в табл. 7.5.

Примечание. Чугун марки ВЧ 35 с шаровидным графитом должен иметь среднее значение ударной вязкости KСV не менее 21 Дж/см² при температуре плюс 20 °С и 15 Дж/см² при температуре минус 40 °С, минимальное значение ударной вязкости должно быть не менее 17 Дж/см² при температуре плюс 20 °С и 11 Дж/см² при температуре минус 40 °С.

*Для отливок с толщиной стенок до 50 мм; для стенок большего сечения рекомендовано меньшее содержание углерода и кремния.

Во всех чугунах марок ВЧ содержание углерода практически одинаковое и высокое (С_э = 4,1–4,3), что обеспечивает хорошие литейные свойства. Примесь фосфора из-за образования хрупкого фосфида снижает пластичность, поэтому его содержание не превышает 0,1 %. Особенно вредна сера, так как она снижает механические свойства (из-за образования с магнием и редкоземельными металлами хрупких сульфидов) и ослабляет модифицирующее действие этих элементов. Содержание серы не должно превышать 0,02 %, а в чугунах марок ВЧ 80 и ВЧ 100 — 0,01 %.

Механические свойства высокопрочных чугунов зависят в основном от структуры металлической основы. Чугуны марок ВЧ 35, ВЧ 40 имеют ферритную основу, ВЧ 45 и ВЧ 50 — перлито-ферритную, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80 — перлитную. Требуемая структура металлической основы формируется в процессе литья и последующей термообработки. Для отливок из высокопрочного чугуна применяют следующие виды термообработки:

Рис. 7.6. Зависимость прочности от твердости термически обработанного чугуна:
1 — после закалки и отпуска;
2 — после изотермической закалки

Рис. 7.7. Зависимость механических свойств изотермически закаленного чугуна в зависимости от температуры ванны:
1 — ВЧ 80 ; 2 — ВЧ 100

• отжиг при 500–600 °С для снижения литейных напряжений;

• графитизирующий отжиг для устранения отбела и формирования ферритной или феррито–перлитной структуры металлической основы (см. выше);

• нормализация для исправления структуры и получения перлитной металлической основы с повышенными механическими свойствами. Нормализация осуществляется путем нагрева отливок до 850–950 °С с последующим охлаждением на воздухе;

• закалка и низкий отпуск. Температура закалки 850–900 °С; время выдержки зависит от размеров отливки и исходной структуры металлической основы и составляет 0,5–3 ч; охлаждение в масле, обеспечивающее получение мартенситной структуры. Низкий отпуск проводят для снятия внутренних напряжений при температуре 250–380 °С;

• изотермическая закалка по сравнению с обычной исключает возможность образования закалочных трещин и коробления, снижает внутренние термические напряжения и обеспечивает более высокий комплекс прочностных свойств (рис. 7.6, 7.7).

Режим закалки: нагрев до 830–900 °С, выдержка 10–90 мин, охлаждение в ваннах с расплавом щелочей (60 % NAOH + 40 % KOH) или хлористых солей при температуре 300–350 °С. Получаемая бейнитная структура металлической основы обеспечивает высокую прочность и вязкость чугунов.

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом используют для замены литой стали в изделиях ответственного назначения (валки горячей прокатки, станины и рамы прокатных станов, молотов и прессов). По сравнению со сталью они обладают несравненно более высокими литейными свойствами и на 8–10 % меньшей плотностью (последнее позволяет снизить массу машин). Даже поковки ответственного назначения из легированных сталей можно заменять на отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Классический пример этого — тяжелонагруженные коленчатые валы дизельных, в том числе автомобильных двигателей, к которым предъявляют высокие требования по статической и усталостной прочности.

Высокопрочный чугун используют и для замены серого чугуна с пластинчатым графитом, если необходимо увеличить срок службы изделия или снизить массу.