высокопрочными называют такие чугуны у которых
Высокопрочный чугун
Изучение микроструктур Чугунов
По химическому составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода и постоянных примесей.
Чугунами называется железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14 %.
Свойства чугуна определяются его структурой. По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в частности, более низкими температурами плавления, и имеют меньшую осадку, характеризуются малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаются ковке) Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики. Структура и основные свойства чугунов зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий охлаждения отливки ирежима термической обработки. В зависимости от скорости охлаждения, добавочного легирования и последующей термообработки различают следующие типы чугунов: белые, серые, высокопрочные, ковкие и половинчатые.
Белый чугун
Своё название белый чугун получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет, что обусловлено присутствием в структуре большого количества цементита.
Белым чугуном называют чугун, у которого весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита – Fe3C.
Получают его при быстром охлаждении. Структура белых чугунов определяется метастабильной диаграммой Fe – Fe3C (рис. 1). В их структуре при комнатной температуре присутствует эвтектика – ледебурит, которая позволяет микроскопически отличать белые чугуны от углеродистых сталей.
Ледебурит – эвтектическая смесь, образующаяся при температуре 1147 °С из жидкости, содержащей 4.3 %С. В интервале от 1147 до 727 °С ледебурит состоит из аустенита и цементита, а при температуре ниже 727 °С из перлита и цементита.
В соответствии с диаграммой Fe – Fe3C белые чугуны делятся на доэвтектические, содержащие углерода от 2,14 до 4,3 % С;эвтектические, с содержанием углерода 4,3 %;заэвтектические, содержание углерода в которых от 4,3 до 6,67 %.
 |
Микроструктура белого доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (рис. 2, а).
Эвтектический белый чугун состоит из одного ледебурита (рис. 2, б).
Заэвтектический белый чугун имеет структуру, состоящую из ледебурита и цементита первичного (рис. 2, в).
 |
Белые чугуны характеризуются высокой хрупкостью, твердостью (практически не поддаются обработке режущим инструментом) и имеют ограниченное применение как конструкционные материалы. Они обычно идут на передел в сталь либо используются для получения ковкого чугуна. В машиностроении белый чугун главным образом применяется для отливки валков прокатных станов, мукомольных валков, которые должны быть твердыми и износостойкими.
В зависимости от назначения передельный чугун выплавляют различных марок: П1 и П2 – для сталеплавильного производства; ПЛ1 и ПЛ2 – для литья отливок. Исходя из содержания примесей, различают передельный фосфористый чугун ПФ1, ПФ2 и ПФЗ и высококачественный – ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ. Цифра в марке передельного чугуна дана для условной нумерации; химический состав приведен в ГОСТ 805 – 80; передельный чугун поставляют в чушках.
Серый чугун
Серые чугуны получили такое название по виду излома, который имеет серый цвет.
Отличительным признаком этих чугунов является присутствие в структуре свободного углерода в виде графита (рис. 3, а). Выделению углерода способствуют такие элементы, как кремний, никель, алюминий. Необходимо знать, что получают серые чугуны путем медленного охлаждения при кристаллизации по стабильной диаграмме (пунктирные линии, рис. 1). Графит, образующийся из жидкой фазы, растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков (рис. 3, б). В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой различные сечения графитных лепестков.
 |
Чугун, в структуре которого отсутствует эвтектический цементит, а включения гранита имеют форму пластинок, называется серым.
 |
В зависимости от скорости охлаждения металлическая основа серых чугунов может быть ферритной, феррито-перлитной, перлитной (рис. 4). При весьма медленном охлаждении и большом количестве графитообразующих элементов образуется ферритный серый чугун(рис. 5, а). В этом случае весь углерод находится в виде графита.
Некоторое увеличение скорости охлаждения или наличие элементов (марганца, хрома), тормозящих графитизацию, способствует образовании перлитного цементита. В зависимости от количества образовавшегося перлита может быть подучен феррито-перлитный чугун (рис. 5, б) или перлитный (рис. 5, в).
Графитные включения в сером чугуне можно рассматривать как трещины, поры, нарушающие целостность металлической матрицы. Чем больше графита в структуре чугуна, тем ниже его качество. Серый чугун отличается низкой пластичностью. Относительное удлинение образцов из серого чугуна на ферритной основе при растяжении составит 0,3 ¸ 0,8 %,перлитного – 0,2 ¸ 0,4 %.
 |
Плохо воспринимает серый чугун и динамические нагрузки. Вместе с тем присутствие графитных включений оказывает благоприятное влияние на ряд других свойств чугуна – обрабатываемость, антифрикционные свойства. Прочностные свойства серого чугуна зависят от прочности металлической матрицы. Серый чугун рекомендуется использовать преимущественно для деталей, работающих на сжатие (станины станков, поршни, цилиндры и т.д.).
При сжатии чугун претерпевает значительные деформации, и разрушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая нагрузка при сжатии, в зависимости от качества чугуна и его структуры, в 3 – 5 раз больше, чем при растяжении. Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным к всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т. д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхностью, и сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой.
Маркируются серые чугуны буквами СЧ и цифрами (ГОСТ 1412 – 85), характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение: СЧ 30 (где 30 обозначает sв = 300 МПа).
Примерный химический состав серых чугунов: 2,9 ¸ 3,6 % С; 1,1 ¸ 3,5 % Si; 0,6 ¸ 1,2 % Mn; £ 0,3 ¸ 0,6 % P; £ 0,15 % S.
Свойства и области применения серых чугунов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Свойства и применение серых чугунов
Высокопрочный чугун
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттрием, которые вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным (допускается до 20% перлита) или перлитным (допускается до 20% феррита). Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна (рис.8.). Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью и некоторой пластичностью.
Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7-3,8%С; 1,6-2,7%Si; 0,2-0,7%Мn; £ 0,02%S; £ 0,1%Р.
Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.
Рис. 8. Микроструктура высокопрочного чугуна на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основе.
Отсутствие литейных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная форма и изолированность графитных включений обуславливают высокие механические свойства ковких чугунов.
Рис. 9. Схема отжига белого чугуна на ковкий чугун.
Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки, в том числе клапаны, муфты, картеры редукторов, коленчатые валы и др.
Рис.10. Микроструктура ковкого чугуна на ферритной (а) феррито-перлитной (б) основе.
Простые углеродистые стали далеко не всегда удовлетворяют требованиям техники. В промышленности широко применяются легированные стали, которые обладают высокими механическими или особыми физическими и химическими свойствами, приобретаемыми после соответствующей термической обработки. Легированными называются стали, в которые для получения требуемых свойств специально добавляются определенные количества необходимых элементов. Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, молибден и другие.
Изучая влияние легирующих элементов на свойства стали, важно знать взаимодействие легирующего элемента с железом и углеродом, а также влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и превращения в стали при термической обработке.
Влияние элементов на полиморфизм.
Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его полиморфных модификаций.
Распределение легирующих элементов в сталях.
В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут:
находиться в свободном состоянии: свинец, серебро, медь (если ее не более 1%) не образуют соединения и не растворяются в железе;
образовывать интерметаллические соединения с железом или между собой при большом содержании легирующих элементов, встречаются, в основном, в высоколегированных сталях;
растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы. Карбидообразующими элементами могут быть элементы, имеющие большее, чем железо, сродство к углероду (элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа): Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re. Указанные элементы, кроме того, что они образуют карбиды, растворяются в железе. Следовательно, они в известной пропорции распределяются между этими двумя фазами;
Влияние легирующих элементов на феррит и аустенит.
Растворение легирующих элементов в α,g-железе происходит путем замещения атомов железа атомами этих элементов. Атомы легирующих элементов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров α,g-решетки вызывает и изменение свойств феррита и аустенита. Искажение решетки приводит к затруднению движения дислокаций. Указанные факторы вызывают упрочнение называемое твердорастворным.
Для примера на рис.2.2 показано изменение механических свойств феррита (твердость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов.
Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден вольфрам, марганец и кремний снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита.
Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладноломкости, тогда как никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям.
Приведенные данные относятся к медленно охлажденным сплавам.
Карбидная фаза в легированных сталях.
В сталях карбиды образуются только металлами, расположенными в периодической системе элементов левее железа. Эти металлы имеют менее достроенную d-электронную полосу. Чем левее расположен в периодической системе карбидообразующий элемент, тем менее достроена его d-полоса. Вместе с тем, многочисленные опыты показывают, что, чем левее в периодической системе расположен элемент, тем более устойчив карбид.
В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d-электронной полосы атома металла. Только металлы с d-электронной полосой, заполненной меньше, чем у железа, являются карбидообразующими; активность их как карбидообразователей тем сильнее и устойчивость образующихся карбидных фаз тем больше, чем менее достроена d-полоса у металлического атома. Фактически мы встречаемся в сталях лишь с карбидами шести видов:
| M3C | Карбиды I группы | MC |  | карбиды II группы |
| M23C6 | ||||
| M7C3 | M2C | |||
| M6C |
где под М подразумевается сумма карбидообразующих элементов.
Карбиды, отнесенные в I группу, имеют сложную кристаллическую структуру. Особенность строения карбидов II группы заключается в том, что они имеют простую кристаллическую решетку и кристаллизуются обычно со значительным дефицитом по углероду. Карбиды II группы трудно растворимы в аустените. Это значит, что при нагреве (даже очень высоком) они могут не перейти в твердый раствор. Карбиды I группы легко растворяются в аустените.
Все карбидные фазы обладают высокой температурой плавления и высокой твердостью. Карбиды II группы в этом отношении превосходят карбиды I группы.
Классификация легированных сталей.
Легированные стали могут быть классифицированы по четырем признакам: по равновесной структуре (после отжига), по структуре после охлаждения на воздухе (после нормализации), по составу и по назначению.
Классификация по равновесной структуре
Классификация по структуре после охлаждения на воздухе
Исходя из структуры, получаемой после охлаждения на спокойном воздухе образцов небольшой толщины, можно выделать три основных класса сталей: 1. перлитный; 2. мартенситный; 3. аустенитный.
Классификация по составу.
В зависимости от количества легирующих элементов:
Высокопрочный чугун — свойства и состав
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун чаще всего используют при производстве деталей, которые должны быть малочувствительны с внешним концентраторам напряжения, которые должны быть антифрикционными и в тоже время иметь невысокую стоимость.
Чтобы получить высокопрочный чугун в сплав добавляют металлический магний, его лигатуры и модификаторы, которые имеют в своем составе магниевые соединения. Очень важно при выплавке отливок точно подобрать соотношение всех компонентов, чтобы в конечном результате получить отливку с необходимыми технологическими параметрами.
Разновидности высокопрочного чугуна
Высокопрочный чугун различают в первую очередь по своей металлической основе – это может быть:
Каждый из таких видов чугуна получают из серых с помощью модифицирования. При модифицировании используется магний или церий. После модифицирования серого чугуна получается высокопрочный. Который характеризуется высокими механическими свойствами.
Высокопрочный чугун не имеет неравномерностей, а также в нем отсутствует напряжение, достигается это путем использования шаровидной формы графита.
Маркируется этот сплав индексом ВЧ, после которого идет цифра, которая указывает предел прочности.
Особенности высокопрочного чугуна
Высокопрочный чугун обладает такими уникальными свойствами:
Чаще всего высокопрочные чугунные сплавы имеют такой состав:
Регулируя эти основные составляющие компоненты, можно получить чугунные отливки высокого качества именно с теми параметрами, которые необходимы для длительной эксплуатации изделия.
Высокопрочный чугун — использование
Из данного сплава можно получить отливки как небольшого веса – это меньше килограмма, до изделий в несколько тонн. Отливки из высокопрочного чугуна используются:
При необходимости такой чугун может обладать и специальными свойствами, жаростойкими, антифрикционными, иметь низкий коэффициент трения и прочие. Одной из самой популярной сферой использования высокопрочного чугуна является производство труб.
Классификация чугунов и их обозначение
«Железное литьё» известно человечеству с незапамятных времен. В наше время оно широко используется во многих сферах народного хозяйства и носит название – чугун. И если о коленвалах, картерах редукторов, ступицах колес, арматуре обычный человек может и не знать, то о сковородках, чугунках, радиаторах, ваннах, решетках и других чугунных изделиях знают все.
Металлургическая промышленность производит разные простые и специальные виды чугуна, для каждого из которых существует своя сфера применения.
Особенности чугунов
Чугун – железоуглеродистый сплав, выплавляемый с использованием топлива из магнитного, красного или бурого железняка, с добавлением специальных неорганических веществ – плавней (флюсов).
Очень многие не видят принципиальных отличий между сталью и чугуном, ошибочно предполагая, будто это одно и тоже.
Оба продукта металлургии являются сплавами – состоят из нескольких компонентов, одним из которых является железо.
Чугун выступает сырьём для производства стали.
Технологические свойства:
Присутствие углерода:
Внешние отличия:
Различные физические характеристики
К минусам чугуна можно отнести:
У чугуна низкая себестоимость, он дешевле стали.
Добавки и примеси
Весь поставляемый чугун регламентирован ГОСТами по своему химическому составу и содержанию примесей. Чугунное литьё, помимо железа, имеет в себе некоторые «ингредиенты», влияющие на конечный продукт и добавляющие определенные особенности:
С целью улучшения исходного материала чугун легируют, то есть вводят различные легирующие добавки, изменяющие физические и/или химические свойства.
Чугуны с большим содержанием кремния и марганца в составе относят к легированным.
Серый чугун
Серый чугун представляет собой сплав железа с углеродом, в котором содержится 2,5—3,7% углерода, 1,0—2,9% кремния, 0,2—1,1% марганца, до 0,3% фосфора и до 0,12% серы. Углерод, кремний и марганец улучшают механические и литейные свойства сплава, а фосфор и сера являются вредными примесями. Фосфор придает чугуну хрупкость, а сера вызывает отбел в тонких частях отливки и понижает жидкотекучесть расплава. Поэтому их содержание в сплаве должно быть минимальным.
Серый чугун широко применяют в машиностроении, так как он дешев, хорошо обрабатывается резцом, обладает высокими литейными и механическими свойствами (см. табл. 1). Однако он имеет низкую вязкость — хрупкость и потому отлитые из чугуна детали не должны подвергаться ударному воздействию. Хрупкость серого чугуна обусловливается тем, что в нем углерод находится в виде пластиночек графита (рис. 14, а), которые являются надрезами, нарушающими сплошность металлической основы.
По ГОСТ 1412—70 серые чугуны подразделяются на марки: СЧ 12—28, СЧ 15—32, СЧ 18—36, СЧ 21—40, СЧ 24—44, СЧ 28—48, СЧ 32—52, СЧ 36—56, СЧ 40—60 и СЧ 44—64. В марках «С» означает серый, «Ч» — чугун, две первые цифры — предел прочности при растяжении в кгс/мм2; а две последние цифры — предел прочности при изгибе в тех же единицах. Малопрочный чугун марки СЧ 12—28 идет на отливку фундаментных плит, строительных колонн и других неответственных изделий. Чугун средней прочности марок СЧ 15—32 и СЧ 18—36 применяют для производства разнообразных отливок деталей станков, сельскохозяйственных машин и др. Особо прочный чугун марок с СЧ 21—40 до СЧ 36—56 используется для производства деталей насосов, компрессоров, турбин и других ответственных деталей машиностроения. Наиболее ответственные и крупные детали машиностроения и других отраслей народного хозяйства отливаются из наиболее прочного чугуна марок СЧ 40—60 и СЧ 44—64, который был освоен в последние годы.
Плавка серого чугуна ведется главным образом в шахтных печах — вагранках. Современные вагранки делятся на два типа: с копильником — применяемые при крупном литье, когда необходимо скопить большое количество расплава, и без копильника — для получения расплава с более высокой температурой, но в меньших количествах. Производительность вагранок 5—30 т чугуна в час.
Рис. 14. Схемы микроструктур серого чугуна: а — обыкновенного, б — высокопрочного, 1 — графит пластинчатый, 2 — графит шаровидный, 3 — металлическая основа
Классификация чугунов
Металлургическая промышленность выпускает разные виды чугуна. Сорт зависит от участвующих в сплаве форм графита или цементита и остальных компонентов.
Серый чугун (СЧ)
Обозначают буквами СЧ. На разрезе – серовато-черный, что обусловлено присутствием графита, этого природного цвета. В составе также присутствуют различные примеси, в том числе и кремний. Этот вид чугуна, свободно поддающийся резке и часто употребляющийся в машиностроительной отрасли для «неосновных» деталей, при добавлении фосфора становится жидкотекучим. Применим для всех видов литья, в том числе художественного.
Белый чугун
На разрезе светлый, благодаря присутствию карбида железа. Подвергается дальнейшей переработке на ковкий чугун и сталь. Поэтому сорт называют передельным. Свойства – хрупкость и твердость, слабо обрабатываемый, не годится для самостоятельного использования. Твердый, слабо подвержен обработке, хрупкий – такие свойства делают его непригодным для самостоятельного использования.
Ковкий чугун
Обозначение — КЧ. При длительном отжиге белый чугун преобразуется в ковкий.
Свойства – не поддаётся обработке давлением, но при этом обладает повышенной сопротивляемостью ударам и прочностью при растяжении. Ковкий чугун подходит для изготовления деталей усложненной конфигурации.
Высокопрочный
Маркируют буквами ВЧ. Получают при введении в серый жидкий чугун спецдобавок, для придания графиту сфероидальной формы. Высокопрочный вид чугуна применяют для изготовления ответственных деталей – шестерён, коленвалов, поршней, которые должны иметь высокую износоустойчивость.
Форма выпуска передельного и литейного видов – специальные формы – чушки. Современные технологии позволяют получить полуфабрикаты, квадратные, листовые, пластинчатые, брусковые заготовки разновидностей чугуна.
В зависимости от назначения и химсостава выделяют следующие разновидности чугуна:
Они имеют названия, соответствующие металлам-добавкам:
Легированные виды более всего востребованы в производстве агрегатов, механизмов, узлов и деталей, работающих в особо неблагоприятных средах и условиях.
Чугун, отличающийся увеличенным процентным включением ферромарганца или ферросилиция, относят к специальным – ферросплавам. Добавляются в сталеплавильном производстве для выделения кислорода – раскисления.
К легированным чугунам относят:
Антифрикционные виды маркируются первыми буквами АЧ. Например, АЧС — это антифрикционный серый чугун. Ещё можно увидеть маркировку АЧВ — антифрикционный высокопрочный чугун и АЧК — антифрикционный ковкий.
Жаростойкий вид маркируют буквами ЖЧ. Далее указывается буква обозначающая легирующий элемент. Например, ЖЧХ-2,5. Это жаростойкий чугун с добавлением хрома 2,5%.
К жаростойким относят марки: ЧН19ХЗШ.
К коррозионностойким: маркировка ЧНХТ, ЧН1МХД
Еще их называют специальными чугунами.
Маркировка чугунов
Чугунами называют высокоуглеродистые сплавы с содержанием углерода свыше 2,03 %. Несмотря на значительный объем применения сталей, расширения области использования цветных сплавов, порошков и неметаллических материалов, чугуны широко применяют во многих отраслях промышленности. Относительно невысокий уровень механических свойств компенсируется низкой стоимостью, высокими литейными свойствами, хорошей обрабатываемостью. Механические и технологические свойства чугунов определяются их структурными характеристиками, упрочняющая термическая обработка для обычных чугунов практически не применяется. Требования к составу чугунов менее строгие по сравнению со сталью, поэтому в основу классификации и маркировки чугунов во всех стандартах положены структурные характеристики и гарантированный уровень механических свойств.
В Украине и СНГ действует система маркировки чугунов, основанная на классификации чугунов по форме графита. По этой классификации чугуны разделяют на:
Маркировка серого чугуна определена ГОСТ 1412–85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки». Согласно стандарта, такой чугун маркируется буквами «СЧ» и двумя цифрами, которые показывают минимально допустимое временное сопротивление чугуна в кгс/мм2 (0,1*Н/мм2). Например, обозначение чугуна СЧ 30 означает, что он относится к серым чугунам с пластинчатым графитом и его =300 Н/мм2 (30 кгс/мм2). Всего стандартом предусмотрен следующий ряд марок чугунов – от СЧ 10 до СЧ 35.
Высокопрочный чугун маркируют в соответствии с ГОСТ 7293–85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки». Марку высокопрочного чугуна обозначают буквами «ВЧ» и двумя цифрами, которые показывают его минимальное временное сопротивление в кгс/мм2. Например, маркировка ВЧ 50 означает, что этот чугун является высокопрочным и его =500 Н/мм2 (50 кгс/мм2).
Марки ковкого чугуна определены в ГОСТ 1215–79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия». Он обозначается буквами «КЧ» и двумя группами цифр, которые определяют минимальное временное сопротивление в кгс/мм2 и относительное удлинение при растяжении в процентах – КЧ –b. Например, КЧ 37–12 означает, что эта марка ковкого чугуна с =370 Н/мм2 (37 кгс/мм2) и относительным удлинением 12 %.
В промышленности широко применяют изделия из легированных чугунов с особыми свойствами. Обычно их маркировка начинается с буквы, указывающей на область применения чугуна.
Например, по ГОСТ 1585–85 «Чугун антифрикционный для отливок» чугун маркируют буквами «АЧ» (антифрикционный чугун), затем указывают тип чугуна (С – серый с пластинчатым графитом, В – высокопрочный с шаровидным графитом, К – ковкий чугун с компактным графитом), далее число, обозначающее порядковый номер марки: АЧС–5, АЧК–2.
Очень широко легированные чугуны применяют для изготовления изделий, работающих в условиях интенсивного абразивного износа (мелющие тела, прокатные валки, формы для прессования огнеупоров и т.п.). Такие чугуны в структуре содержат значительное количество твердой и износостойкой карбидной фазы и по структурному типу их относят к белым чугунам. В этом случае легирующие элементы и их содержание обозначают так же, как и для сталей. Впереди указывают буквы «ИЧ» – износостойкий чугун, далее содержание легирующих элементов, начиная с основного – хрома. Содержание углерода в чугуне зависит от содержания основных элементов и в марке не указывается. Например, марка ИЧХ4Г7Д соответствует износостойкому чугуну с содержанием хрома (в среднем) 4 %, 7 % Mn,
По ГОСТ 7769–82 «Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки» выпускают изделия из коррозионно–стойких чугунов. Первая буква «Ч» (чугун), далее буква и цифра, показывающие содержание легирующего элемента, например, ЧГ6С3 (6 % марганца, 3 % кремния).
Международные стандарты маркировки чугунов построены по тому же принципу – основным классификационным признаком является форма углерода, которая определяет уровень механических и эксплуатационных свойств. Наличие большого числа стандартов для описания аналогичных материалов затрудняет сравнение маркировок, поэтому многие производители изделий из чугунов в спецификации перечисляют несколько стандартов, которым соответствует используемый материал.
Во многих странах для маркировки чугунов используют английскую систему стандартизации BS, стандарты Германии DIN, на базе которых были разработаны соответствующие стандарты EN.
В стандарте Германии «Gusseisen mit Lammellengraphit (DIN1691 / EN1561)» отмечено, что в заказе на отливки необходимо указать, является ли характерным свойством временное сопротивление при растяжении или твердость по Бринеллю (НВ), и, в зависимости от этого, маркировка обозначается по–разному. Например:
чугун DIN 1691 GG-25 или чугун DIN 1691 GG-210 HB
Буквы GG обозначают соответственно: «gegossen» – отлито и «gusseisen» – чугун, число «25» – временное сопротивление в кгс/мм2. По EN этот чугун обозначается как GJL-250, где «250» – в Н/мм2.
В стандарте DIN «Gusseisen mit Kugelgraphit (DIN1693 / EN1563: 1997)» на шаровидный графит в названии марки три буквы «GGG» означают: G – «gegossen» (отлито), G – «gubeisen» (чугун), G – «globular» (шаровидный), далее указывают в кгс/мм2, например, GGG–60. По EN1563 «Founding. Spheroidal graphite cast iron» этот чугун будет обозначаться как GJS-600-3, т.е. в маркировке дополнительно указывают относительное удлинение в процентах (в данном примере b = 3 %). В стандартах также указан уровень остальных основных механических свойств (твердость, предел текучести). Необходимо отметить, что по этому стандарту выпускают чугуны с весьма высоким уровнем свойств – от GJS-350-22 до GJS-800-2.
В британском стандарте на шаровидный графит «Nodular graphite cast iron BS 2789» марка (grade) чугуна обозначается цифрами, соответственно (Н/мм2) / b (%). Например, grade 420/12 означает, что чугун имеет свойства =420 Н/мм2, b=12 %.
Ковкий чугун в зависимости от матрицы обозначается буквами «В» (ферритный) или «Р» (перлитный), далее указывают (в кгс/мм2) и b в процентах. Например, B35-12, P60-03. Серый чугун маркируют только тремя цифрами, которые показывают временное сопротивление чугуна в Н/мм2 – grade 180.
В настоящее время стандарты серии EN заменяют стандарты BS.
В США чугуны разделяют на классы следующим образом:
В табл. 4.5 приведена классификация форм графитных включений по ASTM A247 и сравнение ее с ISO R945(E).
– Классификация форм графитных включений
Технические условия ASTM A48 делят серые чугуны на классы – от 20 до 60, где число обозначает временное сопротивление в ksi. Например, класс 20 соответствует 140 Н/мм2, что отвечает марке чугуна СЧ 15.
Кроме указанного, действует еще ряд технических условий на серые чугуны для определенного вида изделий, например, ASTM A159 – для автомобильной промышленности.
Для высокопрочных чугунов также используется система маркировки по механическим свойствам. В системе ASTM для таких чугунов указывают временное сопротивление в ksi – предел текучести в ksi – относительное удлинение в процентах. Например, ASTM A716 – 60–42–10 означает высокопрочный чугун по техническим условиям А716 с =60 ksi; =42 ksi; b=10 %.
В стандарте UNS маркировка чугунов начинается с буквы «F» и состоит из пятизначного номера. Маркировка серых чугунов начинается с «1», например, F11701 (аналог СЧ 15), ковких – с «2» – F23530, высокопрочных – с «3» – F33100.
По ASTM ковкие чугуны обозначают пятизначным числом, в котором первые три цифры – предел текучести в Н/мм2, две последние – относительное удлинение в процентах. Для того, чтобы указать на размерность (метрическую) в маркировке ставят букву «М», например чугун по ASTM A47 марки 480М3 означает, что =480 Н/мм2, b=3 %.
Износостойкие легированные чугуны стандартизированы техническими условиями ASTM A532. По техническим условиям такие чугуны делят на три класса по основному элементу и системе легирования. Класс I определяет износостойкие чугуны, легированные никелем – так называемые «нихарды» (от Ni–hard) и в него входят четыре типа чугунов, обозначаемые буквами A, B, C, D. Класс II – чугуны со средним содержанием хрома (от 12 до 20 %) и тоже делится на типы (A, B, C). Класс III – чугун с содержание хрома 25 % (тип А).
По стандарту Японии JIS маркировка чугунов начинается с буквы «F», далее идет буква или сочетание букв, показывающие тип чугуна («C» – серый чугун, «CM» – ковкий, «CD» – высокопрочный) и три цифры, показывающие временное сопротивление чугуна в Н/мм2. Например, FCD 400 соответствует марке ВЧ 40.
В табл. 4.6 приведены сравнительные примеры маркировки основных типов чугунов по различным стандартам.
– Сравнение маркировок основных типов чугунов по различным стандартам
Производство
Технология промышленного извлечения железа из железосодержащего сырья и получение чугуна достаточно трудоёмкая и сложная. Нет смысла описывать все химические и технологические процессы и углубляться в терминологию. Изучить вопрос можно при желании в источниках по металлургии.
Чугун выплавляют из магнитного, красного, бурого железняка, на металлургических комбинатах, в специальных доменных печах. Топливом служит кокс, который частично могут заменять мазутом или газом.
Руда проходит предварительную подготовку, прежде чем попасть в доменную печь. Помимо руды и топлива, для плавки используют флюсы – известняки, необходимые для образования шлака и удаления серы из расплава.
Методы подготовки зависят от качества руды – это дробление, сортировка, окусковывание, обогащение и другие.
Пройдя все сложные процессы, руда превращается в шихту, которая непрерывно загружается в доменную печь.
Через фурмы в нижней части подается раскаленный воздух, обогащенный кислородом и природный газ, который сгорает под воздействием высоких температур, образуя диоксид кислорода. Поднимаясь выше, газ соединяется с кислородом и с еще не сгоревшим углеродом, преобразуясь в угарный газ СО. Он вступает в реакцию с оксидами железа, «отбирая» у них кислород.
В результате образуется почти чистый металл. Расплавленная чугунная масса стекает в горн. Несгораемые остатки также стекают вниз.
Готовый чугун сливают через определенные промежутки времени в специальные ковши.
Пока в печи идет процесс плавки, отверстие, через которое выпускают чугун, забивают специальной пробкой из тугоплавкой массы. Чтобы выпустить металл, в пробке пробивают отверстие. По специальным каналам в полу цеха поток расплавленного металла течет «красным сливом».
Жидкий шлак также выпускают из печи по другому каналу.
С каждой плавки берется проба. Металл заливают в специальную форму и делают анализ. Все процессы автоматизированы. За ними следят операторы.
А простому обывателю домна представляется гигантской пробиркой, в которой происходит «таинство» превращения железной руды в чугун.
Химический состав
Основные свойства и химический состав серого чугуна регламентируются ГОСТом 1412-85.
Оптимальное содержание углерода составляет 2,4-3,7%. При более низкой концентрации он полностью растворится в железе, а ее превышение приведет к потере твердости и упругости.
Кремний – 1,2-2,5%. Он участвует в процессе графитизации, повышая твердость металла и снижая его вязкость. Влияние углерода и кремния рассматривается в совокупности, с учетом их суммарной концентрации.
Сера соединяется с железом с образованием сульфида FeS, который снижает свойства прочности и пластичности сплава. Допускается содержание серы не более 0,12-0,15%.
Марганец смягчает вредное влияние серы и способствует образованию свободных карбидов железа. Его количество определяется содержанием серы, и обычно составляет 0,5-1.1%.
Концентрация фосфора не превышает 0,2-0,3%. Элемент образует включения фосфидной эвтектики, увеличивая твердость и износоустойчивость.
В зависимости от марки допускается включение в состав серого чугуна:
Структура сплава
Свойства и применение серого чугуна зависят от его состава и структуры. Один из важных факторов, влияющих на формирование металлической основы – скорость охлаждения после отвердевания. В зависимости от нее формируется металлическая основа структуры сплава.
Перлитная основа. Чем быстрее охлаждается заготовка, тем большую долю составляет в ней перлитная структура, состоящая из феррита и карбида наряду с тонкими пластинками графита. Она отличается высокой твердостью и прочностью.
Ферритно-перлитная. При щадящем охлаждении в структуре серого чугуна возрастает доля феррита – сплава железа с оксидами Fe2O3 и других металлов. Образуется основа, состоящая из феррита, перлита и пластинчатого графита. Обладает более высокой пластичностью.