Сорта чугуна

 

   Доменный чугун содержит углерода от 1,7 до 4,5% и предназначается для переделки в сталь (передельный чугун), а также для отливки деталей (литейный чугун). Передельный чугун характеризуется тем, что весь углерод находится в нем в химическом соединении с железом. В изломе он имеет белый цвет, поэтому его называют белым чугуном. Передельный чугун характеризуется пониженным содержанием кремния (1,5—1,75%) и преобладающим содержанием марганца (до 3,5%). Этот чугун весьма тверд, хрупок, трудно обрабатывается и дает большую усадку. Литейный чугун мягок и имеет в изломе цвет от темно- до светло-серого, в зависимости от содержания в нем графита (около 80% углерода в литейном чугуне находится в виде графита). Чем темнее чугун, тем больше в нем графита и тем он мягче. Литейный чугун имеет небольшую усадку (1,04%), жидкотекуч и хорошо заполняет форму.

   По роду применяемого топлива чугун делится на  коксовый и древесноугольный. Древесноугольный считается лучшим, так как при работе даже на рядовой руде имеет пониженное содержание серы, являющейся вредной примесью. В зависимости от содержания серы и фосфора передельный чугун бывает обыкновенным и высококачественным. Внутри каждой марки по содержанию марганца чугун делится на группы, по фосфору - на классы, а по сере - на категории. Марки литейного чугуна классифицируются по содержанию кремния. Чем больше номер, тем содержание кремния меньше; например, чугун марки ЛК00 содержит от 3,75 до 4,25% Si, а марки ЛК4 — от 1,25 до 1.75% Si.

ГОСТ 805—57 охватывает чугун с нормальными примесями. Кроме того, выплавляется еще природнолегированный чугун, содержащий, помимо углерода, кремния, марганца, серыи фосфора, также хром, никель, ванадий и титан.

 

Ферросплавы

 

   Ферросплавами называются сплавы железа с одним или двумя элементами: кремнием, марганцем, хромом, никелем и др. Количество каждого из этих элементов в ферросплавах бывает от 9 до 95%. Почти все ферросплавы содержат также в небольшом количестве углерод, фосфор, серу и другие элементы в качестве примесей (ГОСТ 4755 - 49 по ГОСТ 4762 - 49, а также ГОСТ 5163 - 49, ГОСТ 5164 - 49, ГОСТ 5165 - 49, ГОСТ 1415 - 49 и др.).

   Ферросплавы используются в качестве специальных добавок при производстве стали и при плавке чугуна для чугунных отливок. Широко применяются следующие ферросплавы: ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, ферротитан, феррохром, ферромарганец, ферросилиций, силикокальций, силикомарганец, силикохром.

    В зависимости от содержания углерода чугунные отливки делятся на пять групп: отливки из серого чугуна, ковкого чугуна, отбеленного чугуна, белого чугуна и отливки из модифицированного чугуна.

 

     Отливки из серого чугуна

    Выплавка обыкновенного серого чугуна, имеющего содержание углерода от 2,4 до 3,6%, осуществляется главным образом в цилиндрических шахтных печах, называемых вагранками, а выплавка высококачественного чугуна - в вагранках с последующим рафинированием (очищением) в электропечах. Такая технология плавки чугуна носит название дуплекс-процесса.

 Серый чугун отливается различных марок по химическому составу и механическим свойствам (ГОСТ 1412—54). Обозначения марок чугуна отражают его предел прочности при растяжении и изгибе. Например, чугун марки СЧ 18—36 обозначает серый чугун с пределом прочности на растяжение 18 кг/мм2 и пределом прочности на изгиб 36 кг/мм2. Химический состав этого чугуна (ГОСТ 1412—54) может изменяться в некоторых пределах по содержанию углерода, кремния, марганца, серы и фосфора в зависимости от назначения отливки и толщины ее стенки. Например, для получения тонкостенныхотливок повышается содержание фосфора, углерода, кремния и иногдамарганца, поэтому для одной марки чугуна, но для различных по назначению отливок и толщины стенки химический состав может быть различным.

   Серый чугун по своей микроструктуре может быть ферритного, перлитного, мартенситного и аустенитного классов. Чугун ферритного класса в основной своей массе имеет мягкую составляющую - феррит с включениями значительного количества мягких зерен графита. В связи с этим серый чугун хорошо отливается и, имея низкую твердость, легко обрабатывается резцом. Однако он имеет невысокую прочность на растяжение и изгиб. Чугун перлитного класса, кроме феррита и графита, имеет твердую составляющую - перлит. Наличие перлита увеличивает твердость и прочность чугуна. Чугун может иметь полностью перлитно-графитовую структуру с незначительным содержанием (1—5%) феррита.    Перлитная структура серого чугуна может быть получена путем создания определенных условий при отливке (пониженное содержание кремния, определенная скорость охлаждения, а также легирование и термическая обработка, модифицирование и др.). Чугун перлитного класса обладает хорошими антифрикционными свойствами и может служить заменителем бронзы в узлах трения.

    Серый чугун мартенситного класса имеет твердую составляющую - мартенсит. Его прочность повышенная ɤвр= 50 кг/мм2 твердость 500 ед. НВ. Высок и предел выносливости — до 20 кг/мм2. Мартенситную структуру серого чугуна можно получить из перлитной термической обработкой легированного чугуна. Серый чугун аустенитного класса имеет в своем составе аустенит. Он обладает немагнитностью, окалиностойкостью, коррозионной стойкостью, высоким сопротивлением истиранию. Получение аустенита в структуре чугунного литья достигается благодаря присадке никеля (до 20%), а также никеля с марганцем, медью, хромом и кремнием. В качестве сплавов с особыми свойствами (жаропрочность, кислотостойкость и др.) вместо высоколегированного чугуна аустенитного класса получил распространение высокохромистый и высококремнистый чугун (ГОСТ 7769 — 55, 2233—43).

 

    Отливки из белого и отбеленного чугуна

    Белый чугун отличается от серого главным образом тем, что в нем углерод находится в химически связанном состоянии вследствие уменьшенного содержания кремния при низком содержании углерода, а также вследствие повышенного содержания хрома. Отбеленный чугун — это чугун в основной массе серый, но у поверхности отливки имеет так называемый отбел, т. е. корку белого чугуна с промежуточным слоем половинчатого (промежуточного между белым и серым).

     Отбеливание достигается отливкой в сырые песчаные формы, в металлические формы пли в формы с наружными металлическими холодильниками. На образование белого чугуна или отбела оказывает влияние интенсивное охлаждение отливки.

Белый чугун и отбеленная корка в структуре имеют в основном твердый перлит и еще более твердый цементит (химическое соединение железа с углеродом), в связи с чем чугун обладает высокой твердостью (по Бринеллю от 330-440 до 600-800) и износостойкостью. По этой причине он находит применение для деталей, работающих на износ.

     Из белого чугуна изготовляются тормозные колодки, рабочие детали бегунов, дробилок, шары для мельниц, детали насосов, откачивающих воду с примесью угля и песка, дробь для дробеметов. Из чугуна с отбеленной поверхностью изготовляются прокатные валки, вагонные колеса, гидравлические цилиндры, щеки камнедробилок и другие детали. Глубина отбела зависит от назначения и размеров деталей (от 15 до 60 мм).

     Белый чугун обладает также хорошей огнестойкостью и износостойкостью при высоких температурах, теплостойкостью и коррозионной стойкостью (кислотоупорность, щелочеупорность), в связи с чем применяется для изготовления деталей печей (колосников, горшков для отжига и др.), а также деталей и сосудов для кислот и щелочей.

 

      Отливки из ковкого чугуна

     Для получения изделий из ковкого чугуна их отливают из белого чугуна, а затем подвергают длительному отжигу (томлению). При отжиге цементит, содержащийся в белом чугуне, разлагает на углерод отжига и железо. Имеется два способа отжига отливок: 

1) окислительный, при котором отливки отжигаются в печах, засыпанные железной рудой или окалиной. При нагревании в течение 100—150 час. до 960—1000° происходит частичное обезуглероживание чугуна;
2) нейтральный, при котором отливки нагреваются до 870—920° в железных ящиках, засыпанные песком. Процесс длится 30—50 час.

     Химический состав и механические свойства ковкого чугуна регламентированы ГОСТ 1215—59 по маркам, имеющим буквенно-цифровые обозначения. При этом первые цифры означают предел прочности на разрыв, а вторые — относительное удлинение.

    Например, марка КЧ 35—10 означает: ковкий чугун с пределом прочности на растяжение 35 кг/мм2 и относительным удлинением 10%.

   Ковкий чугун по микроструктуре может быть ферритным и перлитным. Ферритный ковкий чугун отличается умеренной прочностью и большой или умеренной вязкостью (марки: КЧ 37—12, КЧ 35—10, КЧ 33—8, КЧ 30—6).                       Перлитный ковкий чугун обладает высокой прочностью и умеренной и малой вязкостью (ГОСТ 1215—59; марки КЧ 45—6, КЧ 50—4 и др.).

   Ферритный ковкий чугун хорошо поддается запрессовке, расчеканке и легко заполняет зазоры, имеет хорошую обрабатываемость резцом и может широко применяться вместо стали для изготовления неответственных деталей.                      Перлитный ковкий чугун может применяться как заменитель бронзы в узлах трения.

 

     Отливки из модифицированного и высокопрочного чугуна

   Модифицирование чугуна (белого, серого, отбеленного) заключается в обработке его в жидком состоянии небольшим количеством легирующих присадок (ферросилиция, ферромарганца, силикокальция, магния и др.).

    Например, в обыкновенный низкоуглеродистый (2,8—3% С) и низкокремнистый (1,0—1,5% Si) чугун добавляется ферросилиций непосредственно в ковш с жидким чугуном или в струю его на желобе в количестве 0,2 — 0,5% к весу металла. При этом чугун по химическому составу существенно не изменяется, однако резко улучшаются его физико-механические свойства; повышается прочность, износостойкость, ударная вязкость.

   Модифицированный чугун, полученный из серого чугуна обработкой магнием (высокопрочный), обладает еще более высокими механическими свойствами и может применяться взамен стали для многих деталей машин, работающих в тяжелых условиях, пример коленчатых валов дизельных двигателей. Такой чугун к в структуре графит шаровидной формы (ГОСТ 7293—54).

 

     Антифрикционный чугун

   Антифрикционный чугун — это любой серый, ковкий или модифицированный чугун, имеющий перлитную и даже перлитно-ферритную структуру, если количество перлита не менее 85%. Кроме того, имеется специальный антифрикционный чугун. Детали, изготовленные из антифрикционного чугуна, работают в узлах трения без заеданий и значительного износа, например, в подшипниках для валов, направляющих для ползунов, в червячных и других шестернях (ГОСТ 1585—57).

   Структура антифрикционного чугуна представляет собой основную твердую массу с включениями мягких частиц (или наоборот). Хорошая структура такого чугуна содержит более 85% мелкопластинчатого перлита с включениями мелкопластинчатого же или шаровидного графита.

   Антифрикционные свойства получает и ковкий чугун, если его подвергнуть специальной дополнительной термической обработке: отжигу или нормализации с целью получения перлитной или перлитно-ферритной структуры.

   Антифрикционный чугун может работать как заменитель цветных сплавов в подшипниковых узлах. Однако для удовлетворительной работы требуется: 1) чистая механическая обработка и точное сопряжение трущихся поверхностей деталей; 2) непрерывная и хорошая смазка; 3) повышенные против обычных на 15—30% зазоры; 4) приработка на холостом ходу и постепенное повышение рабочих нагрузок. При ударной нагрузке антифрикционный чугун работает хуже.