Получение и практика использования чугунов

Строение белых чугунов формируется при пер­вичной кристаллизации в соответствии с диаграммой состояния "железо-цементит" (рис.1).

В зависимости от содержания углерода белые чугуны классифицируют­ся:

- на эвтектические, содержа­щие 4,3% С;

- доэвтектические, содер­жащие от 2,14 до 4,3% С;

- заэвтектические, содер­жащие свыше 4,3% С.

При дальнейшем охлаждении происходят вторичные превращения, обусловленные распадом аустенита, с выделением вто­ричного цементита и образова­нием перлита. Однако форма структурных составляющих, по­лученных при затвердевании, сохраняется.

Белые чугуны являются весьма твердыми (до 750 НВ), в связи с чем их используют как конструкционный материал для изготовления деталей, которые подвержены в эксплуатации интенсивному изнашива­нию, например шары для мельниц и камнедробилок, дробь для очист­ки литых деталей в дробеструйных аппаратах и др. Используются также белые чугуны в металлургической промышленности в качестве передельных на сталь и для получения ковких чугунов. В связи с повышенной хрупкостью и трудной обрабатываемостью резанием белые чугун, как конструкционный материал, имеют ограниченное приме­нение.

Используются в практике белые чугуны, как правило, доэвтек-тического состава: 2,8...3,6% углерода; 0,5...0,8% кремния; 0,4...0,6% марганца.

В настоящее время развивается новое направление использова­ния белых чугунов, получаемых наплавкой, на быстроизнашивающихся поверхностях рабочих органов землеройных машин.

Серый чугун получают при более медленном охлаж­дении, чем белый чугун. Скорости охлаждения до 0,1 град/мин обусловливают необходимость в меньших степенях переохлаждения для начала кристаллизации, которая начинается с выделения графита. При таких, более равновесных, условиях кристаллизации получается стабильная диаграмма состояния сплавов "железо-графит", отличие которой от железо-цементитной диаграммы состояния показано пунк­тирными линиями на рис.2.

Вместе с тем, прак­тика получения серых чу­гунов существенно отли­чается от условий равно­весия, вытекающих из стабильной диаграммы со­стояния "железо-графит". В реальных условиях структура серого чугуна в отливке зависит не только от скорости крис­таллизации, обусловлива­емой толщиной стенки от­ливки, но и в сильной мере от химического сос­тава сплава.

Наибольшее влияние на процесс графитизации оказывает кремний, который вводится в сплав в повышенных количествах. Учитывая силь­ное влияние кремния на процесс структурообразования, серый чугун (в отличие от стали) рассматривается как трехкомпонентная сис­тема: "железо-углерод-кремний". Типичный состав серого чугуна: 3,5...3,6% углерода; 1,5...3,0% кремния; 0,4...0,6% марганца; 0,3...0,8% фосфора; 0,10...0,12% серы. Иногда в серый чугун вводят и другие элементы, например, хром, никель, медь или повы­шенное содержание фосфора и др. Делают это с целью достижения более высоких механических, антикоррозийных, износостойких и дp. свойств. Такие серые чугуны называются легированными или специ­альными. Процесс структурообразования в них будет еще зависеть от характера влияния легирующих добавок.

Применяются серые чугуны довольно широко: в станкостроении (станины, литые корпусные детали, червяки, шестерни); в авто­тракторостроении (блоки цилиндров, цилиндры, поршни); в турбино- и сельхозмашиностроении и т.д.

Высокопрочный чугун получают путем двойного модифицирования. Вначале в расплав вводят редкоземельные или щелочные металлы, например, магний, церий, бор и др., а за­тем - кремний или силикокальций. Первый модификатор (обычно вво­дится в количестве 0,3…0,5%), являясь поверхностно активным, способствует формированию сфероидальных зародышей графита, а второй - инициирует процесс графитизации. Примерный состав высо­копрочного чугуна: 3,3% углерода: 2,2…2,5% кремния; 0,5...0,8% марганца; 0,14% фосфора; 0,2 % серы.

Применяются высокопрочные чугуны для отливки деталей ответ­ственного назначения: коленчатых валов, валков прокатных станов, подшипников скольжения, шаботов, молотов, деталей вентилей, ком­прессоров и др. Широкое распространение высокопрочного чугуна сдерживается технологической трудностью введения первого моди­фикатора в расплав чугуна из-за вызываемого им сильного пиротех­нического эффекта.

Ковкий чугун получают длительным отжигом (томлением) отливок из белого чугуна следующего состава: 2,4...2,8% углеро­да; 0,8...1,4% кремния; до 1,0% марганца; до 0,1% серы; до 0,2% фосфора. В результате отжига цементит графитизируется, при­обретая форму хлопьевидных включений. Получаемый чугун характе­ризуется повышенными показателями пластичности и вязкости по сравнению с серым литейным чугуном. Отжиг, в основе которого лежит диффузионный механизм образования структурно свободного углерода (графита хлопьевидной формы), является длительной опе­рацией и составляет 70...80 ч (рис.3).

Рис.3. Режимы термической обработки ковкого чугуна

В зависимости от степени завершенности графитизации на 2-й стадии (рис.3) микроструктура металлической основы ковкого чугуна будет ферритной или перлитной. В изломе ферритный ковкий чугун имеет темный цвет и его принято называть черносердечным, а перлитный ковкий чугун по его цвету излома - светлосердечным.

Применять ков­кий чугун, как конструкционный материал, целесо­образно для дета­лей, работающих в трудных условиях знакопеременных и вибрационных нагрузок. В практике из ковкого чугуна изготовляют детали, работающие при высоких динамических и статических нагруз­ках (картеры редукторов, задние мосты, ступицы, крюки, скобы, кронштейны и др.), детали, испытывающие в работе повышенный износ (вилки карданных валов, шестерни, собачки, звенья и ролики цепей конвейеров, муфты, тормозные колодки, подшипники скольжения). Сле­дует отметить, что из ковкого чугуна изготовляют детали сечением до 50 миллиметров. Объясняется это тем, что в отливках с боль­шей толщиной не удается предотвратить образование пластинчатого графита при первичной кристаллизации, лишая тем самым ковкий чугун преимуществ перед серым чугуном.