Понятие и состав чугунов

Сплав железа с углеродом (>2,14%С) называется чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обуславливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цемента или графита. Цементит придает излому специфический белый светлый блеск, поэтому чугун называется белым. Графит придает излому чугуна серый цвет. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкой.

Структура и свойства чугунов

В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения.

В зависимости от углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугунов:

Белый Чугун – весь углерод находится в виде Fe3C. Структура чугуна – перлит и  ледебурит.

Половинчатый чугун – большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe3C.

Структура чугуна – перлит, ледебурит и пластичный графит.

Перлитный  серый чугун. Структура – перлит и пластинчатый графит.

В том чугуне 0,7 - 08%углерода, и он находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

Ферритно-перлитный серый чугун. Структура -  перлит, феррит и  пластичный графит. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% С.

Ферритный серый чугун. Структура – феррит и пластичный графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита.

Из структуры серых чугунов видно, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной  стали, доэвтиктоидной стали и железа. Следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали тем, что в чугунах имеются графитовые включения, что предопределяет их специфические свойства.

Металлическая основа в серых чугунах обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичности и вязкости чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный серый чугун.

 Графит в чугунах может быть следующих основных форм.

Пластичный графит. В обычном чугуне графит образуется в виде прожилок лепестков; такой графит называется пластичным.

Шаровидный графит. В высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния, графит преобразуется в шаровидную форму.

Вермикулярный графит. Пластичная форма графита ухудшает свойства чугуна, поэтому разработаны методы плавки или последующей обработки, при которых изменяется, форма графита и улучшаются свойства чугуна. В настоящее время получают серый чугун с волокнистой (червеобразной) формой графита. Такой графит получил название вермикулярного.

Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость, цементита, путем отжига его разложить, то образующийся графит приобретает равновесную форму. Такой графит наз. хлопьевидным или углеродом отжига. На практике чугуны с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, чугун с шаровидным и вермикулярным графитом – высокопрочным чугуном, чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

Влияние примесей

Обычный промышленный чугун не  является двойным железоуглеродистым сплавом, а содержит те же примеси, что и углеродистые стали. Эти примеси существенно влияют главным образом на условия графитизации и, следовательно, на структуру  и свойства чугуна.

Количество марганца в чугуне не превышает 1,25-1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, то есть затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера – вредная примесь, ухудшающая механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1-0,12%. В сером чугуне сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их твердые растворы (FeS, Mn) S.

Содержание фосфора в сером чугуне – около 0,2%, допускается иногда – 0,5%. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна (повышает жидкотекучесть), повышает общую твердость и износостойкость, однако увеличивает хрупкость чугуна.

Кремний – особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах – от 0,03-0,5 до 3-5%. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре: от белого до ферритного (серого с пластинчатым графитом  или высокопрочного с шаровидным графитом).

Кроме  этих постоянных примесей в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными. Преимущественно чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хромом препятствует графитизации чугуна, а медь и никель способствуют ей.