Химический состав и виды чугунов
Чугуны — сплавы железа с углеродом (более 2,14% С), в которых при кристаллизации протекает эвтектическое превращение. Согласно диаграмме состояния железноуглеродистых сплавов, чугуны подразделяют на доэвтектические (до 4,3 % С), эвтектические (4,3 % С) и заэвтектические (более 4,3 % С) (рис. 16.1).
Эвтектическая реакция, протекающая при постоянной температуре, обеспечивает чугунам хорошие литейные свойства, например жидкотекучесть, и получение герметичных отливок. Благодаря этим свойствам и низкой стоимости чугуны являются наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок.
Чугуны, в которых весь углерод присутствует в виде такого химического соединения, как цементит, называют белыми. Эти сплавы очень твердые и хрупкие, их практически не применяют в качестве конструкционных материалов.
Конструкционные чугуны — это сплавы тройной системы Fe—С—Si, в которых углерод находится (полностью или частично) в виде равномерно распределенных в металлической матрице включений графита.
Конструкционные чугуны являются доэвтектическими сплавами, которые содержат 2,2...3,7 % С и 1,0...2,9 % Si, а также добавки других элементов и примеси.
Получение графита в структуре чугунов обеспечивают двумя способами:
• при легировании кремнием (1,5...3,0 %), когда кристаллизация происходит в соответствии с равновесной диаграммой железо — цементит;
• при термической обработке — длительном отжиге чугунов с пониженным содержанием кремния (1,0...1,6 %), которые при кристаллизации получают в «отбеленном» состоянии, т. е. они содержат цементит. Во время последующего отжига реализуется реакция превращения карбида железа в графит:
Fe3C —> 3Fe + С
Классифицируют чугуны по нескольким признакам: по форме графита, химическому составу, структуре металлической части.
По форме графита конструкционные чугуны подразделяют на:
• серые (пластинчатая форма);
• высокопрочные (шаровидная форма);
• ковкие (хлопьевидная форма);
• вермикулярные (червеобразная форма).
Серые, высокопрочные и вермикулярные чугуны получают при легировании кремнием, а ковкие чугуны — путем длительного отжига белого чугуна.
По химическому составу выделяют нелегированные чугуны общего назначения и легированные чугуны специального назначения.
В нелегированных чугунах содержание углерода находится в пределах доэвтектической концентрации, т. е. менее 4,3 % (табл. 16.1). Кремний — элемент-металлоид, который выполняет функцию графитизатора: способствует образованию графита в чугунах как при затвердевании, так и при фазовых превращениях в твердом состоянии. В случае пониженного содержания углерода и кремния происходит противоположный процесс — «отбеливание», когда при кристаллизации образуется цементит.
Постоянными примесями в чугунах являются марганец, сера и фосфор. Марганец в отличие от кремния способствует не графитизации, а «отбеливанию»; его содержание в чугунах не превышает 1,1 % (серые и высокопрочные) и 1,25 % (ковкие). Фосфор в чугунах является полезной примесью, так как он улучшает жидкотекучесть; его содержание на порядок выше, чем в сталях — до 0,3 %. Сера оказывает вредное воздействие на свойства чугунов; ее содержание не должно превышать 0,15 %.
Легированные чугуны в зависимости от назначения содержат такие элементы, как хром, никель, молибден, алюминий.
По структуре металлической основы чугуны подразделяют на классы:
• ферритный;
• ферритно-перлитный;
• перлитный;
• бейнитный.
Обобщенная классификация чугунов и схемы микроструктур приведены на рис. 16.2, а реальные микроструктуры чугунов — на рис. 16.3.
