Рубрика: Металлы и сплавы
Чугун часто считают «простым» и хрупким материалом, но это верно лишь для части его разновидностей. Станины станков, блоки цилиндров, коленчатые валы, корпуса редукторов, тормозные барабаны, трубы и фитинги делают именно из чугуна — потому что ни один другой материал не сочетает так удачно литейные свойства, демпфирование вибраций, износостойкость и низкую стоимость. Ключ к пониманию чугунов — форма графита в их структуре.
Чугун — сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % углерода, как правило 2,8–3,8 %. Кроме углерода, в нём всегда присутствуют кремний (1–3 %), марганец, сера и фосфор. Высокое содержание углерода снижает температуру плавления до 1150–1250 °C и обеспечивает отличную жидкотекучесть, поэтому чугун — прежде всего литейный материал.
Углерод в чугуне может находиться в двух формах:
Если углерод связан в цементит, получается белый чугун. Если он выделился в виде графита, получается серый, высокопрочный, ковкий или вермикулярный чугун — в зависимости от формы графитовых включений. Металлическая основа вокруг графита может быть ферритной, перлитной или смешанной, как у стали.
Графит почти не имеет прочности, поэтому в металлической основе он работает как пустоты или надрезы. Чем острее и протяжённее эти включения, тем сильнее они концентрируют напряжения и тем ниже прочность и пластичность чугуна.
При одинаковой металлической основе переход от пластинчатого графита к шаровидному повышает предел прочности в 2–3 раза, а относительное удлинение — с долей процента до 10–20 %.
Серый чугун (СЧ) по ГОСТ 1412 — самый распространённый литейный материал. Маркировка указывает минимальный предел прочности при растяжении в кгс/мм²: СЧ20 имеет прочность не ниже 200 МПа, СЧ35 — не ниже 350 МПа.
Серый чугун плохо работает на растяжение и изгиб, практически не имеет пластичности, но прекрасно воспринимает сжатие — прочность при сжатии в 3–4 раза выше, чем при растяжении. Его особые достоинства:
Высокопрочный чугун (ВЧ) по ГОСТ 7293 получают модифицированием жидкого металла магнием или церием непосредственно перед заливкой. Графит при этом кристаллизуется в виде шаров. Марка указывает минимальный предел прочности в кгс/мм²: ВЧ50 — не ниже 500 МПа.
Высокопрочный чугун по механическим свойствам близок к углеродистой стали, сохраняя при этом литейные достоинства чугуна. Предел прочности — 350–1000 МПа, относительное удлинение у ферритных марок — до 22 %. Чугун воспринимает изгиб, удар, циклические нагрузки. Демпфирующая способность ниже, чем у серого чугуна, но выше, чем у стали.
Металлическая основа ВЧ реагирует на термообработку почти как сталь. Отжиг даёт ферритную структуру и максимальную пластичность, нормализация — перлитную и повышенную прочность. Закалка и отпуск повышают прочность и износостойкость, а закалка ТВЧ позволяет получить твёрдую поверхность шеек валов и зубьев шестерён. Особое место занимает изотермическая закалка на бейнит: так получают аустемперированный чугун с прочностью до 1200–1400 МПа при сохранении пластичности.
Название обманчиво: ковкий чугун не куют. Название отражает его повышенную, по сравнению с серым чугуном, пластичность. Получают его длительным отжигом отливок из белого чугуна: при температуре 950–1000 °C цементит распадается, и углерод выделяется в форме компактных хлопьев.
Маркировка по ГОСТ 1215 включает две цифры: предел прочности в кгс/мм² и относительное удлинение в процентах. КЧ35-10 — прочность не ниже 350 МПа, удлинение не менее 10 %.
Ковкий чугун получают только в тонкостенных отливках толщиной до 40–50 мм, потому что исходная отливка должна полностью закристаллизоваться белым чугуном. Длительный отжиг — от десятков часов — делает технологию дорогой и длительной. Поэтому во многих областях ковкий чугун вытеснен высокопрочным, который даёт сопоставимые свойства без длительной термообработки.
Весь углерод в белом чугуне связан в цементит. Он очень твёрд (до 500–600 HB) и хрупок, практически не обрабатывается резанием, кроме шлифования. Применяется как износостойкий материал: мелющие шары, плиты футеровки, лопатки дробемётов. Часто используют отбелённые отливки — с белым поверхностным слоем и серой сердцевиной, например прокатные валки.
Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным: прочнее и пластичнее серого, но лучше высокопрочного по теплопроводности и демпфированию. Он устойчив к термоциклированию и применяется для головок и блоков цилиндров дизелей, выпускных коллекторов, тормозных дисков, изложниц.
| Вид | Форма графита | Типичные марки | Предел прочности, МПа | Удлинение, % | Основное применение |
|---|---|---|---|---|---|
| Серый | Пластинчатая | СЧ15, СЧ20, СЧ30 | 150–350 | менее 0,5 | Станины, корпуса, шкивы |
| Вермикулярный | Червеобразная | ЧВГ30, ЧВГ40 | 300–450 | 1–3 | Головки цилиндров, коллекторы |
| Ковкий | Хлопьевидная | КЧ35-10, КЧ50-5 | 300–700 | 2–12 | Фитинги, тонкостенные детали |
| Высокопрочный | Шаровидная | ВЧ40, ВЧ60, ВЧ80 | 400–1000 | 2–15 | Коленвалы, шестерни, корпуса арматуры |
| Белый | Нет, цементит | ИЧХ, отбелённые | низкая, очень высокая твёрдость | 0 | Износостойкие детали |
Серый чугун — один из самых легкообрабатываемых материалов. Стружка надлома не наматывается на инструмент, а графит снижает трение. Сложности возникают с другим:
Высокопрочный чугун обрабатывается сложнее серого — стружка ближе к стальной, сливная, — но легче, чем сталь той же прочности. Отбелённые участки и включения цементита в тонких стенках резко снижают стойкость инструмента, поэтому в ответственных случаях отливки перед механообработкой отжигают.
фрезерование плоскостей и направляющих, растачивание корпусов, точение, сверление, шлифование, закалка ТВЧ направляющих
Сварка чугуна затруднена: высокое содержание углерода приводит к отбелу и трещинам в зоне шва. Для ремонта применяют горячую сварку с подогревом детали до 500–600 °C, холодную сварку никелевыми и медно-никелевыми электродами короткими участками, пайку латунью. Высокопрочный чугун сваривается лучше серого, но тоже требует специальных материалов. Во многих случаях экономически целесообразнее изготовить деталь заново — например, заменить изношенную чугунную втулку или шкив на стальную или по чертежу восстановить отливку. Подробнее о том, как мы изготавливаем детали по образцам, — в разделе запчастей.
Чугуны различаются прежде всего формой графита, и именно она определяет их свойства. Серый чугун с пластинчатым графитом — недорогой, хорошо гасит вибрации и легко обрабатывается, но хрупок при растяжении. Высокопрочный с шаровидным графитом по прочности конкурирует со сталью и поддаётся термоупрочнению. Ковкий чугун пластичен, но ограничен тонкостенными отливками. Белый и легированные чугуны решают специальные задачи износостойкости, жаро- и коррозионной стойкости.
Мы выполняем механическую обработку чугунных отливок, закалку ТВЧ направляющих и шеек валов, изготавливаем детали по чертежам и образцам. Отправьте заявку — рассчитаем стоимость и предложим технологию.
