Виды, состав и назначение чугунов

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом (>2.14%), кремнием, марганцем, фосфором и серой. В зависимости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем может содержаться еще хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк.

Содержание основных элементов (С, Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Cu, As) в чугуне регламентируется соответствующим ГОСТом или техническими условиями.

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, определяется требованиями потребителей и возможностями доменной плавки. Сообразно с этим стремятся подобрать состав шихтовых материалов и технологический режим плавки.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на два основных вида:

Передельный – предназначен для дальнейшего передела в сталь.

Литейный - используется после переплава в чугуноплавильных цехах для отливки изделий или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

Следует отметить, что в последние годы передельный чугун используют не только для выплавки стали, но и для переплавки в чугунолитейных цехах для производства чугунных отливок.

Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около 90% общего производства чугуна.

Он предназначен для произ¬водства стали в конвертерах или мартеновских печах и обычно содержит 0,3-1,2 % Si; 0,2-1,0 % Мn, 0,15-0,2 % Р и 0,02-0,07 % S.

В чугуне некоторых марок, предназначенных для передела в кислых конверторах, фосфора должно быть очень мало (<0,07 %), а в используемых для специального сталеплавильного передела с получением не только стали, но и фосфористых шлаков необходимо, чтобы фосфора было 1,3-2,0 %.

Литейный чугун по содержанию фосфора делят на четыре класса:

А - до 0,1 % Р (малофосфористый),

Б - 0,1-0,3 % Р (обычный),

В и Г - высокофосфористые чугуны с содержанием фосфора соответственно 0,31-0,7 и 0,71-1,2 %.

Для изготовления высокопрочных изделий применяют чугуны с низким содержанием фосфора, а для художественного литья - высокофосфористые чугуны.

Каждый класс литейных коксовых чугунов (ЛК) состоит из шести марок. Наиболее кремнистый чугун марки ЛК 0 содержит 3,26-3,75 % Si.

В каждой следующей марке кремния содержится на 0,5 % меньше.

Кроме того, каждую марку делят на три группы по содержанию марганца (0,5; 0,51-0,90 и 0,91-1,3%) и на три категории по содержанию серы (0,02-0,05; 0,03-0,06 и 0,04-0,07 %).

В зависимости от химического состава и скорости охлаждения кристаллизация чугуна заканчивается образованием белого, половинчатого или серого чугуна.

Белый чугун имеет в своей структуре цемен¬тит и перлит и обладает светлым изломом. Весь углерод в нем находится в связанном состоянии. Он очень тверд и хорошо сопротивляется износу, но вместе с тем хрупок и плохо поддается механической обработке.

Поэтому белый чугун применяется для изготовления отливок с большой поверхностной твердостью: валков прокатных станов, штампов, волочильных досок и многих деталей сельскохозяйственного машиностроения.

После длительного отжига он приобретает высокие механические свойства и хорошую обрабатываемость режущим инструментом вследствие разложения цементита на железо и углерод отжига.

Половинчатый чугун состоит из перлита, цементита и небольших включений графита, расположенных островками в виде скоплений пластинчатой формы. Он обладает повышенной твердостью и почти не поддается механической обработке, в силу чего в машиностроении распространения не получил.

Серый чугун характеризуется наличием значительного количества графитных включений пластинчатой или шаровидной формы. В зависимости от структуры металлической основы серый чугун делится на три группы: феррито-перлитный, перлитный и перлито-цементитный.

Феррито-перлитный серый чугун имеет в своей структуре феррит, перлит и графит. Вследствие большого количества пластинок графита и структурно свобод¬ного феррита этот чугун мягок, легко обрабатывается и по срав¬нению с перлитным чугуном отличается меньшей прочностью.

В феррито-перлитном чугуне графит может иметь и шаровидную форму, если чугун перед разливкой обработан магнием. Приме¬няется феррито-перлитный чугун для отливки большинства ма¬шиностроительных деталей.

Перлитный серый чугун состоит из перлита, содержащего 0,8% связанного углерода, и равномерно распределенных пластинок графита. Этот чугун обладает высо¬кой прочностью, умеренной твердостью и хорошей обрабатывае¬мостью.

Перлитный высокопрочный магниевый чугун обладает еще более высокими механическими свойствами и износоустойчивостью.

Перлито-цементитный серый чугун имеет в своей структуре перлит, графит и большое количество мелких разрозненных выделений цементита.

Располагаясь по границам исходных аустенитных зерен, цементит ослабляет связь между ними и понижает прочность металлической основы чугуна. Обладая большой твердостью, перлито-цементитный чугун с тру¬дом обрабатывается режущим инструментом. Однако после отжига он приобретает перлитную структуру и высокие показа¬тели прочности.

Ферритный серый чугун из-за наличия феррита и крупнопластинчатого графита обладает низкой прочностью, малой твердостью и легкой обрабатывае¬мостью, в связи с чем может применяться только для неответственных отливок.

Обычный серый чугун имеет следующий хи¬мический состав: 3,0-3,8% углерода, 2,2-3,0% кремния, 0,5-11,0% марганца, до 0,12% серы и до 0,2% фосфора. Углерод и кремний являются важнейшими элементами, входящими в состав чугуна. Они оба способствуют выделению углерода в форме графита и, понижая температуру плавления чугуна, обеспечивают его высокие литейные и технологические свойства. Углерод присутствует в чугуне в форме графита и в связанном состоянии — в виде цементита. Кремний в чугуне растворяется в его металлической основе и способствует про¬цессу выделения графита.

Марганец увеличивает твердость чугуна, так как препятствует процессу выделения углерода в свободном состоянии. С углеродом марганец образует химическое соединение Мn3С — карбид марганца, способный растворяться в цементите, увели¬чивая его устойчивость. Следовательно, действие марганца на свойства чугуна обратно действию кремния.

Поэтому, если содержание марганца в чугуне повышено, то для устранения его отбеливающего действия увеличивают содержание кремния.

Сера попадает в чугун из руд и топлива и считается вредной примесью. Она способствует отбеливанию чугуна, делает его тугоплавким и склонным к образованию газовых пузырей в отливках.

Фосфор в небольших количествах является полезной примесью, увеличивающей жидкотекучесть серого чугуна, что является особо ценным при производстве тонкостенного литья. Так, при изготовлении художественных изделий, отличающихся боль¬шой ажурностью, содержание фосфора повышают до 1 и более процентов. Однако значительное содержание фосфора в чугуне вследствие образования хрупких фосфидных соединений сильно понижает его механические свойства.

Водород является также вредной примесью. Попадая в чугун из влажного воздуха и шихты, он повышает устойчивость цементита, вызывает отбел и образование раковин в отливках.

Таким образом, углерод и кремний способствуют процессу графитообразования в чугуне, а марганец, сера, кислород и во¬дород, наоборот, препятствуют этому процессу. Из легирующих элементов никель, алюминий и медь являются графитизаторами, а хром, вольфрам, молибден, ванадий — карбидообразователями.