Обзор марок чугуна

Металлургическая промышленность выпускает несколько классов чугуна, среди которых – ковкий, серый и высокотехнологичный. Чугун, несмотря на свою сравнительно сниженную относительно сталей температуру плавления, нашёл применение как сплав железа, поддающийся более медленному, чем ржавеющая сталь, окислению.

Согласно ГОСТу серый чугунный состав – сплав железа с графитом, включённым в такое соединение в виде пластинок или волосков, хлопьев. Это не просто однородный раствор углерода в железе. Графит, как известно, аллотропное видоизменение угля. Структура чугуна в электронно-микроскопическом увеличении изображения тут же выдаёт графитные пластинки: графит имеет склонность к расслаиванию. Принцип графитного сплава с железом – стабильная высокоуглеродистая фаза. Содержание углерода в чугуне – свыше 2% по массе.

Интенсивность и оперативность принудительного охлаждения чугунных составов приводят к образованию ферритно-перлитных модификаций. Чем скорее рабочие примут меры к скорейшему охлаждению чугуна, тем отчётливее его перлитная составляющая, и менее заметна ферритная. Чем больше перлита, тем более твёрд, но менее пластичен чугунный сплав.

Расшифровка СЧ означает именно серый чугун. Предел прочности в килограммах на квадратный миллиметр поверхности заготовки из такого чугуна у сплава СЧ-30, к примеру, 30 кг/мм2. Это значит, что, если превысить давление – оказать воздействие выше этого показателя, то чугун начнёт трескаться. Он раскрошится. Первые цифры в маркере указывают именно на это значение. Высокопрочные чугуны – маркер ВЧ выдаёт их свойства – годятся для изготовления станины, зубчатого колеса-шестерёнки в некоторых механизмах, не подвергающихся сверхвысоким нагрузкам.

Однако чаще для шестерёнок всё же используют высокопрочные, стойкие к стиранию стали. Расшифровать маркер СЧ10 или СЧ15 можно следующим образом: серый чугун с воздействием на разлом/крошение в 10 и 15 кг/мм2 соответственно. Чтобы превратить серый чугун в материал, обладающий антифрикционными свойствами, потребуется переплавить его в высокопрочный чугун либо, выжигая часть угля/графита из него путём вдувания воздуха, получить из него высокоуглеродистую сталь.

Серый чугунный сплав хорошо отливается. Ковать его нельзя: при перегреве он сразу плавится (делается жидким). В расплавленном состоянии он весьма текуч, из-за чего востребован литейщиками. Его используют для отливки поршней, станин, клапанов и других деталей для всевозможных машин. Но повышенная хрупкость не даёт использовать серый чугунный состав для работы на растягивание или изгиб. Процент графита и угля в сером чугуне – 2,9-3,7%. На изломе серый чугун имеет соответствующий цвет. Превышение прочности на растягивание или сгибание в 35 кг/мм2 приводит к поломке детали или комплектующей. Пониженная концентрация – ниже 2,4% углерода – сразу же приведёт к потере чугунными заготовками заявленной прочности.

Кремния в чугуне содержится 1,2-2,5%. А вот сера, из-за которой железо портится, становится хрупким, содержится лишь в количестве 1,2-1,5 промилле. Чтобы ослабить влияние сульфида железа, с которым сера вступает в реакцию для образования этого минерала, в чугун вводят марганец в количестве 0,5-1,1% по массе сплава. Фосфорная присадка – 2-3 промилле – повышает твёрдость и стойкость чугуна к истиранию, к подобному эффекту приведёт и хром.

В числе прочих включений в чугунных модификациях присутствуют следующие присадки:

• олово – придаёт равномерную твёрдость всей толще выпускаемой детали;

• никель и молибден делают чугун более коррозионностойким;

• медь способствует структуризации угля в фазу графита, повышает упругость и невосприимчивость к окислению;

• сурьма (до 0,8 промилле) структурирует кристаллическую решётку чугуна.

ВЧ – высокопрочный чугун – обладает графитными включениями шарообразной, а не пластинчатой формы. Это придаёт ему более сплошную структуру и повышенную прочность. В зависимости от скорости охлаждения ВЧ, получают ферритный (относительно ВЧ) состав, ферритно-перлитный и перлитные сплавы. Шаровидная форма графита не способствует появлению большого количества микротрещин. ВЧ более устойчив к сгибанию и растягиванию, чем СЧ. Он менее склонен к накоплению так называемой усталости металла, не менее хорошо, чем СЧ, отливается в детали по формам, более терпим к механообработке. Выдерживает большее давление (усилие на сжатие), отчего ВЧ применяют в качестве основы для батарей и трубопроводов.

Ковкий чугун обладает относительной мягкостью и вязкостью. Его отливают из беловатого чугуна, затем подвергают дальнейшему термическому закаливанию. Для производства ковкого чугуна используется метод долгого отжига, в результате уголь превращается в цементит, а затем преобразуется в графит. Подобно СЧ, КЧ обладает стальной основой с включением графитных частиц, напоминающих хлопья. Образуются они при прохождении трёх последовательных стадий, благодаря которым состав нагревается до 975 градусов, затем выдерживается при 730 градусах, а затем, начиная с этой температуры, медленно охлаждается. На второй стадии цементит превращается в графитные хлопья. Последние придают ковкому чугуну больше пластичности. Все три стадии занимают более двух суток. В ковком чугуне угля содержится в среднем 2,65%, кремния – 1,3, кремнеуглерода – 3,9.

Чтобы получить черносердечный чугунный состав с хлопьевидным графитом, его подвергают графитизирующему отжигу. У белосердечного, напротив, избыток углерода удаляется путём вдувания воздуха, кислород которого, забирая на себя уголь (и выдавая угарный/углекислый газ), очищает сплав от избытка углерода. Время отливания заготовок из такого чугуна – порядка 65 часов. Достоинства белосердечного чугуна – склонность к улучшенной сварке таких конструкций, чего не скажешь о черносердечном. Особенность эта обусловлена тем, что близкая по составу к стали сердцевина отлетит при термических колебаниях с меньшей вероятностью от заготовки из такого же чугуна, к которой она приварена за один и тот же временной период эксплуатации.

Ковкий чугунный сплав хорошо режется, обладает относительно однородной структурой, не демонстрирует внутренние напряжения в отлитой заготовке. Он невосприимчив к высоким нагрузкам, меняющим направление вектора прилагаемого воздействия. КЧ обладает повышенной сопротивляемостью к разъеданию заготовок до состояния присутствия ржавого налёта. Из-за этих положительных свойств КЧ используется в машиностроительной отрасли: коробки передач, шасси, шестерёнки редукторов, рычажные детали, распред- и коленвалы, поршни ДГА, толкатели клапанов в КА двигателя.

КЧ маркируется аналогично остальным видам и разновидностям чугуна. Например, КЧ-37 обладает усилием на сжатие в 370 Н/мм2, или 370 МПа (один паскаль – один ньютон на квадратный метр). Подвиды Ф (ферритный) или П (перлитный) обладают модификациями, второй характеристикой которых считается растяжение на разрыв (удлинение). Например, КЧ3712-Ф – ферритный ковкий чугун с усилием на сжатие в 37 кг/мм2 и удлинением не менее 12% (по длине детали при попытке растянуть эту заготовку). Ферритный КЧ с ферритно-перлитной структурой выпускается как КЧ30-6, КЧ33-8, а также иные сорта: 35-10/37-12. Чисто перлитный – представлен сортами КЧ 45-7, КЧ 45-6, а также прочие (различные) модификации ковкого чугуна: 50-5/55-4/60-3/65-3/70-2/80-1,5. В первом случае, как видно, чем выше допустимое воздействие на заготовку, тем выше удлинение, во втором же – с точностью до наоборот.

КЧ нашёл своё широкое применение преимущественно в машиностроении. Заводы, выпускающие детали для машин, применяют заготовки, отлитые на основе ферритного типа. Перлитной основе же не уделяется столь пристального внимания, хотя последнее легче в отливании и разрезании. В сельскохозяйственных машинах и приспособлениях ковкий чугунный сплав на перлитной основе заменяет среднеуглеродистую сталь. Эксплуатация и технологии обработки такого чугуна находятся как бы в гармонии друг с другом – по соответствующим параметрам. Ковкий чугун легче, чем остальные виды чугунных изделий. Несмотря на разброс весовой характеристики – от нескольких сотен граммов до 150 тонн, невзирая на толщину отлитых стенок изделия, чугунный сплав лёгок в обточке, разрезании и в термодоработке. Относительная дешевизна ковкого чугунного состава по сравнению со сталью вытеснила некоторые стальные компоненты.