Литейные чугуны

Состав чугунов. Чугуны представляют собой весьма обширную группу сплавов железа, содержащих свыше 2,14% углерода и другие элементы.

Следует различать чугуны, являющиеся первичными продуктами переработки железных руд в доменных печах, и чугуны, выплавляемые в литейных цехах для получения фасонных отливок. Доменные чушковые чугуны разделяют на литейные и передельные.

Большую часть доменных чугунов (свыше 80%) составляют передельные, они предназначены для переработки в сталь на металлургических заводах. Доменные литейные чугуны предназначены для выплавки чугуна при получении отливок. По своему составу и свойствам они непригодны для непосредственного изготовления машиностроительных фасонных отливок, но используются в литейных цехах как исходные (шихтовые) материалы при плавке наряду с чугунным и стальным ломом (скрапом), собственными отходами литейного производства (литниками, прибылями, браком), а также со специальными добавками, вводимыми, например, для легирования чугуна в целях придания ему определенных свойств: повышенной прочности и пластичности, жаростойкости, стойкости против коррозии и др. В дальнейшем под термином «литейные чугуны» будут подразумеваться только чугуны вторичной плавки, приготовляемые в литейных цехах.

Структура и свойства чугуна в основном определяются тем, в каком количестве и в каком виде (свободном или связанном) содержится в нем углерод. Свободный углерод в чугуне представляет собой равномерно распределенные в металлической основе сплава включения графита — неметаллического материала, обладающего малой прочностью и твердостью, имеющего в различных чугунах разную форму: пластинчатую, шаровидную, хлопьевидную или промежуточную. Связанный углерод входит в состав чугуна в виде химического соединения Fe₃C — цементита. Включения графита, особенно пластинчатой формы, действуют на металлическую основу чугуна как надрезы, снижающие ее механическую прочность и пластичность. Поэтому чугуны, несмотря на сходство по составу со сталями (и те, и другие — сплавы железа с углеродом), обладают меньшей прочностью и большей хрупкостью. Чем больше по количеству и размерам включения графита в чугуне, тем меньше его прочность.

Наиболее высокими механическими свойствами обладают высокопрочные чугуны с шаровидной формой графита и ковкие чугуны, в которых благодаря специальной термической обработке обеспечивается выделение углерода отжига в виде хлопьевидных частиц. Высокое (по сравнению со сталями) содержание углерода в чугуне оказывает положительное влияние на литейные свойства чугуна: понижает температуру плавления, повышает жидкотекучесть, уменьшает усадку. Поэтому из чугуна можно получать более тонкостенные, чем из стали, отливки, меньше расходовать металла на литниковую систему и прибыли. Обычный серый чугун дешевле и проще в приготовлении, чем сталь, отливки из него менее подвержены короблению и образованию трещин, в меньшей степени взаимодействуют с песчаной формой при затвердевании и охлаждении в ней, поэтому имеют более чистую поверхность.

Название «серый чугун» связано с тем, что темные включения графита в чугуне малы, неразличимы глазом и придают чугунным отливкам в изломе матово-серый цвет. Серый чугун является самым распространенным материалом для изготовления различных машиностроительных деталей — от многотонных станин до гильз автомобильных двигателей, не только из-за дешевизны и хороших литейных свойств, но и в связи с легкой обрабатываемостью резанием. Включения графита в чугуне являются микроконцентраторами внутренних напряжений, способствуя рассредоточиванию их в массе отливки. Поэтому в чугунных деталях менее, чем в стальных, опасны различные надрезы, мелкие раковины, поры, неметаллические включения, а также резкие переходы между отдельными стенками и другими конструктивными элементами, т. е. места, где в деталях из других сплавов, например из сталей, могут концентрироваться значительные напряжения, приводящие к разрушению.