какие сплавы обладают лучшими литейными свойствами
Свойства литейных сплавов
В литейном производстве применяют такие сплавы, которые обладают хорошими литейными свойствами, позволяющими получать из них высококачественные фасонные отливки сложной конфигурации. Чистые металлы обычно имеют худшие литейные свойства, чем сплавы и поэтому почти не применяются для производства отливок.
Литейные сплавы должны обладать в основном следующими свойствами:
1. Невысокой температурой плавления. Чем ниже температура плавления сплава, тем легче его расплавить и нагреть до требуемой для заливки в формы температуры.
Литейные сплавы имеют следующие примерные пределы температуры плавления: сталь — 1420—1520° С; чугун — 1150— 1250° С; бронза — 1000—1150° С; латунь — 900—950° С; алюминиевые сплавы — 580—630° С; магниевые сплавы — 600—650° С, цинковые сплавы — 390—420° С.
2. Высокой жидкотекучестью в расплавленном состоянии, обеспечивающей хорошую заполняемость литейной формы при изготовлении тонкостенных отливок.
3. Малой усадкой при затвердевании и охлаждении, обеспечивающей получение отливок без усадочных раковин, рыхлот и внутренних напряжений.
4. He должны в жидком состоянии поглощать газы, чтобы отливки не имели газовых раковин и обладали лучшими механическими свойствами.
5. Незначительной ликвацией (неоднородностью), обеспечивающей более однородные свойства в различных частях отливок.
6. Мелкокристаллической структурой после охлаждения, обеспечивающей высокие механические свойства отливок.
Под температурой плавления сплава понимают температуру ликвидуса на диаграмме состояния. В реальных сплавах обычно присутствуют не два компонента, как это указывается на диаграммах состояния, а три, четыре и более. Это затрудняет определение по диаграммам температуры плавления сплава, В каждом частном случае температуру плавления сплава устанавливают опытным путем или определяют расчетно, исходя из влияния отдельных компонентов сплава на температуру плавления.
Температуру сплава, при которой заливают формы, всегда принимают выше температуры его плавления, чтобы получить нужную жидкотекучесть для лучшего заполнения форм. Кроме того, при более высокой температуре разливки сплава легче выделяются неметаллические включения в особенности из жидкой стали и чугуна. Однако разница в температурах заливки сплава в форму и его плавления ограничивается определенными пределами, зависящими как от свойств самого сплава, так и от особенностей получаемых из данного сплава отливок. Например, чем сложнее отливки и чем тоньше их стенки, тем больше должна быть эта разница. Ho при этом следует учитывать, что заливка сплава при высокой температуре в песчаные формы усиливает пригар формовочных смесей к отливкам, в особенности при получении отливок из тугоплавких сплавов — стали и чугуна. Кроме этого, повышение температуры разливки в ряде случаев приводит к получению крупнокристаллической структуры в отливках, что понижает их механические свойства, к развитию усадочных раковин и рыхлот, поглощению газов и повышению склонности сплава к ликвации и образованию горячих трещин в отливках. Учитывая все эти факторы, температуру заливки каждого сплава устанавливают опытным путем в зависимости от его химического состава и особенностей получаемых отливок. На качество получаемых отливок влияет также и температура выпуска сплава из плавильного агрегата, которая всегда бывает выше температуры разливки сплава. Разница между температурой выпуска сплава и плавления его называется температурой перегрева. При более высокой температуре перегрева большое количество твердых фаз растворяется в жидком сплаве и жидкотекучесть сплава бывает лучше. Зависимость между температурой разливки и плавления сплава железа с углеродом приведена на рис. 97.
Температура плавления некоторых легированных сталей несколько ниже, чем углеродистых, имеющих то же содержание углерода, а температура разливки их близка к температурам разливки соответствующих углеродистых сталей, за исключением высоколегированных (табл. 21).
У легированных сталей разница между температурой плавления и температурой разливки больше, чем у углеродистых сталей. Это вызвано меньшей жидкотекучестью легированных сталей вследствие содержания в них легирующих элементов.
Температура плавления и разливки различных сплавов цветных металлов (на основе меди, алюминия, магния и цинка) приведена в табл. 22.
Под жидкотекучестью сплава понимают его способность хорошо заполнять литейную форму. Жидкотекучесть зависит от химического состава, температуры перегрева, температуры заливки, окисленности и газонасыщенности сплава. Такие элементы, как углерод, фосфор и кремний до определенных пределов способствуют повышению жидкотекучести чугуна и стали; сера понижает ее. Чистая медь имеет низкую жидкотекучесть, присадка олова повышает ее жидкотекучесть. Чем выше температура перегрева сплава и его температура при заливке, тем выше жидкотекучесть.
Для определения жидкотекучести сплава пользуются методом отливки различных проб. Например, жидкотекучесть чугуна определяют путем отливки спирали (рис. 98). С этой целью изготовляют форму из формовочного состава. Моделью служит спираль с сечением в виде трапеции площадью 0,56 см2. Заливают форму испытуемым сплавом и определяют его жидкотекучесть по длине отлитой спирали. Сравнительная жидкотекучесть литейных сплавов приведена в табл. 23.
При охлаждении жидкого сплава в форме происходит уменьшение его объема. При этом в отливках из ряда сплавов образуются усадочные раковины или рыхлоты. Некоторые сплавы, как, например, чугуны с высоким содержанием углерода и кремния, увеличиваются в объеме вследствие сильной графитизации при затвердевании. Дальнейшее уменьшение объема и размеров отливок из всех сплавов происходит при последующем охлаждении в твердом состоянии. Общее уменьшение объемов и размеров отливок называют усадкой.
Для удобства усадку принято выражать в процентах к первоначальному объему жидкого сплава (объемная усадка) или к первоначальным размерам в полости формы (линейная усадка).
Объемная усадка равна
Для ряда сплавов объемная усадка примерно в три раза больше линейной.
Если при усадке сплава нет препятствий к уменьшению ее объема и линейных размеров, такую усадку называют свободной. Примерные значения свободной линейной усадки для наиболее распространенных литейных сплавов приведены в табл. 24.
Усадка сплава изменяется в зависимости от температуры перегрева и заливки сплава и от его химического состава. Чем выше эти температуры, тем больше будет усадка. Усадка чугуна с повышением содержания углерода и кремния и понижением марганца и серы уменьшается. В алюминиевых сплавах повышение содержания кремния уменьшает усадку, а наличие меди и магния увеличивает ее.
Изготовление отливок из сплавов, имеющих склонность к повышенной усадке, кроме значительных изменений размеров и образования усадочных пороков (усадочные раковины и рыхлоты), обычно вызывает в отливках большие напряжения, которые могут привести к короблению и образованию трещин.
При изготовлении отливок из сплавов, имеющих повышенную усадку, образующих усадочные раковины и рыхлоты (например, из стали, высокопрочного чугуна, бронзы и др.), в верхних частях массивных отливок устанавливают прибыли. Они представляют собой резервуары жидкого сплава, питающие отливки при их затвердевании и восполняющие объем. Размеры и расположение прибылей делают такими, чтобы сплав в них затвердевал последним. Тогда усадочные раковины перемещаются в прибыль.
Для этой цели наиболее благоприятными являются прибыли шаровой или сферической формы, имеющие меньшую наружную поверхность при данном объеме и поэтому меньше охлаждающиеся, чем прямоугольные и цилиндрические. Иногда для местного охлаждения массивной части отливки и перемещения усадочной раковины в противоположную сторону (например, в верхнюю прибыль) в формы устанавливают металлические холодильники или холодильники из других теплопроводных материалов.
К литейным напряжениям, которые образуются в отливке, относятся напряжения усадочные (возникающие при затрудненной усадке), тепловые (при неравномерном охлаждении отдельных частей отливки) и фазовые (при изменении кристаллического строения отливки).
В практических условиях при затвердевании и охлаждении сплава в форме в той или иной степени имеются препятствия усадке в виде выступающих частей формы, стержней и т. п., что приводит к неравномерной усадке в разных частях отливок. Охлаждение отдельных частей отливки в форме также происходит не с одинаковой скоростью: тонкие части охлаждаются быстрее, чем толстые. Вследствие неравномерного охлаждения в отливках также возникают напряжения. Кроме этого, в сплавах при охлаждении происходит изменение структуры и размеров отдельных зерен, т. е. протекают фазовые превращения, что вызывает увеличение или уменьшение объема отливок, а следовательно, и напряжений в них.
Перечисленные явления вызывают литейные напряжения в отливках. В зависимости от их величины наблюдаются следующие явления:
1) если литейные напряжения в отливке меньше предела текучести сплава, то они могут усиливаться при последующей обработке или эксплуатации;
2) если напряжения больше предела текучести, но меньше предела прочности сплава, то происходит коробление отливки;
3) если напряжения больше предела прочности сплава, то в отливке образуются трещины.
Принято различать в отливках горячие и холодные трещины. Горячие трещины образуются, когда температура отливки близка к температуре плавления сплава. При высоких температурах сплавы обладают невысоким пределом прочности. Например, углеродистая сталь имеет предел прочности около 0,2 кг/мм2 и относительное удлинение до 1%. Поэтому достаточно небольшого препятствия усадке при высоких температурах, чтобы в отливках из такой стали возникли напряжения, превосходящие предел прочности.
Горячие трещины имеют окисленную темную поверхность. Они вызываются главным образом механическим сопротивлением усадке, оказываемым формой или стержнем. Склонность к образованию трещин тем больше, чем значительнее усадка при высоких температурах, меньше прочность, пластичность и теплопроводность при высоких температурах. Поэтому повышенная склонность к образованию горячих трещин характерна для легированных сталей. По склонности (отн. ед.) к образованию горячих трещин стали можно расположить в следующем порядке:
Для предотвращения горячих трещин в отливках наиболее важно устранять препятствия усадке сплава, оказываемые формой и стержнями, предусматривать в конструкции отливок равномерные сечения и плавные переходы. При получении толстостенных отливок необходимо заливать формы с меньшей скоростью. Сплав должен иметь пониженную температуру.
К образованию холодных трещин более склонны сплавы с высокими упругими свойствами, малой теплопроводностью, большим изменением объема при фазовых превращениях. К ним относятся низколегированные стали, а сплавы цветных металлов этой склонностью почти не обладают. Наличие в сплавах (особенно в стали) вредных примесей усиливает образование холодных трещин. Например, высокоуглеродистая сталь с повышенным содержанием фосфора обладает свойством хладноломкости, т. е. имеет склонность к образованию холодных трещин. Холодные трещины в отличие от горячих имеют светлую неокисленную поверхность.
Чтобы предотвратить образование холодных трещин, создают равномерные сечения в отливках и медленно охлаждают их после затвердевания.
Литейные напряжения в отливках могут быть устранены при термической обработке путем медленного их нагрева до уменьшения упругих свойств сплава, а затем медленным и равномерным охлаждением отливок. Например, для снятия литейных напряжений в стальных отливках их нагревают до 650° С и медленно охлаждают до температуры цеха.
Сплавы и металлы обладают способностью поглощать значительное количество газов водорода, азота, кислорода, окисла углерода и углекислоты, метана и др. Чем больше содержание газов в сплаве или металле, тем ниже их литейные и механические свойства. Газы в сплавах и металлах могут находиться в виде механических включений, в растворенном состоянии и в химических соединениях.
Механически включенные газы удаляются при остывании и мало влияют на образование газовых раковин в отливках. Растворимость газов зависит от температуры и давления. В твердых сплавах и металлах с повышением их температуры растворимость газов незначительно увеличивается.
При плавлении сплавов и металлов растворимость газов резко увеличивается и возрастает с повышением температуры до некоторого предела, а затем падает и при кипении сплавов и металлов уменьшается до нуля (рис. 99).
Поглощение газов при нагреве сплавов и металлов происходит из ржавчины, из влаги исходных материалов топлива и из атмосферы печи. Например, 1 % ржавчины на стальном ломе вносит в сталь в 20 раз больше водорода, чем объем самой стали. Если при плавлении куски металла в печи не покрыты защитным слоем шлака, они легко поглощают газы из окружающей среды. Покрытие шлаком замедляет растворимость газов металлом.
Жидкие сплавы к моменту заливки его в формы всегда содержат некоторое количество газов, которые при понижении температуры частично выделяются, а частично остаются в сплаве. При выделении их в отливках могут образовываться в определенных условиях газовые раковины и тем больше, чем выше содержание газов в сплаве. Для понижения газонасыщенности жидкого сплава плавку ведут в вакуумных печах, пропускают через жидкий металл другой газ, например азот (для цветных сплавов) и окись углерода, аргона и др. (для стали).
Ликвация в отливках бывает зональная, внутрикристаллитная и возникающая в результате разности удельных весов составляющих сплавов. Чем больше склонность сплава к ликвации, тем менее однородна по качеству отливка в разных частях.
Практически для большинства сплавов наиболее нежелательной является зональная ликвация. Обычно зональная ликвация образуется вследствие того, что отдельные составляющие в сплаве из-за различных температур затвердевания и удельных весов вытесняются как в жидком состоянии, так и при затвердевании сплава. В стали, в чугуне ликвируют сера, фосфор, углерод, газы, неметаллические включения, располагаясь главным образом в верхней и осевой частях отливки. Мелкозернистое строение отливки уменьшает влияние зональной ликвации.
Внутрикристаллитная ликвация образуется при ускоренном охлаждении отливок во время затвердевания сплава, в результате чего состав отдельных частей кристаллов не успевает выравняться. Она менее отрицательна, чем зональная ликвация. Ее действие может быть ослаблено термической обработкой отливок.
Ликвация, возникающая в результате разности удельных весов, главным образом наблюдается у сплавов, содержащих в своем составе тяжелые металлы, например высокосвинцовую бронзу. В ней ликвирует свинец, имеющий большой удельный вес. Такая ликвация предотвращается перемещиванием сплава перед заливкой в формы и большой скоростью охлаждения его во время затвердевания.
Более высокие механические свойства имеют сплавы с мелкозернистой макроструктурой, не ориентированной, без промежуточных пленок окислов и сульфидов, ослабляющих связь между отдельными кристаллами. Для образования мелкозернистой структуры необходимо, чтобы в затвердевающем сплаве было больше зародышей, которыми могут быть элементарные кристаллы или группы кристаллов данного сплава, а также отдельные включения некоторых веществ. Для получения мелкозернистой не ориентированной структуры в сплавы вводят различные модификаторы, которые одновременно являются и рас-кислителями, а некоторые из них — десульфураторами. Наиболее распространенными модификаторами для чугуна являются кремний, сплав кремния с кальцием (силикокальций), магнии, для стали — алюминий, титан и др., для силумина — натрий и др. Мелкозернистую структуру сплава можно получить в результате увеличения скорости охлаждения отливки во время ее затвердевания или путем встряхивания в этот период.
В отливках, имеющих различную толщину стенок, более крупнозернистое строение получается в толстых сечениях вследствие их более медленного охлаждения, следовательно сплав в этих местах имеет пониженные механические свойства. Разница в механических свойствах толстых и тонких сечений проявляется больше при пользовании сплавом, имеющим широкий интервал затвердевания, а также в котором происходит выделение составляющих веществ с низкими механическими свойствами. Например, у серого модифицированного чугуна, имеющего предел прочности при изгибе 54 кг/мм2, разница уменьшается примерно в два раза при увеличении толщины стенки от 20 до 120 мм, так как в более толстых стенках выделяются более крупные включения графита. Поэтому повышение содержания углерода, кремния и фосфора усиливает неоднородность механических свойств, а никель, молибден, отчасти хром и медь — уменьшают ее.
На однородность свойств серого чугуна благоприятное влияние оказывает его высокий перегрев, способствующий получению в нем мелкозернистого графита.
Неметаллические включения в сплавах также ухудшают его свойства. Особенно отрицательное действие оказывают включения остроугольной или вытянутой формы, расположенные по границам зерен в виде пленок или цепочек. Включениями могут быть окислы, сульфиды, нитриды и другие составляющие. Для удаления окислов производится раскисление сплава. Неметаллические включения удаляют отстаиванием жидкого сплава, продувкой через сплав нейтральных газов, кипением ванны и другими методами.
Кроме перечисленных основных свойств, литейные сплавы также характеризуют удельную прочность, обрабатываемость резанием и стоимость.
Значения удельной прочности сплавов, выраженные в кг/мм2 и отнесенные к единице удельного веса, примерно равны
Из приведенных данных следует, что более высокую удельную прочность имеют магниевые сплавы, низколегированные стали и сплавы на основе алюминия.
Обрабатываемость сплавов резанием на металлорежущем оборудовании, выраженная временем, необходимым для удаления единицы объема сплава, характеризуется следующими данными:
В отношении обрабатываемости сплавы цветных металлов значительно превосходят железоуглеродистые сплавы, чугун и сталь.
Примерная стоимость тонны отливок из различных сплавов следующая:
Какие сплавы обладают лучшими литейными свойствами
При изготовлении металлических изделий металлы в чистом виде почти не применяют, так как во многих случаях их свойства не соответствуют требованиям, предъявляемым к изделиям. Например, химически чистое железо не может служить материалом для изготовления изделий, так как оно не имеет достаточной прочности (мягкое, легко режется ножом), но в соединении с другими элементами (углеродом, кремнием, марганцем, фосфором) оно дает прочный и удобный для отливки изделий материал — чугун. Соединение в определенных пропорциях двух или нескольких химических элементов называют сплавом. Сплавы железа с углеродом в различных соотношениях известны под названием черных сплавов. К ним относятся чугун и сталь. Сплавы меди, олова, цинка, алюминия, свинца, магния и ряда других элементов называются цветными сплавами. Наиболее распространенными в производстве монументальных художественных отливок являются медные сплавы — латуни и бронзы, в производстве малой скульптуры — серый литейный чугун.
Все металлы и сплавы обладают определенными свойствами, от которых зависит хорошее заполнение литейной формы и получение отливок без дефектов — раковин, трещин и др. К основным литейным свойствам сплавов относятся текучесть в жидком состоянии, усадка и ликвация.
Текучесть в жидком состоянии — это способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Хорошая текучесть металла особенно важна при изготовлении ажурных художественных отливок, имеющих тонкую стенку, сложную поверхность с наличием большого числа просветов. Текучесть зависит от химического состава и температуры заливки.
Чем выше температура заливки сплава, тем больше его текучесть. Текучесть чугуна увеличивается с увеличением содержания в нем фосфора, кремния и углерода. Сера и марганец понижают текучесть.
Текучесть определяют с помощью специальной литейной формы, имеющей спиралевидный канал, в который заливают испытуемый расплав. Форму изготовляют по модели стандартной пробы на текучесть. Чем более длинный участок спирали заполнит заливаемый в нее металл, тем выше его текучесть. Для удобства вычисления длины залитой спирали на ее верхней поверхности через каждые 50 мм расположены точки. Таким образом, текучесть металла определяется длиной залитой спирали, выраженной в миллиметрах или точках.
Усадка — уменьшение объема сплава, залитого в форму, при его охлаждении. Уменьшение объема сплава при охлаждении до температуры затвердевания и при затвердевании называется объемной усадкой. Уменьшение линейных размеров отливки по сравнению с размерами модели называется линейной усадкой.
Значение усадки сплава в литейной форме зависит от его химического состава, конфигурации отливаемого изделия, температуры заливки в форму, скорости охлаждения в форме и других факторов. Среднее значение линейной усадки серого чугуна около 1 %, стали — 2 %, медных сплавов — 1,5 %.
Усадка — отрицательное явление не только потому, что при ней изменяются объем и размеры изготовляемых отливок, но и потому, что она является причиной образования в отливках усадочных раковин, пористости, внутренних напряжений, вызывающих появление коробления и трещин.
Ликвация — неоднородность химического состава сплава в различных частях сечения отливки, возникающая при его кристаллизации. Наиболее заметна ликвация в массивных сечениях отливки.
Медные сплавы
В настоящее время медные сплавы применяют для изготовления деталей, работающих в условиях трения, обладающих устойчивостью против коррозии во влажной атмосфере, в морской воде. Одновременно эти сплавы имеют хорошие литейные свойства, поэтому их широко применяют в производстве художественных отливок, особенно для изготовления единичных скульптур, бюстов, памятников, устанавливаемых на улице.
В производстве художественных отливок используют два вида медных сплавов — бронзы и латуни.
Бронза — сплав меди с оловом, алюминием, свинцом, марганцем и другими элементами. Сплавы меди с 5—13 % олова называют оловянными бронзами.
Сплавы меди с алюминием, свинцом, марганцем и другими элементами составляют группу безоловянных или специальных бронз (алюминиевые, свинцовые, марганцевые).
Оловянные бронзы обладают хорошей текучестью в жидком состоянии, высоким сопротивлением изнашиванию и действию воды. К их недостаткам относятся низкая прочность при повышенных температурах, склонность к образованию усадочной пористости в толстых сечениях отливки и высокая стоимость (из-за наличия дорогостоящего компонента — олова).
Безоловянные бронзы дешевле, обладают большой прочностью, коррозионной стойкостью, но имеют большую усадку. Отливки из них получаются неплотными, с усадочными раковинами.
Применяемые в литейном производстве бронзы различают по маркам. Слово бронза в марке обозначается ее двумя начальными буквами Бр, после которых ставятся начальные буквы содержащихся в сплаве (кроме меди) элементов (О — олово, А — алюминий, С — свинец, Мц — марганец, Ж — железо и т. д.). За обозначениями элементов ставятся цифры, показывающие процентное содержание этих элементов, например, в бронзе марки БрО6Ц6С3 содержится 6 % олова, 6 % цинка, 3 % свинца. Содержание меди в марке не показывается, ее определяют вычитанием из 100 % суммы процентного содержания в бронзе других элементов.
Для получения художественных отливок хорошего качества бронза должна обладать хорошей текучестью в жидком состоянии, заполнять в формах полости сложной конфигурации. Кроме того, поверхность таких отливок подвергается сложной механической обработке, поэтому она должна быть плотной, хорошо чеканиться. Таким требованиям лучше удовлетворяют оловянные бронзы.
В производстве скульптурных отливок применяют бронзы следующего состава:
основные компоненты — 5—7 % олова, 5—7 % цинка, 1—4 % свинца, остальное — медь, примеси (не более) 0,5 % сурьмы, 0,5 % железа, 0,1 % алюминия (всего 1,5 %).
Латунь — сплав меди с цинком (до 50 %), часто с добавлением свинца, олова, алюминия и других элементов. Латунь дешевле бронзы, так как меньше содержит дорогостоящего элемента олова.
Отливки из латуни имеют более плотную структуру, так как сплав менее склонен к образованию газовой пористости. В производстве художественных отливок латуни чаще всего используют для изготовления моделей со сложной поверхностью (для ажурных отливок). Латуни, как и бронзы, различают по маркам.
В марке латунь обозначается начальной буквой Л, за ней следуют начальные буквы названий компонентов, входящих в состав латуни (А — алюминий, Ж — железо, Мц — марганец и т. д.).
После букв в марке стоят цифры, показывающие процентное содержание цинка и других входящих в сплав компонентов. Содержание меди определяется вычитанием из 100 % суммы процентного содержания цинка и других элементов. Например, в латуни марки ЛЦ38Мц2С2 содержится 38 % цинка,
Для фасонных отливок наиболее распространенными марками латуней являются ЛЦ30А3, ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ16К4.
Алюминиевые сплавы
Чистый алюминий, как и все чистые металлы, в производстве сложных отливок не применяют. В литейном производстве широко используют сплавы алюминия, которые обладают хорошими литейными свойствами, достаточно прочны, имеют малую плотность, хорошо обрабатываются.
Литейные алюминиевые сплавы по химическому составу делятся на группы и марки. В производстве отливок наибольшее применение получила группа сплавов алюминия с кремнием АЛ2, АЛ4, АК9, АЛ9 и АК7, называемых силуминами. Такие сплавы по сравнению с другими обладают лучшими литейными свойствами.
Серый чугун
Медные сплавы благодаря хорошим литейным свойствам и коррозионной стойкости долгое время считались единственно подходящими литейными материалами для производства художественного литья. Однако в связи с дефицитностью и высокой стоимостью медных сплавов их применение для изготовления художественных изделий, особенно малой скульптуры, в настоящее время значительно сократилось. Хорошим заменителем медных сплавов в производстве художественных отливок (при дополнительной защите их поверхности от коррозии) является серый чугун. Обладая хорошими технологическими свойствами и низкой стоимостью, серый чугун в настоящее время является распространенным литейным материалом для архитектурных отливок и малой скульптуры.
Серый чугун представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами (кремнием, марганцем, серой, фосфором).
В состав серого чугуна, наиболее часто применяемого в производстве художественных отливок, помимо железа входят следующие примеси:
Углерод в твердом чугуне может быть в виде химического соединения с железом — цементита — или в свободном состоянии в виде графита. Цементит — твердое, хрупкое соединение в изломе белого цвета, образуется в чугуне при быстром охлаждении. Чугун с такой структурой по цвету в изломе называют белым. При медленном охлаждении чугуна углерод выделяется в виде пластинок графита, которые придают сплаву в изломе серый цвет. Чугун с такой структурой называют серым. Он обладает хорошими литейными и механическими свойствами, отливки из него легко обрабатываются.
На свойства серого чугуна существенно влияют и другие элементы, входящие в его состав.
Кремний способствует выделению в чугуне углерода в виде графита, понижает температуру его плавления, обеспечивая высокие литейные и технологические свойства.
Марганец действует на свойства чугуна противоположно кремнию, он препятствует выделению в чугуне углерода в виде графита, увеличивая устойчивость цементита. Марганец повышает твердость чугуна и прочность отливок.
Сера, как и марганец, задерживает выделение в чугуне углерода в свободном состоянии. Способствует отбеливанию чугуна, делает его более тугоплавким, снижает текучесть в жидком состоянии. Поэтому в чугуне сера считается вредной примесью.
Фосфор в сером чугуне может оказывать и вредное, и полезное влияние. Повышая хрупкость, фосфор снижает механические свойства чугуна. Следовательно, в чугуне для машиностроительных отливок, требующих высокой прочности, значительное содержание фосфора может быть вредной примесью. Фосфор увеличивает текучесть чугуна. Следовательно, в чугуне для тонкостенных, со сложной поверхностью отливок, не требующих высокой прочности, повышенное содержание фосфора будет желательным. При изготовлении художественных отливок, особенно ажурных, содержание фосфора в чугуне до 1 % считается полезной примесью, увеличивающей текучесть расплава и стойкость отливок против коррозии.
Высокопрочный чугун
Обыкновенный серый чугун имеет высокие литейные свойства, хорошо обрабатывается, но вязкость его низкая; отливки из этого чугуна не выдерживают ударной нагрузки. Это связано с тем, что выделившийся в чугуне свободный углерод имеет форму пластинок, которые являются в металлической основе чугуна надрезами (трещинами).
В настоящее время для получения высокопрочного чугуна применяют модифицирование — введение в жидкий расплав небольшого количества модификаторов — магния, кальция и др. Модифицированный серый чугун называют высокопрочным, высокая прочность обеспечивается благодаря шаровидной, а не пластинчатой форме графита, как в сером чугуне.
Высокопрочный чугун, по сравнению с обыкновенным серым, обладает меньшей склонностью к отбелу. Применение такого чугуна при производстве крупных архитектурных отливок (решетки, колонны, тумбы и др.) дает возможность повысить их прочность, сохранив при этом хорошую обрабатываемость.
Ковкий чугун
Его получают из белого чугуна путем отжига отливок в специальных печах при температуре 950—1000 0С. После такой обработки в отливках из цементита белого чугуна выделяется свободный графит, отливки перестают быть хрупкими, приобретают способность выдерживать ударные нагрузки (свободный углерод в них имеет форму, промежуточную между пластинчатой и шаровидной).
Все чугуны маркируют в зависимости от их механических свойств.
Серый чугун (ГОСТ 1412—85), например марки СЧ 25, расшифровывается следующим образом: буквы СЧ означают серый чугун, а две цифры после них — 25 указывают временное сопротивление при растяжении в кгс/мм3.
Кроме того, литейные чугуны, выплавляемые в доменных печах, в зависимости от рода применяемого при этом топлива подразделяются на коксовые и древесноугольные.
Древесноугольные чугуны по сравнению с чугунами, выплавляемыми на коксе, обладают меньшей склонностью к отбелу, содержат меньше вредных примесей фосфора и серы. Повышенное содержание серы в коксовых чугунах объясняется ее переходом в процессе плавки из кокса, содержащего до 1,4 % серы.
Применение древесноугольных чугунов в производстве художественного литья дает значительное улучшение качества отливок по чистоте поверхности и возможности механической обработки.