Конструкционные чугуны: виды, свойства, высокопрочный и ковкий чугун

Конструкционные чугуны: виды и свойства

Чугун привычно считают материалом простым и даже грубоватым. На деле же за одним словом скрывается целое семейство сплавов с очень разными характерами: одни хрупкие, другие тянутся и гасят вибрацию не хуже стали. Разберём, что делает чугун конструкционным, какие его виды применяют чаще всего и чем интересны высокопрочный и ковкий чугун.

Какие требования предъявляют к конструкционным чугунам

Чтобы чугун можно было считать конструкционным, он должен отвечать целому ряду требований — и в первую очередь по механическим свойствам. Именно их совокупность определяет, где сплав найдёт применение: в металлургии или машиностроении. Но одними механическими характеристиками дело не ограничивается.

Помимо них важны износостойкость, сопротивление коррозии и другие физические и химические свойства. Для нелегированных и низколегированных чугунов этот набор оказывается решающим. А вот когда на первый план выходят специальные свойства, в ход идут среднелегированные и высоколегированные конструкционные чугуны.

Отдельная группа требований — технологические, и главные среди них литейные. Здесь вне конкуренции серый чугун: он позволяет получать отливки с максимальным выходом. В целом же на свойства чугуна влияет сразу несколько факторов:

• состав металла;
• состояние жидкого расплава;
• скорость охлаждения;
• способ термической обработки.

Среди чугунов, которые чаще всего используют как конструкционные материалы, выделяют четыре вида:

1. серый чугун;
2. ковкий чугун;
3. низколегированный алюминиевый чугун;
4. высокопрочный чугун.

Высокопрочный чугун

Именно шаровидная форма графита вкупе с повышенным содержанием углерода и задаёт этому сплаву его сильные стороны. Набор свойств здесь получается внушительный:

• значительное относительное удлинение;
• высокая прочность на растяжение и изгиб;
• выраженный предел текучести;
• высокая прочность на сжатие;
• высокая ударная вязкость;
• высокая усталостная прочность;
• высокая износостойкость;
• хорошие литейные свойства;
• хорошая обрабатываемость резанием.

Благодаря такому сочетанию высокопрочный чугун идёт на ответственные детали машин. Ещё одна крупная область его применения — высокопрочные трубы для систем водоснабжения и нефтегазовой промышленности.

Ковкий чугун

Углерода в ковком чугуне от 2,4 до 2,8 %. Кроме углерода, в его составе присутствуют кремний, марганец, фосфор и сера, а их количество подбирают под нужные свойства сплава.

Как из белого чугуна получают ковкий

В исходном белом чугуне углерод полностью связан с железом и существует в виде карбида железа. Задача отжига — высвободить графит из карбида железа и аустенита. При температуре 950–970 °C формируются графитовые хлопья, а их окончательное образование завершается в диапазоне 720–760 °C.

Термообработку белого чугуна ради получения ковкого проводят в два этапа:

1. Сначала заготовку нагревают примерно до 1000 °C и выдерживают при этой температуре до тех пор, пока сплав полностью не распадётся на аустенит и графит.
2. Затем заготовки охлаждают до 760 °C. При этой температуре аустенит выделяет дополнительный цементит, входящий в состав перлита, а при дальнейшем охлаждении перлит распадается на феррит и графит.

Три структурных типа

По структуре, которая зависит от условий отжига, ковкий чугун делят на три вида:

• ферритный — графитовые хлопья и феррит;
• перлитный — графитовые хлопья и перлит;
• ферритно-перлитный — графитовые хлопья, феррит и перлит.

Технические характеристики ковкого чугуна задаются содержанием кремния и углерода в форме графита. Для перлитной разновидности к ним добавляются ещё марганец и хром. Различия в структуре напрямую отражаются на свойствах готовых изделий: например, ферритные отливки уступают перлитным по твёрдости, зато выигрывают в пластичности.

Чем хорош ковкий чугун

Хлопьевидные включения графита придают изделиям высокую прочность, не лишая их пластичности, — такой чугун поддаётся пластической деформации даже при комнатной температуре. Заметное преимущество материала в том, что его свойства одинаковы по всему поперечному сечению, а внутренние напряжения отсутствуют. По механическим и физическим характеристикам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

К его достоинствам относят:

• хорошую коррозионную стойкость: материал не боится влаги и химических реактивов;
• хорошую текучесть в жидком состоянии;
• хорошую износостойкость;
• способность поглощать вибрации при повторяющихся периодических нагрузках.

Так за общим названием «конструкционные чугуны» скрывается набор материалов под разные задачи: от литейного серого чугуна до высокопрочного со сфероидальным графитом и вязкого ковкого чугуна. Понимание того, как состав и обработка формируют структуру, а через неё — свойства, и позволяет подобрать нужный сплав под конкретную деталь.