Чугунная литье: Состав, цвет при разрушении и предотвращение трещин

Состав сплава определяет цвет при трещиновании: белый чугун содержит карбидные примеси, создающие пути для распространения трещин. Серый чугун имеет графитовые пластинки, имитирующие трещины — при разрушении инициируют множество новых трещин. Модифицированный (высокопрочный) чугун сферический графит («нудулы») подавляет развитие трещин.

Основные легирующие элементы: углерод (C) 1,8–4% мас., кремний (Si) 1–3% мас. Только железо с минимальным углеродом — сталь. Чугун ломкий (кроме ковкого). Низкая температура плавления обеспечивает хорошую текучесть, отличную станочность, устойчивость к деформации и износу.

Чугуны стали конструкционным материалом с широким применением: трубы, машиностроение, автодетали (головки блоков цилиндров, блоки цилиндров, коробки передач). Устойчивы к окислению.

История чугунной литья

Раннейшие артефакты — V в. до н.э., Джансу, Китай. Использовалось для сельского хозяйства, быта, оружия. XV в. — пушки в Бургундии, Франции, Англии (Реформация) — требовало массового производства. 1770 г. — первый чугунный мост (Абрам Дарби III, «Железный мост», Шропшир, Англия). Широкое архитектурное применение.

Промышленное массовое производство

Чугун получают из расплавленного чугунного железа или переплавом с добавками железа, стали, известняка, кокса, удалением вредных примесей. Углерод и кремний регулируют до 2–3,5% и 1–3% соответственно. Чугунное железо — побочный продукт плавки руды в доменной печи.

Фосфор и сера выгорают, но уходит и углерод — его восстанавливают. При необходимости добавляют другие элементы перед литьем. Иногда плавят в купольной печи, современнее — в электрических индукционных или дуговых печах. Расплав сливают в ковш или печь-держатель.

Свойства чугуна

Свойства меняют легирующими элементами. Кремний вытесняет углерод из раствора. Малый % Si → углерод в растворе → цементит → белый чугун. Высокий % Si → графит → серый чугун. Марганец, хром, молибден, титан, ванадий противостоят кремнию, способствуют удержанию углерода и образованию карбидов. Никель и медь повышают прочность и станочность, не меняя кол-во графита.

Графит делает железо мягче, снижает усадку, прочность и плотность. Сера (как примесь) → сульфид железа → препятствует графиту, повышает твердость, но делает расплав липким (дефекты). Марганец нейтрализует серу: образуют сульфид марганца (легче расплава, уходит в шлак). Нужно Mn = 1,7 × %S + 0,3%. Избыток Mn → карбид Mn (повышает твердость и закалку, кроме серого чугуна где до 1% Mn повышает прочность и плотность).

Легирующие добавки для уточнения

• Никель — уточняет перлит и графит, повышает вязкость, выравнивает твердость при разных толщинах.
• Хром (малые дозы) — уменьшает свободный графит, закалку, сильный стабилизатор карбида; часто с никелем. Может замещать 0,5% Cr.
• Медь (0,5–2,5%) — уменьшает закалку, уточняет графит, повышает текучесть.
• Молибден (0,3–1%) — повышает закалку, улучшает структуру графита и перлита; в комбинации с Ni, Cu, Cr — высокопрочный чугун.
• Титан — дегазатор и деоксидизатор, повышает текучесть.
• Ванадий (0,15–0,5%) — стабилизирует цементит, повышает твердость, износо- и теплостойкость.
• Цирконий (0,1–0,3%) — способствует графитизации, деоксидирует, повышает текучесть.
• Висмут в ковком чугуне (0,002–0,01%) — повышает эффективность Si.
• Бор в белом чугуне — способствует получению ковкого чугуна, снижает грубый эффект висмута.

Самый распространенный — серый чугун

Графитовая микроструктура → трещины выглядят серо. Самый массовый по весу литейный материал. Типичный состав: 2,5–4,0% C, 1–3% Si, остальное Fe. Прочность на разрыв и ударную вязкость ниже стали, на сжатие — сравнима с низко- и среднеуглеродистой сталью. Свойства зависят от размера/формы графитовых пластинок (ASTM).

Итог: чугунная литье — это просто чугун. Группа сплавов Fe-C с углеродом >2% → очень низкая температура плавления. Цвет при трещиновании: белый — карбиды пропускают трещину; серый — пластинки графита отражают трещину, рождая новые; высокопрочный — сферические нодули задерживают трещину.