Технология сварки чугуна

Состав и свойства

В машиностроительной, станкостроительной, металлургической и других отраслях промышленности чугун является широко распространенным конструкционным материалом. Широкое его применение в промышленности обусловлено простотой и невысокой стоимостью изготовления изделий из него, хорошими литейными свойствами, высокой износостойкостью и стойкостью к общей коррозии, малой чувствительностью к концентраторам напряжений, способностью гасить вибрацию, хорошей обрабатываемостью и т. д.

Чугун является многокомпонентным железоуглеродистым сплавом, содержащим свыше 2,14% углерода. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторое количество марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну особых свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести хром, никель, молибден, магний и др.

Чугуны делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектическис. При затвердевании доэвтсктичсских чугунов из расплава кристаллизуется структурно свободный аустенит в виде дендритов. Затвердевание заэвтсктичсских чугунов характеризуется выделением в первую очередь высокоуглеродистой фазы — первичного 1рафита или цементита, а затем при более низкой температуре — кристаллизацией эвтектики, состоящей из аустенита и цементита. Такая эвтектика называется ледебуритом.

В зависимости от состава, условий кристаллизации и скорости охлаждения углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита Fe₃C — карбида железа или в структурносвободном состоянии в виде графита. Замедленное охлаждение способствует образованию графита, ускоренное охлаждение частично или полностью подавляет выделение графита и способствует образованию цементита.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, — процесс графитизации, так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной, перлитной, перлитно-ферритной и ферритной. Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит — структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун, способствуют графитизации, другие — препятствуют. Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремний, наименьшее — кобальт и медь.

Наличие цементита в сплаве придает излому светлый цвет. Поэтому чугун, в котором углерод находится в виде цементита, называется белым. Графит придает излому серый цвет, и такие чугуны называются серыми. Графитовые включения в серых чугунах имеют неблагоприятную пластинчатую форму. По структуре серый чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную прямолинейными графитовыми включениями, которые играют роль надрезов, ослабляющих металлическую основу сплава. Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4…3,8% углерода. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) должно быть не менее 2,4% углерода. Кремний, содержание которого в серых чугунах находится в пределах 1,2…3,5%, как графитизатор также оказывает большое влияние на свойства чугунов и действует в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения.

Графитовые включения мало влияют на предел прочности на сжатие и твердость, которые определяются преимущественно структурой металлической основы чугуна. Разрушающая нагрузка на сжатие в З…5раз выше, чем при растяжении. Поэтому чугуны используют для изделий, работающих главным образом на сжатие. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна, оказывая «смазывающее» действие. Кроме того, он улучшает обрабатываемость резанием, обусловливая получение сыпучей стружки. В связи с этим, если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться нс могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения ковких чугунов путем отжига отливок из белого чугуна. В результате графит приобретает хлопьевидную форму, которая меньше понижает прочность и пластичность металлической основы чугуна.

Для увеличения прочности чугуна графитовым включениям придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой, получая высокопрочный чугун. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность. Графит шаровидной формы значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна. В отличие от пластинчатого графита шаровидный графит не является концентратором напряжений. Эти чугуны, обладая хорошими литейными свойствами, высокой обрабатываемостью резанием и износостойкостью, вместе с тем имеют высокие механические свойства, аналогичные свойствам углеродистых сталей.

Таким образом, в зависимости от сгрукгурного состояния углерода и формы выделений графита чугуны классифицируют на четыре группы: серый (пластинчатый графит), ковкий (графит хлопьевидной формы), высокопрочный (шаровидный) и белый (без включений графита).

По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), срсднслсгированныс (2,5… 10%) и высоколегированные (свыше 10%). Наиболее широко используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.

Серый чугун выпускается по ГОСТ 1412–85 и маркируется буквами «СЧ» и цифрами, обозначающими предел прочности чугуна данной марки при растяжении (10 ¹ МПа). Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие две группы: 1) ферритные и ферритно-перлитные чугуны (СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18), имеющие временное сопротивление 100… 180 МПа; 2) перлитные чугуны (СЧ 21, СЧ 24, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35). Чугуны первой группы применяют для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10…30 мм. Так, чугун СЧ 10 используют для строительных колон, фундаментных плит, а чугуны СЧ 15 и СЧ 18 — для литых малонагруженных деталей сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей и тракторов, арматуры и других деталей. Чугуны второй группы применяют для ответственных отливок (станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей работающих на износ в условиях больших давлений, блоков двигателей, деталей металлургического оборудования и других деталей) с толщиной стенки до 60… 100 мм.

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7292−85) маркируют буквами «ВЧ» и цифрами, характеризующими предел прочности чугуна при растяжеНИИ (10 ¹ МПа) (ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70 и др.). Отливки из высокопрочного чугуна широко используют для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей в автои дизелестроении, для многих деталей прокатных станов в тяжелом машиностроении, для деталей в кузнечнопрессовом оборудовании и т. д.

Ковкие чугуны ГОСТ 1215–79 маркируют буквами «КЧ» и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении (10 ¹ МПа), вторые — относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов с ферритной металлической основой могут служить КЧ 30−6, КЧ 33−8, КЧ 35−10, КЧ 37−12 и с перлитной металлической основой — КЧ 45−7, КЧ 50−5, КЧ 60−3. Из отливок ковкого чугуна изготовляют в основном детали, работающие при ударных, вибрационных и высоких статических нагрузках. Например, картеры редукторов, ступи;

цы, крюки, скобы, вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, втулки, муфты, тормозные колодки и т. д. Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна.