Черные металлы

Железоуглеродистые сплавы с примесями марганца, кремния, серы, фосфора и некоторых других элементов принято называть черными металлами. В зависимости от содержания углерода они делятся на две группы: чугуны и стали.

Чугун

Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий небольшие количества кремния Si, марганца Mn, незначительные - серы S и фосфора P и так много углерода С, что он не поддается ковке. В отношении структуры к чугунам следует относить сплав, содержащий более 1,7 % углерода. Однако при сравнительно малом содержании других элементов и умелом проведении ковки сплав железа с углеродом ограниченно может коваться даже при содержании углерода до 3%.

Углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида железа (цементита) и в свободном состоянии - в виде графита. В соответствии с этим чугуны делятся на белые - передельные и серые - литейные. В белом чугуне почти весь углерод находится в состоянии карбида железа (Fe3C), обладающего высокой твердостью. Такие чугуны имеют мелкозернистое строение с серебристо-белой поверхностью в изломе, высокую твердость, трудно поддаются обработке резанием, плохо заполняют форму и поэтому используются в основном для выплавки сталей.

Сера и фосфор - вредные примеси. Сера придает хрупкость чугуну, делает его густотекучим и пузырчатым. Фосфор увеличивает хрупкость чугуна, но делает его жидкотекучим.

Серый чугун характерен образованием в нем пластинчатого графита, в виде которого находится часть углерода сплава. Серый чугун обладает высокими литейными свойствами, хорошо обрабатывается резанием, широко применяется в машиностроении.

В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде мелких пластинок графита. Последние, разделяя структуру чугуна и действуя как надрезы, значительно уменьшают его прочность и увеличивают его хрупкость. Такие чугуны имеют в изломе серый цвет, обладают хорошими литейными свойствами, почти не дают усадку в отливках и сравнительно легко обрабатываются резанием. Однако, имея в своем составе твердые зерна цемента, серые чугуны значительно ускоряют изнашивание инструмента, серые чугуны значительно ускоряют изнашивание инструмента, что не позволяет обрабатывать их с высокими скоростями резания.

Марки серого чугуна обозначаются буквами СЧ и числами, соответствующими его пределу прочности при растяжении в кгс/мм2.

В промышленности также применяются отливки из высокопрочных и ковких чугунов.

Высокопрочный чугун (ВЧ) характерен образованием в его структуре глобулярного графита, вследствие чего он приобретает высокие механические свойства. Высокопрочный чугун получают прибавлением к расплавленному чугуну присадка магния и ферросилиция, благодаря чему выделяющийся углерод приобретает шаровидную форму. Такой чугун обладает повышенной прочностью и пластичностью. Его применяют для деталей, работающих при значительных механических нагрузках.

Ковкий чугун (КЧ) производится путем отжига (томления) так называемого белого чугуна, в котором углерод находится только в виде цементита. В процессе отжига цементит разлагается на углерод отжига и феррит. Часть углерода выгорает. В результате из хрупкого и твердого чугун превращается в легкообрабатываемый и пластичный. В ковком чугуне графит имеет хлопьевидную форму. Этот чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна.

Такие чугуны обладают повышенной прочностью и пластичностью и по своим свойствам занимают промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Высокопрочные и ковкие чугуны маркируются буквами и цифрами: ВЧ - высокопрочный чугун, КЧ - ковкий чугун. Первые две цифры - предел прочности при растяжении в кгс/мм2 (1 кгс/мм2=9,608 МПа, 10МПа).

Антифрикционный чугун (АЧ) получается на основе серых, высокопрочных и ковких чугунов, применяется для изготовления подшипников трения скольжения и подобных изделий.

Марки чугунов составляются из прописных букв, обозначающих вид чугуна (СЧ, КЧ, ВЧ и АЧ), и чисел. У чугунов СЧ, КЧ и ВЧ первое число показывает значение предела прочности на растяжение а (кгс/мм2); второе число (имеется только у марок КЧ и ВЧ) - значение относительного удлинения 8 (%) на образце диаметром 16 мм, например: СЧ 25; ВЧ 42-12. Старое обозначение марок СЧ имело второе число, показывающее значение предела прочности при изгибе.

Числа твердости по Бринелю отливок из чугуна удовлетворительно характеризуют степень обрабатываемости: так, чугуны с твердостью НВ>260 относятся к труднообрабатываемым.