2.2 Материалы, применяемые для производства отливок

2.2.1 Чугуны

Чугун – наиболее распространенный материал для изготовления отливок (около 80% от их общего объема), содержащий до 3…3,5% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. Широкое распространение чугун получил благодаря хорошим технологическим свойствам и относительной дешевизне по сравнению с другими литейными сплавами.

Эксплуатационные и технологические свойства чугунов зависят от характеристик металлической основы (прочность, пластичность, твердость и др.), а также формы, размеров и расположения углеродных включений в его структуре. Применяются графитированные чугуны: серые, ковкие и высокопрочные. С целью придания чугунам специальных свойств в них вводят различные легирующие элементы.

2.2.1.1 Серый чугун – наиболее дешевый литейный сплав. Химический состав и механические свойства отливок регламентируется ГОСТ 1412-79. Обладает приемлемыми механическими свойствами для изготовления деталей широкого конструктивного назначения, коррозионно- и жаростоек, имеет относительно низкую температуру плавления и очень хорошие литейные свойства. Жидкотекучесть серого чугуна значительно лучше, чем у стали, величина усадки в пределах 0,9 – 1,3%, что важно для получения отливок без усадочных раковин, трещин, коробления и других дефектов.

В серых чугунах графитовые включения пластинчатой формы действуют на металлическую основу как внутренние надрезы и соответственно концентраторы напряжений. В связи с этим серые чугуны имеют низкие показатели прочности и пластичности, непригодны для изготовления деталей, подвергаемых ударным нагрузкам. В то же время они имеют низкую чувствительность к внешним надрезам, выполненным на поверхностях деталей канавкам, выточкам и другим конструктивным элементам-концентраторам напряжений.

Серый чугун обладает способностью рассеивания вибраций, поэтому из него отливают станины станков, компрессоров, двигателей.

Серые чугуны подразделяют на две группы: конструкционные и со специальными свойствами. Конструкционные чугуны используют для получения отливок деталей машин (до 80% всех чугунных отливок). Качество конструкционного чугуна оценивается главным образом показателями механических свойств (таблица 2.4).

Потребителями чугунного литья являются такие отрасли машиностроения, как автомобильная, тракторная, сельскохозяйственная, станкостроительная. Изготавливаются маховики, шкивы, фланцы, корпуса насосов, редукторов, коробок скоростей, станины станков и прессов, разметочные и контрольные плиты и др.

Таблица 2.4 – Характеристики механических свойств серых чугунов

Марка чугуна	σв, МПа, не менее	НВ		Марка чугуна	σв, МПа, не менее	НВ
СЧ10	100	120…205		СЧ25	250	156…260
СЧ15	150	130…240		СЧ30	300	163…270
СЧ20	200	143…255		СЧ35	350	180…290

Для отливок со специальными свойствами используют такие свойства чугуна, как жаростойкость, коррозионную стойкость, специальные электромагнитные свойства (при дополнительном легировании).

2.2.1.2 Высокопрочный чугун с шаровидной формой графита обладает высокой пластичностью и прочностью (таблица 2.5), он широко используется как конструкционный материал современного машиностроения. Химический состав и механические свойства отливок регламентируется ГОСТ 1215-79. Например, из чугуна ВЧ45-5 (σ_в ≈ 450 МПа, δ, % ≈ 5) изготавливают ответственные тяжелонагруженные детали: крупные коленчатые валы, прокатные валки, зубчатые колеса прокатного и кузнечно-прессового оборудования.

Таблица 2.5 – Характеристики механических свойств высокопрочных чугунов (выборочно)

Марка чугуна	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	НВ
	не менее
ВЧ35	350	220	22	140…170
ВЧ45	450	310	10	140…225
ВЧ60	600	370	3	190…280
ВЧ80	800	480	2	250…350
ВЧ100	1000	700	2	270…360

По литейным свойствам высокопрочные чугуны приближаются к сталям, т. е. имеют пониженную жидкотекучесть, повышенную усадку и, следовательно, склонность к образованию литейных дефектов. Себестоимость отливок из высокопрочного чугуна в среднем на 25% ниже себестоимости отливок из углеродистой стали и в 3 – 4 раза ниже стоимости стальных поковок. В то же время тонна отливок из высокопрочного чугуна на 20% дороже тонны отливок из серого чугуна, поэтому применение высокопрочного чугуна вместо серого оправдано, если снижается масса детали или увеличивается срок ее службы.

2.2.1.3 Ковкие чугуны являются в основном конструкционным материалом, используемым для получения мелких тонкостенных отливок с толщиной стенок не более 40…50 мм для сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов, арматуры, фитингов и других деталей массового производства. Например, из ковкого чугуна марки КЧ37-12 (σ_в ≈ 370 МПа, δ, % ≈ 12) изготавливают детали автомобилей: задний мост, ступицы, кронштейны. Химический состав и механические свойства отливок регламентируется ГОСТ 7293-79.

Благодаря хлопьевидной форме графита ковкий чугун обладает достаточно высокой прочностью и пластичностью, занимая промежуточное положение между серым чугуном и сталью.

Механические свойства ряда ковких чугунов приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 – Характеристики механических свойств ковких чугунов (выборочно)

Марка чугуна	σв, МПа	δ, %	НВ
	не менее
КЧ30-6	295	6	100…163
КЧ37-12	365	12	110…163
КЧ50-5	490	5	170…230
КЧ60-3	590	3	200…270
КЧ80-1,5	785	1,5	270…320

Ковкий чугун ферритного класса (КЧ30-6, КЧ35-10, КЧ37-12) обладает повышенной пластичностью, сопротивляемостью ударным нагрузкам и однородностью механических свойств по сечению отливок.

Для ковкого чугуна перлитного класса (КЧ45-7, КЧ60-3 и др.) характерны высокая прочность и износостойкость, средняя пластичность, хорошие антифрикционные свойства.

Однако ковкий чугун обладает более низкими литейными свойствами, чем серый, в частности пониженной жидкотекучестью, большей усадкой и склонностью к трещинообразованию.