Классификация чугунов по состоянию углерода форме включений графита структуре металлической основы
Обновлено: 03.05.2024
Углерод в чугуне может находится в связанном состоянии в виде карбида, называемого цементитом (Fe3C), а также в частично или полностью свободном состоянии в виде графита. Состояние углерода в чугуне его прочностные свойства. 26
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
серый чугун - углерод находится в частично или полностью свободном состоянии в виде графитовых включений
белый чугун – весь углерод находится в виде цементита Fe3C;
Структура металлической матрицы (основы)
В зависимости от структуры металлической матрицы различают:
чугуны на ферритной основе (ферритные чугуны);
чугуны на феррито-перлитной основе (феррито-перлитные чугуны);
чугуны на перлитной основе (перлитные чугуны).
Структура металлической матрицы зависит от скорости охлаждения изделия. По повышению скорости охлаждения и, соответственно образованию структурных составляющих металлической матрицы, чугуны можно расположить в следующей последовательности: ферритные, феррито-перлитные, перлитные. При самых высоких скоростях охлаждения образуется белый чугун (структура – ледебурит).
Форма графитовых включений
Графитовые включения имеют следующую форму:
пластинчатый графит (рис.1, а);
хлопьевидный графит (рис.1, б);
шаровидный (глобулярный) графит (рис.1, в);
вермикулярный графит (рис.1, г)
Графитовые включения являются концентраторами напряжений. Чем острее концентратор напряжений, тем при меньших нагрузках происходит разрушение изделия. Поэтому форма графитовых включений определяет прочность чугуна. Пластины графита обладают острыми краями по сравнению с другими формами графитовых включений. В связи с этим, наименьшей прочностью обладают чугуны с пластинчатой формой
графитовых включений, а наибольшей – с шаровидной (глобулярной). Чугуны с хлопьевидным и вермикулярным графитом занимают промежуточное положение.
Классификация цветных металлов и сплавов
Алюминий и его сплавы
Медь и еѐ сплавы
Титановые сплавыТитановые сплавы разделяются на литейные и деформируемые. Наиболее известны литейные сплавы ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ9Л
Металлургия– область науки или отрасль промышленности, охватывающая различные процессы получения металлов из руд и других материалов, а также процессы, способствующие улучшению свойств металлов и сплавов.
Железная руда
Fe обладает высоким сродством к кислороду и поэтому в природе встречается в виде окислов (Fe2O3 и Fe3O4), входящих в состав минералов; помимо окислов Fe в состав минералов входит пустая порода (Al2O3, SiO2, MnO, CaO).
Механическая смесь окислов железа и пустой породы называется железной рудой.
В зависимости от содержания добываемого элемента в руде все руды делятся на богатые (добываемого элемента более 45%) и бедные (добываемого элемента от 30% до 45%). Месторождения с содержанием добываемого элемента менее 30% не разрабатываются.
Обогащение руды
Обогащение руды применяется для удаления пустой породы с целью повышения концентрации железосодержащих элементов:
1. Промывка руды водой (руду подвергают действию струи воды ,которая уносит часть легкой пустой породы).
2. Гравитационная осадка (руду помещают на дно вибрирующего сита и подвергают воздействию струи воды; тяжелые составляющие руды остаются на сите, легкие пустая порода уносятся водой).
3. Магнитная сепарация (измельчѐнную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы и отделяющего их от пустой породы). Можно обогащать только руды, содержащие магнитные материалы.
В результате обогащения получается концентрат с содержанием Fe около 60%.
Чугун. Марки, свойства и применение чугунов
Чугун — самый распространенный железоуглеродистый нековкий литейный материал, содержащий свыше 2% углерода, до 4,5% кремния, до 1,5% марганца, до 1,8% фосфора и до 0,08% серы. В практике применяют чугуны, содержащие 3÷3,5% углерода.
Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Он хорошо обрабатывается резанием. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения. Специально обработанный чугун (высокопрочный) по показателям качества успешно конкурирует со стальным литьем и кованой сталью.
Недостаточная прочность и большая хрупкость чугуна объясняются наличием в нем крупных включений углерода в виде графита.
Введение в жидкий чугун небольшого количества магния и церия изменили форму графита, он стал шаровидным. Чугун приобрел прочность и утратил хрупкость. Такой чугун (его называют высокопрочным) по-своему качеству не уступает конструкционным углеродистым сталям. Стойкость деталей, изготовленных из этого чугуна, увеличилась почти в три раза.
Углерод в чугунах может находиться в виде химического соединения — цементита (такие чугуны называют белыми) или частично или полностью в свободном состоянии в виде графита — (такие чугуны называют серыми).
Чугуны состоят из металлической основы (перлита, феррита) и неметаллических включений графита. Они различаются главным образом формой графитовых включений. Белый чугун имеет ограниченное применение. Некоторые отливки, от которых требуется повышенная твердость поверхностного слоя, изготовляют из отбеленного чугуна. Поверхностный слой его состоит из белого чугуна, а сердцевина — из серого. Величину и твердость отбеленного слоя регулируют путем изменения химического состава чугуна и скорости затвердевания отливки.
Чугун серый
Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. По виду металлической основы различают серые чугуны перлитные, перлитно-ферритные и ферритные.
Таблица 1. Чугуны серые литейные, их основные свойства и применение
Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает целостность металлической основы. Располагаясь между зернами металлической основы, графит ослабляет связь между ними. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет очень низкую пластичность и вязкость. Чем крупнее и прямолинейнее графитовые включения, тем хуже механические свойства чугуна. Твердость серого чугуна, а также его сопротивление сжатию близки к показателям стали, имеющей такую же структуру, как у металлической основы чугуна.
Графит оказывает и некоторое положительное влияние на свойства чугуна, в частности, он повышает его износостойкость, действуя аналогично смазке, повышает обрабатываемость резанием, так как делает стружку ломкой, способствует гашению вибраций изделий, уменьшает усадку при изготовлении отливок.
Механические свойства серого чугуна могут быть улучшены равномерным распределением мелкопластинчатого графита в отливке. Это достигается путем специальной обработки — модифицирования, когда в жидкий чугун перед его разливкой вводят добавки, которые образуют дополнительные центры графитизации, в результате чего получается мелкопластинчатый графит. Чугун с таким графитом называют модифицированным. От обычного серого чугуна он отличается более высоким сопротивлением разрыву, однако пластичность и вязкость его при модифицировании не улучшаются.
По ГОСТ 1412-85 буквы СЧ в обозначении марки чугуна означают — серый чугун. Двузначная цифра соответствует пределу прочности при растяжении σв МПа. Стандарт нормирует предел прочности серых чугунов σв = 274÷637 МПа, твердость — 143÷637 НВ и химический состав.
Основные свойства серого чугуна и его применение приведены в таблице 1.
Чугун высокопрочный с шаровидным графитом
Высокопрочный чугун получают путем введения магния (до 0,9%) и церия (до 0,05%) в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы. Основная часть этих модификаторов испаряется, окисляется и переходит в шлак, так что в твердом металле обнаруживается не более 0,01% этих элементов. Магний и церий активно удаляют из чугуна серу. Но главная роль их заключается в том, чтобы изменить чешуйчато-пластинчатую форму графита на шаровидную. После модифицирования чугуна магнием или церием в ковш добавляют 75%-ный ферросилиций (сплав железа с кремнием). В отличие от модифицированного серого чугуна высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца.
Металлическая основа высокопрочного чугуна состоит из феррита и перлита или только из перлита. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. Он обладает сравнительно высокой прочностью при достаточной пластичности и вязкости. Высокопрочный чугун с успехом заменяет стальное литье и даже стальные поковки, что дает большой экономический эффект. Изделия из высокопрочного чугуна благодаря его повышенной износостойкости могут работать в условиях трения. Высокопрочный чугун лучше, чем серый, сохраняет свою прочность при нагреве, поэтому может применяться для работы при температурах до 400°С (серый чугун выдерживает температуру до 250°С).
ГОСТ 7293-85 нормирует предел прочности σв, предел текучести σт, относительное удлинение δ и твердость НВ высокопрочных чугунов. Требования к отливкам из этих чугунов устанавливаются нормативно-технической документацией. Принцип маркировки высокопрочных чугунов (ВЧ) отличается от маркировки серых чугунов. В обозначение их марки входят два числа — первое указывает предел прочности на разрыв, второе — относительное удлинение. Например, марка чугуна ВЧ 42-12 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 412 Н/мм 2 (42 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =12%.
Из высокопрочных чугунов изготовляют многие детали (в том числе фасонные), которые ранее получали из стали, базовые и корпусные детали повышенной прочности (корпуса и станины станков, крупные планшайбы, гильзы, каретки, цилиндры, кронштейны, зубчатые колеса, накладные направляющие станков и детали с поверхностной закалкой). Они заменяют стали Сталь 20Л, 25Л, ЗОЛ и 35Л.
Чугун ковкий
В структуре ковкого чугуна графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит называют углеродом отжига. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. Свое название он получил потому, что имеет повышенную пластичность. Ковке в прямом понимании этого слова чугун не подвергается.
Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две стадии: изготовление фасонных отливок из белого чугуна и отжиг полученных отливок с целью графитизации цементита. При отжиге происходит разложение цементита белого чугуна с образованием графита хлопьевидной формы. В результате этого хрупкие и твердые отливки становятся пластичными и более мягкими. В зависимости от условий и режима отжига структура чугуна может иметь ферритную (Ф), перлитную (П) и ферритно-перлитную металлическую основу. Наибольшее распространение получил пластичный ферритный ковкий чугун. Отжиг ковкого чугуна-весьма продолжительный процесс, занимающий 70-80 ч. Однако его можно ускорить путем закалки отливок из белого чугуна перед графитизацией, а также модифицированием чугуна алюминием, бором, висмутом или титаном. Существуют и другие способы ускорения процесса отжига. Использование указанных способов позволяет сократить продолжительность отжига до 35-40 ч.
Таблица 2. Чугуны ковкие, их основные свойства и применение
эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках
(хомутов, гаек, вентилей, деталей сельскохозяйственных машин,
глушителей, фланцев, муфт, тормозных деталей, педалей,
умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами.
Из них получают вилки карданных валов, шестерни, червячные колеса,
поршни, подшипники, звенья и ролики конвейерных цепей, втулки,
По ГОСТ 1215-79 маркируется ковкий чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Например, марка чугуна КЧ 33-8 означает, что данный чугун имеет предел прочности σв = 32.4 Н/мм 2 (33 кгс/мм 2 ) и относительное удлинение δ =8 %.
Отливки из ковкого чугуна можно получить с сечением до 55 мм. При большем сечении в сердцевине отливок образуется пластинчатый графит и чугун становится не пригодным для отжига. В машиностроении чаще применяют высокопрочный чугун, который получают при менее сложных и более дешевых технологических процессах, чем процессы производства ковкого чугуна.
Основные свойства ковкого чугуна и его применение приведены в таблице 2.
Чугун легированный
Свойства чугуна можно улучшить путем введения в его расплав легирующих элементов, оказывающих благоприятное влияние не только на его металлическую основу, но также на форму и размеры графитных включений, способствующих значительному измельчению структуры чугуна.
Требования к легированным чугунам для отливок с повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью или жаропрочностью регламентированы ГОСТ 7769-82. По основному легирующему элементу чугуны со специальными свойствами подразделяют на пять видов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, маркируется легированный чугун по тому же принципу, что и высокопрочный. Буква Ч означает чугун, буква Ш — шаровидная форма графита, буквы русского алфавита, соответствующие легирующим химическим элементам, и цифры после букв означают приблизительное содержание легирующих элементов в целых процентах. Например, марка чугуна ЧХ16 означает, что данный легированный чугун содержит хрома 16%.
Основные свойства легированного чугуна и его применение приведены в таблице 3.
Таблица 3. Чугуны легированные, их основные свойства и применение
Свойства и применение чугунов
Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14%С, называются чугунами.
В отличие от стали чугуны имеют более высокое содержание углерода, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами. Их технологические свойства обусловлены наличием эвтектики в структуре.
Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20% всего выплавляемого чугуна используют для изготовления литья. В литейном чугуне обычно содержится не более 4,0% С. Кроме углерода обязательно присутствуют примеси S, P, Mn, Si, причем в значительно большем количестве, чем в стали.
В зависимости от формы выделения углерода различают следующие виды чугунов.
1. Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C. Чугун в изломе имеет белый цвет и характерный блеск.
2. Половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде цементита. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.
3. Серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в связанном состоянии в виде цементита составляет не более 0,8%.
4. Чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого чугуна. Отбеленный слой получают в толстостенных массивных деталях при литье их в металлические формы. По мере удаления от поверхности вследствие уменьшения скорости охлаждения структура белого чугуна постепенно переходит в структуру серого. Чугун поверхностного слоя в микроструктуре содержит много твердого и хрупкого цементита, который хорошо сопротивляется износу. Поэтому чугуны с отбеленной поверхностью используются для деталей с высокой износостойкостью , для валков прокатных станов, вагонных колес с отбеленным ободом, лемехи плугов с отбеленным носком и лезвием.
5. Высокопрочные чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму.
6. Ковкие чугуны, в которых углерод находится в виде хлопьевидного графита, получаются из белых чугунов путем отжига.
6.2 Процесс графитизации чугунов.Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждения сплавов железа с углеродом. Графит может образовываться как из жидкой фазы при затвердевании чугуна, так и из твердой. Образование графита иллюстрирует диаграмма состояния Fe-C. Ниже линии C ’ D’ образуется первичный графит, по линии Е’С’F’ – эвтектический графит и по линии P’S’K’ – эвтектоидный графит.
Графитизация чугуна зависит от ряда факторов. К ним относятся присутствие в чугуне центров графитизации, скорость охлаждения и химический состав чугуна.
Образование графита в затвердевшем чугуне энергетически маловероятно, так как рост свободной энергии при образовании новой межфазной поверхности больше, чем ее уменьшение при кристаллизации. Работа образования зародышей графита облегчается при наличии центров графитизации – различных мельчайших включений и примесей, взвешенных в жидкой фазе и аустените. Такие мельчайшие частицы могут состоять из оксидов Al2O3, SiO2, нитридов типа AlN или представлять собой нерастворившиеся частицы
графита. Параметры кристаллической решетки центров графитизации должны быть близки к параметрам кристаллической решетки графита.
Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна является диффузионным процессом и протекает медленно. Значительная длительность процесса графитизации обусловлена необходимостью реализации нескольких стадий: образование центров графитизации в жидкой фазе или аустените, диффузии атомов углерода к центрам графитизации и роста выделений графита. При графитизации цементита добавляется необходимость предварительного распада цементита и растворения углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.
В одной и той же отливке чугун может иметь различную структуру. В тонких частях отливки, где выше скорость кристаллизации и охлаждения, чугун имеет меньшую степень графитизации, чем в массивных. -2-
Быстрое охлаждение способствует получению белого чугуна, медленное – серого чугуна. В некоторых случаях для достижения высокой твердости и сопротивления износу специально получают отбеленную зону в чугунной отливке.
Из примесей, входящих в состав чугуна, наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний. Содержание кремния в чугуне может состовлять от 0,5 до 4-5%. Меняя содержание кремния, можно получать чугуны, совершенно различные по структуре и свойствам. По приведенной на рис. 2 диаграмме можно прогнозировать структуру в зависимости от содержания углерода и кремния, а также толщины отливки.
Из других элементов, входящих в состав чугуна, наиболее важную роль играют марганец, сера и фосфор. Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Содержание марганца в чугуне обычно не превышает 0,5-1,0%.
Рис. 2. Структурные диаграммы для чугунов:
а – влияние содержания углерода и кремния на структуру чугуна при толщине стенки отливки 50 мм; б – влияние скорости охлаждения (толщины стенки отливки) и суммы С + Si на структуру чугуна; I – белые; II – серые перлитные; III – серые ферритные чугуны
Сера – вредная примесь в чугуне. Ее отбеливающее влияние в 5-6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин.
Роль примеси фосфора в чугуне существенно отличается от действия, которое он оказывает в стали. Хотя фосфор почти не влияет на графитизацию, он является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980ºC) фосфидной эвтектики.
Обычно используют чугуны следующего химического состава,%: 3,0-3,7 С,
1-3 Si, 0,5-1,0 Mn, менее 0,3 Р и 0,15 S. Иногда в чугун вводят легирующие элементы (Ni, Cr и другие), улучшая его свойства.
Таким образом, основными факторами, определяющими степень графитизации чугуна, является содержание углерода, кремния и скорость охлаждения. Регулируя химический состав и скорость охлаждения в соответствии с диаграммой на рис.2,б, можно получить в отливке нужную структуру чугуна.
6.3. Микроструктура и свойства чугуна.Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и графитных включений. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера включений графита. Металлическая основа может быть перлитной, когда 0,8% С находится в виде цементита, а остальной углерод – в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8%, и ферритной. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.
Графит чугуна бывает пластинчатым (серый чугун), хлопьевидным (ковкий чугун) и шаровидным (высокопрочный чугун). На рис.3 обобщена классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита.
Рис. 3. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитных включений (схемы структур)
Микроструктура чугунов показана на рис.4-7. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому места его залегания можно считать нарушениями
сплошности. Таким образом, чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Поэтому серый чугун имеет низкие характеристики механических свойств (σВ, δ,Ψ ) при испытаниях на растяжение.
Рис. 4 Различные формы графита в чугуне:
а – пластинчатый (серый чугун); б – хлопьевидный (ковкий чугун); в – шаровидный (высокопрочный чугун)
Рис. 5. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а); ферритно-перлитной (б) и перлитной (в) основах
Включения графита играют роль концентраторов напряжений, поэтому работа удара близка
к нулю. Вместе с тем твердость и прочность при испытаниях на сжатие, зависящие от свойств металлической основы, у чугуна достаточно высоки.
Однако серый чугун с пластинчатой формой графита имеет ряд преимуществ. Он позволяет получать дешевое литье, так как при низкой стоимости обладает хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Включения графита делают стружку ломкой, поэтому чугун легко обрабатываются резанием. Благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами. Чугун имеет высокие демпфирующие свойства, он хорошо гасит вибрации и резонансные колебания.
Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение. Марки и механические свойства серых чугунов, а также их ориентировочный химический состав приведены в табл.1.
Рис. 7. Микроструктура ковких чугунов на ферритной (а); ферритно-перлитной (б) и перлитной (в) основах.
По мере округления графитных включений их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается, и механические свойства чугунов растут. Округленная форма графита достигается модифицированием. Модификатором служат SiCa, FeSi, Al, Mg.
При использовании в качестве модификатора магния, вводимого перед разливкой в количестве 0,5%, получают высокопрочный чугун с шаровидной формой включений графита. Действие магния объясняют увеличением поверхностного натяжения графита и образованием микропузырьков пара, в которые диффундирует углерод.
Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, характеризующими величину временного сопротивления, например ВЧ 35. Механические свойства некоторых высокопрочных чугунов приведены в табл.2.
Таблица 2
Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали: зубчатые колеса, коленчатые валы.
Название ковкие чугуны условно, изделия из них получают литьем, и пластической деформации они не подвергаются. Ковкий чугун получают из белого путем графитизирующего отжига (рис.8).
Рис. 8. Микроструктура высокопрочных чугунов на ферритной (а) и ферритно-перлитной (б) основах.
Графит в ковком чугуне имеет форму хлопьев. Состав ковкого чугуна, %, довольно стабилен: 2,2 –3,0С; 0,7-1,5Si, 0.2-0.6 Mn, 0.2 P, 0.1 S. Из-за низкого содержания углерода ковкий чугун обычно выплавляют в электропечах. После заполнения форм отливки быстро охлаждают и получают структуру белого чугуна.
Затем отливки подвергают длительному отжигу (до 2 суток) – томлению (рис. 9) предохраняя их от окисления печными газами засыпкой песком и др.
Рис. 9 Схема отжига белого чугуна на ковкий чугун.
В результате отжига структура состоит из зерен феррита и перлита и хлопьев графита. Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами временного сопротивления и относительного удлинения, например, КЧ 35-10.
В табл.3 приведены марки, механические свойства и химический состав некоторых ковких чугунов. Отливки из ковких чугунов применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках (картеры, редукторы, фланцы, муфты).
6.4. Легированные чугуны.В промышленности широко применяют легированные чугуны, которые обладают повышенной жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью.
Жаростойкость серых чугунов может быть повышена легированием кремнием (ЧС5) и хромом (ЧХ28). В качестве жаропрочных используют аустенитные чугуны с шаровидным графитом (ЧН19Х3Ш). Для
повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу при 1020-1050ºC с охлаждением на воздухе и последующему отпуску при 550-600ºC.
В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ЧС13) и хромом (ЧХ22).
Буквы в обозначении марок антифрикционных чугунов означают: АЧ –; С – серый чугун;
В- высокопрочный чугун; К- ковкий чугун, например, АЧС-1. Твердость отливок из антифрикционных чугунов (100-290 НВ) зависит от содержания легирующих элементов и условий термообработки.
Вопросы к теме 6. Свойства и применение чугунов.
1.Какие сплавы называют чугунами? Чем они отличаются от стали?
2.В каких печах выплавляют чугуны? Каковы особенности и области применения чугунов, выплавленных в разных печах?
3. Какой чугун называют белым?
4.Какой чугун называют серым?
5. Какой чугун называется чугуном с отбеленной поверхностью? Как его получают и где применяют?
6.Какой чугун называют высокопрочным?
7. Какой чугун называют ковким?
8.Какой процесс называют графитизацией?
9. От каких факторов зависит графитизация чугуна?
10. Объясните влияние присутствия центров кристаллизации?
11. Объясните влияние скорости охлаждения?
12. Объясните влияние химического состава?
13.Какие факторы препятствуют графитизации?
14.Какова роль фосфора?
15. От каких факторов зависят свойства чугуна? .
16. Какой может быть основа чугуна?
17. Какой может быть форма графитовых включений?
18.Охарактеризуйте свойства серого чугуна, его преимущества и недостатки.
18. Как маркируют серый чугун?
19. Охарактеризуйте свойства высокопрочного чугуна, метод получения и области применения, маркировку.
20. Охарактеризуйте свойства ковкого чугуна, метод получения и области применения, маркировку.
Классификация чугунов
Чугуны можно классифицировать по различным признакам:
- по содержанию углерода;
- по состоянию углерода;
- по наличию легирующих элементов и другим.
По содержанию углерода чугуны делят на доэвтектические содержащие от 2,14 до 4,3% С, эвтектический, в котором углерода содержится 4,3% и заэвтектические, содержащие углерода более 4,3%.
Углерод в чугунах может находиться как в свободном состоянии – в виде графита, так и в связанном – в виде цементита. Выделение углерода в виде графита называют графитизацией. По состоянию углерода чугуны делят на белые и графитизированные.
В белых чугунах углерод находится в связанном состоянии – в виде цементита Fe3C. Наличие большого количества цементита и отсутствие выделений графита делают излом таких чугунов светлым как у стали, поэтому они и получили название белые. Структура эвтектического белого чугуна состоит из эвтектики, называемой в честь немецкого учёного Ледебура - ледебуритом. Ледебурит в момент образования представляет гетерогенную смесь аустенита и цементита, в которой цементит является матричной фазой. При охлаждении ниже температуры эвтектоидного превращения аустенит преобразуется в перлит. Таким образом, при комнатной температуре ледебурит представляет смесь колоний перлита и цементита. Под микроскопом он выглядит в виде множества тёмных пятен перлита на светлом фоне цементита.
В структуре доэвтектического белого чугуна кроме ледебурита присутствуют весьма крупные колонии перлита, образовавшиеся на месте кристаллов аустенита, выделение которых предшествовало эвтектической реакции. В расположении этих крупных перлитных колоний можно заметить некоторую закономерность, свидетельствующую о дендритном строении первичных кристаллов аустенита.
В отличие от доэвтектического в заэвтектическом белом чугуне на фоне ледебурита наблюдаются крупные светлые кристаллиты цементита первичного, имеющие обычно игольчатую форму.
 | Доэвтектический белый чугун |
 | Эвтектический белый чугун. Ледебурит (перлит в цементите) |
 | Заэвтектический белый чугун. Цементит первичный и ледебурит |
Рисунок 6 - Схемы структур белых чугунов
Рисунок 7 - Микроструктура доэвтектического белого чугуна
Темные участки- это перлит. Светлый фон – цементит. Крупные колонии перлита окружены цементитом вторичным, который выделился из зёрен аустенита в процессе охлаждения в интервале от 1147 о С до 727 о С. Закономерное расположение этих перлитных колоний указывает на дендртное строение кристаллов аустенита, выделившихся из жидкой фазы при первичной кристаллизации чугуна.
Белые чугуны из-за большого количества твёрдой и хрупкой фазы – цементита тверды и хрупки, очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они для изготовления деталей машин почти не применяются.
Обычно детали машин делают из графитизированных чугунов, в которых углерода в связанном состоянии (в виде цементита) не более 0,8%.
Остальное количество углерода в графитизированных чугунах присутствует в свободном виде – в виде кристаллитов графита. При разрушении чугуна свободный углерод обнажается в изломах и придаёт им серую матовую окраску, устраняет металлический блеск. Поэтому графитизированные чугуны получили название – серые.
Кристаллиты графита в графитизированных чугунах могут иметь различную геометрическую форму: пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную и шаровидную. Металлическая основа чугунов тоже бывает различной: перлитной, перлитно-ферритной и ферритной.
Структура металлической основы, форма выделений графита, его количество размеры и расположение оказывают большое влияние на свойства чугуна. С увеличением доли перлита в металлической основе возрастают твердость, износостойкость, прочность, снижается пластичность.
Формой графита в большей степени определяются показатели пластичности. Схемы различных структур графитизированных чугунов представлены на рисунке 4.
| Металлическая основа | Форма графитных включений | ||||
| Пластинчатая | Вермикулярная | Хлопьевидная | Шаровидная | ||
| Феррит | твердость | ||||
| Феррит + перлит | |||||
| Перлит | |||||
| направление возрастания пластичности |
Рисунок 8 - Схемы структур графитизированных чугунов
Для деталей машин используют обычно доэвтектические графитизированные чугуны, в которых количество углерода в виде карбида Fe3C (цементита) находится не более 0,8%. Остальное количество углерода в них находится в виде свободного графита. Свободный углерод обнажается в изломах и придает их серую матовую окраску, поэтому такие чугуны называют серыми.
Формирование структуры чугуна существенно зависит от химического состава и скорости охлаждения.
Для образования зародышей цементита требуется меньше энергии, чем для образования зародышей графита. Поэтому в обычных условиях, несмотря на то, что графит является более устойчивой фазой, чем цементит, при первичной кристаллизации из жидкого чугуна выделяется эвтектика ледебуритная (смесь аустенита с цементитом), а не графитная (аустенит +графит).
Технические чугуны в своем составе кроме железа и углерода содержит 1-2% кремния, а так же марганец, серу и фосфор. Наличие кремния и снижение скорости охлаждения облегчают процесс графитизации.
Металлическая основа графитизированных чугунов эвтектоидного превращения состоит из феррита и перлита в разных пропорциях и может быть перлитной, ферритно–перлитной, или только ферритной (рисунок 4).
Графит хрупок и непрочен, и присутствуя в чугуне, ослабляет его металлическую основу. Его включения можно рассматривать как пустоты, вблизи которых в металлической основе под нагрузкой происходит концентрация напряжений. Эта концентрация определяется геометрической формой дефектов – графитовых включений и может быть количественно оценена коэффициентом концентрации напряжений
где: l – длина дефекта (наибольший размер);
r – радиус закругления в вершине дефекта.
Кристаллы графита в чугунах могут иметь, в зависимость от условий образования, пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную и шаровидную форму. Форма выделений графита, его количество, размеры и расположение, а также его строение металлической основы оказывают большое влияние на свойства чугунов. Показатели прочности, твердость, износостойкость возрастают с увеличением доли перлита в металлической основе, а показатели пластичности определяются главным образом формой графитовых включений.
По форме графитовых кристаллитов чугуны разделяются на серые, ковкие, высокопрочные и чугуны с вермикулярным графитом. В обычных серых чугунах графит выделяется при первичной кристаллизации отливок при их медленном охлаждении. Выделения графита вырастают в окружении жидкой фазы и приобретают форму искривленных пластинок. На фотографии структуры они выглядят в виде длинных криволинейных темных полос.
Пластинчатые выделения ослабляют чугун в наибольшей степени. Чугун с такими выделениями даже при пластинчатой ферритной основе разрушается хрупко. Относительное удлинение после разрушения около 0,5%. Особенно ослабленным оказывается чугун, в котором выделения графита образуют замкнутый скелет. Серые чугуны технологичнее и дешевле сталей, поэтому широко используются для изготовления многих деталей, особенно при эксплуатации сжимающие нагрузки.
Ковкий чугун получают путем длительного отжига отливок со структурой белого чугуна. При отжиге цементит Fe3C разлагается на Fe и C и выделяющийся графит приобретает компактную хлопьевидную форму. Чугун с таким графитом проявляет пластичность (относительное удлинение от 2 до 12%) и применяется для тонкостенных деталей подвергаемых даже динамическим нагрузкам.
Еще компактней выделения графита в высокомолекулярных чугунах, в которых, используя модифицирование церием или магнием, удается получить непосредственно при первичной кристаллизации шарообразные кристаллиты графита. Высокопрочный чугун широко используется взамен литых стальных заготовок, особенно для деталей сложной конфигурации.
Половинчатые чугуны. Половинчатыми называют графитизированные чугуны, в которых наряду с графитом присутствуют признаки ледебурита или цементита вторичного, рисунок 4. В этом случае количество углероды в связанном состоянии превышает 0,8%.
Рисунок 9 - Чугун половинчатый
Половинчатые чугуны более твердые и износостойкие, но и более хрупкие, чем перлитные серые. Они трудно обрабатываются лезвийным инструментом и применяются лишь в особых случаях. Чаще половинчатость расценивается как литейный брак. На рисунке 9 видны на светло-сером фоне металлической основы черные выделения глобулярного графита и светлые продолговатые кристаллиты цементита. Шлиф не травлен.
В технических чугунах с повышенным содержанием фосфора может наблюдаться фосфидная эвтектика Fe3P-Fe, располагающиеся обычно в виде небольших островков между колониями перлита. Фосфидная эвтектика улучшает жидкотекучесть чугуна и повышает его износостойкость.
Чугун с вермикулярным графитом, получают благодаря регламентированному модифицированию силикокалицием, церием, магнием или магнийцериевой и другими лигатурами. Вермикулярный графит отличается от пластинчатого меньшей степенью неравномерности, меньшими размерами и округлой формой кромок. По механическим свойствам он занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным.
Специальные чугуны. Для придания чугунным деталям более высоких механических свойств используют чугуны, легированные хромом, никелем, ванадием и другими элементами. Легирование в сочетании с термической обработкой расширяет рамки изменения структуры и свойств чугунов и области применения этих технологических сплавов.
Читайте также: