Виды чугуна. Чугуны (белый, серый, высокопрочный, ковкий). Получение, структура, маркировка, область применения

Сплав железа с углеродом называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна (см. рис. 87) обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие чугуны: серый, высокопрочный и ковкий (см. рис. 101 и 102).

1. СЕРЫЙ И БЕЛЫЙ ЧУГУНЫ

Серый чугун (технический) представляет собой, по существу, сплав содержащий в качестве постоянных примесей и . В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок (см. рис. 88). Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие . 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 .

Кремний, содержание которого в серых чугунах находится в пределах оказывает большое влияние на строение, а следовательно, и на свойства чугунов, поэтому при изучении структурообразования в техническом чугуне нужно пользоваться не диаграммой состояния а тройной диаграммой

Рис. 99. Диаграмма состояния жидкая фаэа; А - аустенит; Г - графит

Разрез тройной диаграммы состояния для постоянного содержания кремния показан на рис. 99. В отличие от стабильной диаграммы (см. рис. 87) в системе перитектическое эвтектическое и эвтектоидное превращения протекают не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур.

Величинатемпературного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от содержания кремния. Чем больше содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур.

Охлаждение чугуна в реальных условиях вносит существенные отклонения от условий равновесия. Структура чугуна в отливках зависит в первую очередь от химического состава (содержания углерода и кремния) и скорости кристаллизации.

Кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния, а с другой - скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна. Структурная диаграмма для чугунов, показывающая, какой должна быть структура в отливке с толщиной стенки 50 мм, в зависимости от

Рис. 100. Структурные диаграммы для чугунов: а - влияние С и на структуру чугуна; б - влияние скорости охлаждения (толщины отливки) и суммы на структуру чугуна; белые чугуны; - серые чугувы

Рис. 101. Структура чугуна, а - белый чугун; б - перлитный серый чугун; в - ферритно-перлитный серый чугун; ферритный серый чугун

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают:

1. Белый чугун (рис. в котором весь углерод находится в виде цементита Структура такого чугуна - перлит, ледебурит и цементит (рис. 100, а, I и 101, а).

2. Половинчатый чугун (рис. большая часть углерода находится в виде Структура такого чугуна -1 перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

3. Перлитный серый чугун (рис. 100, а, III) структура чугуна (рис. 101, б) - перлит и пластинчатый графит. В этом чугуне 0,7-0,8 % С находится в виде входящего в состав перлита.

4. Ферритно-перлитный (рис. 100, а, IV) серый чугун. Структура такого чугуна (рис. 101, в) - перлит, феррит и пластинчатый графит (составы см. на рис. 100, а, III). В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1 %.

5. Ферритный серый чугун (рис. 100, а, V). Структура (рис. 101, г) - феррит и пластинчатый графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита.

При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация (рис. 100, б).

Следовательно, содержание кремния надо увеличивать в отливке небольшого сечения, охлаждающейся ускоренно, или в чугуне с меньшим содержанием углерода. В толстых сечениях отливок, охлаждающихся медленнее, графитизация протекает полнее и содержание кремния может быть меньше. Количество марганца в чугуне не превышает Марганец препятствует графитизации, т. е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию - появлению, особенно в поверхностных слоях, структуры белого или половинчатого чугуна. Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна. Поэтому ее содержание ограничивают до 0,1-0,2%. В сером чугуне сера образует сульфиды или их твердые растворы

Содержание фосфора в сером чугуне чаще но иногда допускается даже до При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики: в серых чугунах - двойной аустенит), а в белых - тройной аустенит). Эвтектика улучшает литейные свойства чугуна.

Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей. Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры. В этом случае механические свойства будут зависеть от количества, величины и характера распределений включений графита.

Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна. Чугун с большим количеством прямолинейных крупных графитных выделений, разделяющих его металлическую основу, имеет грубозернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими

и завихренными графитными выделениями обладает более высокими свойствами.

Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, временное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю Графитные включения мало влияют на снижение предела прочности при сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные деформации и разрушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его структуры в 3-5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее значительно, чем при растяжении, снижают прочность и при изгибе, так как часть изделия испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между пределом прочности на растяжение и на сжатие. Твердость чугуна

Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным к всевозможным концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т. д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхностью и сложной формы с надрезами или с плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой.

Металлическая основа в сером чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру (см. рис. 100, б). Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный серый чугун.

Серый чугун маркируется буквами С - серый и Ч - чугун После букв следуют цифры, указывающие минимальное значение временного сопротивления

Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие группы.

Ферршпные и ферритно-перлитные чугуны имеют временное сопротивление предел прочности при изгибе Их примерный состав: Структура чугунов - перлит, феррит и графит чаще в виде крупных выделений

Эти чугуны применяют для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10-30 мм. Так, чугун используют для строительных колонн, фундаментных плит, а чугуны и - для литых малонагруженных деталей сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей и тракторов, арматуры и т. д.

Перлитные чугуны применяют для ответственных отливок (станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений, компрессоров, арматуры, дизельных цилиндров, блоков двигателей, деталей металлургического оборудования и т. д.) с толщиной стенки до 60-100 мм. Структура этих чугунов - мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями. К перлитным относятся так называемые сталистые и модифицированные чугуны.

При выплавке сталистых чугунов в шихту добавляют стального лома; чугуны имеют пониженное содержание углерода, что обеспечивает получение более дисперсной перлитной основы с меньшим количеством графитных включений. Примерный состав:

Модифицированные чугуны получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок- модификаторов (графит, ферросилиций, силико-кальций в количестве Модифицирование применяют для получения в чугунных отливках с различной толщиной стенок перлитной металлической основы с вкраплением небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины.

Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий сравнительно небольшое количество кремния и повышенное количество марганца и имеющий без введения модификатора структуру половинчатого чугуна, т. е. ледебурит, перлит и графит. Примерный химический состав чугуна:

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500-600 °С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при температуре отжига составляет Охлаждение после отжига медленное, вместе о печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние напряжения снижаются на Иногда Для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна - выдержку их на складе в течение 6-10 месяцев; такая выдержка снижает напряжения на 40-50 %.

Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Эти чугуны должны обеспечивать низкое трение (малый коэффициент трения), т. е. антифрикционность. Антифрикционные свойства чугуна определяются соотношением перлита и феррита в основе, а также количеством и формой графита. Антифрикционные чугуны изготовляют следующих марок:

Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготовляют из перлитных серых чугунов для работы в паре с термически необработанными валами применяют перлитно-ферритный чугун

Перлитный чугун, содержащий повышенное количество фосфора используют для изготовления поршневых колец. Высокая износостойкость колец обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерйо распределенной фосфидной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

Белый чугун — это разновидность чугуна, которая в своём составе содержит углеродные соединения. В этом сплаве они называются цементитами. Своё название подобный металл получил благодаря характерному белому цвету и блеску, который хорошо виден на изломе. Этот блеск проявляется благодаря тому, что в составе подобного чугуна отсутствуют большие включения графита. В процентном отношении, он составляет не более 0,3%. Поэтому обнаружить его можно только спектральным или химическим анализом.

Состав и виды белого чугуна

Белый чугун состоит из так называемой цементитной эвтектики. В связи с этим его делят на три категории:

• Доэвтектические. Это такие сплавы, в которых углерод не превышает 4,3% от общего состава. Он получается после полного остывания. В итоге приобретает характерную структуру таких элементов как перлит, вторичный цементит и ледебурит.
• Эвтектические. У них содержание углерода равняется 4,3%.
• Заэвтектический белый чугун. Содержание превышает 4,35% и может достигать 6,67%.

Кроме приведенной классификации его разделяют на обыкновенный, отбеленный и легированный.

Внутренняя структура белого чугуна представляет собой сплав двух элементов: железа и углерода. Несмотря на высокотемпературное производство в нём сохраняется структура с мелкой зернистостью. Поэтому если надломить деталь из такого металла будет наблюдаться характерный белый цвет. Кроме этого, в структуре доэвтектического сплава, например, твёрдых марок, кроме перлита и вторичного цементита всегда присутствует цементит. Его процентное содержание может приближаться к 100%. Это характерно для эвтектического металла. Для третьего вида структура представляет собой состав из эвтектики (Л п) и первичного цементита.

Одной из разновидностей подобных сплавов является так называемый отбелённый чугун. Его основу, то есть сердцевину, составляет серый или высокопрочный чугун. Поверхностный слой содержит высокий процент таких элементов, как ледебурит и перлит. Эффекта отбеливания глубиной до 30 мм добиваются, используя метод быстрого охлаждения. В результате поверхностный слой получается из белого цвета, а далее отливка состоит из обыкновенного серого сплава.

В зависимости от процентного содержания легированных добавок, различают следующие виды металла:

• низколегированные (в них содержится легирующих элементов не более 2,5%);
• среднелегированные (процент подобных элементов достигает 10%);
• высоколегированные (в них количество легирующих добавок превышает 10%).

В качестве легирующих добавок применяют достаточно распространённые элементы. Полученный таким образом легированный белый чугун приобретает новые, заранее заданные свойства.

Свойства белого чугуна

Любой чугунный сплав, с одной стороны, очень прочный, но в то же время обладает достаточной хрупкостью. Поэтому в качестве основных положительных свойств белого чугуна можно выделить:

• Высокую твёрдость. Это значительно затрудняет обработку деталей, в частности, резанием.
• Очень высокое удельное сопротивление.
• Отличную износостойкость.
• Хорошую стойкость к повышенному тепловому воздействию.
• Достаточную коррозийную стойкость, в том числе, к различным кислотам.

Белые чугуны, с пониженным процентом углерода, обладают большей устойчивостью к высоким температурам. Это свойство используется для снижения количества трещин в отливках.

К недостаткам следует отнести:

• Низкие литейные свойства. Он имеет плохое заполнение отливочных форм. Во время заливки могут образовываться внутренние трещины.
• Повышенная хрупкость.
• Плохая обрабатываемость самих отливок и деталей из белого чугуна.
• Большая усадка, которая может достигать 2%.
• Низкая стойкость к ударным воздействиям.

Ещё одним недостатком является плохая свариваемость. Проблемы в сварке деталей из подобного материала вызваны тем, что в момент сварки происходит образование трещин, как при нагреве, так и при охлаждении.

Маркировка белого чугуна

Для маркировки белого чугуна применяют буквы русского алфавита и цифры. Если в нём имеются примеси, то маркировка начинается с буквы «Ч». Состав имеющихся легирующих добавок можно определить по последующим буквам П, ПЛ, ПФ, ПВК. Они свидетельствую о наличии кремния. Если полученный металл обладает повышенной износостойкостью, то его маркировка будет начинаться с буквы «И», например ИЧХ, ИЧ. Например, наличие в маркировке обозначения «Ш», означает, что в структуре сплава имеется графит шаровидной формы.

Цифры указывают на количество дополнительных веществ, присутствующих в белом чугуне.

Марка ЧН20Д2ХШ расшифровывается следующим образом. Это жаропрочный высоколегированный металл. Он содержит следующие элементы: никеля — 20%, меди — 2%, хрома — 1%. Остальные элементы — это железо, углерод, графит шаровидной формы.

Область применения

Этот сплав используют в следующих отраслях: машиностроение, станкостроение, судостроение. Из него производят некоторые элементы бытовых изделий. В машиностроении из него изготавливают: детали грузовых и легковых автомобилей, тракторов, комбайнов и другой сельскохозяйственной техники. Применение легирующих добавок позволяет получать специально заданные свойства. Например, используют при изготовлении плит с различной формой поверхности.

Отбелённый чугун имеет достаточно ограниченную область применения. Из него производят детали несложной конфигурации. Например: шары для мельниц, колеса различного назначения, детали для прокатных станов.

Широкое применение он получил при производстве деталей таких крупных агрегатов, как гидравлические и формовочные машины, другие промышленные механизмы этого направления. Специфическая особенность их работы заключается в том, что они постоянно подвергаются воздействию абразивного материала.

Серый чугун имеет низкие хар-ки механич. св-в при испытаниях на растяжение. Включения графита играют роль концентраторов напряжений. Твёрдость и прочность при испытаниях на сжатие, зависящие от свойств металлической основы, у чугуна достаточно высоки. Серый чугун с пластинчатой формой графита имеет ряд преимуществ. Он позволяет получать дешёвое литьё, т.к. при низкой стоимости обладает хорошей жидкотекучестью и малой усадкой. Мех. св-ва серых чугунов зависят от метал­лической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на пер­литной основе, а наиболее плас­тичными - серые чугуны на ферритной основе. Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введе­нии в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически пол­ностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная струк­тура с включениями графита. При дальнейшем уменьше­нии содержания кремния формируется структура серо­го чугуна на перлитной осно­ве с включениями графита.

Включения графита делают стружку ломкой, след-но, чугун хорошо обрабатывается резанием. Благодаря смазывающему действию графита чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами. Чугун имеет высокие демпфирующие св-ва, хорошо гасит вибрации и резонансные колебания. Маркируется серый чугун буквами СЧ и цифрами, характеризующими величину временного сопротивления при испытаниях на растяжение. Н-р, СЧ10 содержит (3,5…3,7)% С, (2,2…2,6)% Si, (0,5…0,8)% Mn, P<0,3% и S<0,15%, d В =100МПа, твёрдость <190НВ. СЧ35 d В =350МПа, твёрдость <275НВ.

Серые чугуны - это литейный чугун. Серый чугун поступает в произ­водство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкцион­ным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хоро­шо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способ­ностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных на­грузках. Свойство гасить вибрации называется демпфирующей способ­ностью. Демпфирующая сп-ть чугуна в 2-4 раза выше, чем у ста­ли. Высокая демпфирующая сп-ть и износостойкость обуслови­ли применение чугуна для изготовления станин различного оборудова­ния, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомо­бильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ): СЧ 10(143-29), СЧ 15(163-229), СЧ 20(170-241), СЧ 25(180-250), СЧ 30(181-255), СЧ 35(197-269), СЧ 40(207-285), СЧ 45(229-289).

По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной проч­ности, высокой прочности и со специальными свойствами.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших кол-в никеля и хрома, молибдена и иногда титана или меди.

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Модификаторы - ферросили­ций, силикоалюминий, силикокальций и др. - добавляют в количестве 0,1 -0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполне­ния.

Серый и белый чугуны резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатыва­ются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ков­кого чугуна.

Белые чугуны используются как износостойкие конструкционные материалы. В таких чугунах весь углерод находится в связанном состоянии с карбидообразующими элементами (хром, марганец, бор, титан). При введении 5-8% Cr образуется карбид цементитного типа (Fe,Cr) 3 C, а при содержании более 10% Cr образуются сложные и твердые карбиды (Fe,Cr) 7 C 3 и (Fe,Cr) 23 C 6 . Для придания чугуну большей вязкости, жаро- или коррозионной стойкости в его состав вводят никель.

Сплавы железа с углеродом (> 2,14% С) называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск, поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

Серый чугун. Серый чугун (технический) представляет собой по существу сплав Fe -- Si -- С, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 -- 3,8% С. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Серый чугун маркируется буквами С -- серый и Ч -- чугун (ГОСТ 1412 -- 70). После букв следуют цифры. Первые цифры указывают среднюю величину предела прочности при растяжении, а вторые -- среднюю величину предела прочности при испытании на изгиб. Предел прочности при изгибе используют для оценки пластичности чугуна, так как относительное удлинение у всех серых чугунов практически равно нулю.

Белый и отбеленный чугун. Белый чугун вследствие присутствия в нем цементита обладает высокой твердостью, хрупок и практически не поддается обработке резанием, поэтому имеет ограниченное применение. Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина -- серого чугуна. Между этими зонами может быть переходный слой. Отбел на некоторую глубину (12 -- 30 мм) является следствием быстрого охлаждения поверхности, возникающего в результате отливки чугуна в металлические формы (кокиль) или в песчаную форму. Высокая твердость поверхности (НВ 400-500) обусловливает хорошую сопротивляемость против износа, особенно абразивного, полому из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и т. д. В этом случае применяют чугун с пониженным содержанием кремния, который склонен к отбеливанию. Его примерный состав: 2,8-3,6% С; 0,5-0,8% Si; 0.4-0,6% Мп. Вследствие различной скорости охлаждения по сечению и получения разных структур отливка имеет большие внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Для снятия напряжений отливки подвергают термической обработке, т. е. их нагревают при 500-550 С.

Серые, высокопрочные и ковкие чугуны относятся к материалам, в которых весь углерод или его часть находится в виде графита. Излом этих чугунов – серый, матовый. В их структуре различают: структуру металлической основы и выделения графита. Отличаются они друг от друга только формой выделений графита.

В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок (прожилок, чешуек); в высокопрочных – в виде шариков; в ковких – в виде хлопьев (рис. 4.2).

Пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит образуется в виде лепестков; такой графит называется пластинчатым. На рис. 4.2, а показана структура обычного ферритного чугуна с прожилками графита; пространственный вид таких графитных включений показан на рис. 4.3, а (видно пересечение пластинчатых включений плоскостью шлифа).

Шаровидный графит . В современных так называемых высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (или церия), графит приобретает форму шара. На рис. 4.2, б показана микроструктура серого чугуна с шаровидным графитом, а на рис. 4.3, б – фотография шаровидного графитного включения в электронном микроскопе.

Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную, но не округлую форму. Такой графит называется хлопьевидным, или углеродом отжига. Микроструктура чугуна с хлопьевидным графитом показана на рис. 4.2, в . На практике чугун с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

а б в г

Рис. 4.2. Форма графита в чугунах:

а – пластинчатая (обычный серый чугун), × 100; б – шаровидная (высокопрочный чугун), × 200; в – хлопьевидная (ковкий чугун), × 100; г – вермикулярная, × 100

Рис. 4.3. Графитные включения в чугуне (× 2000):

а – пластинчатые; б – шаровидные

Вермикулярный графит – в виде глистообразных прожилок (рис. 4.2, г ).

Таким образом, чугуны называют:

– с пластинчатым графитом обычным серым чугуном;

– с червеобразным графитом – серым вермикулярным чугуном;

– чугун с шаровидным графитом – высокопрочным чугуном;

– чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

По структуре металлической основы все чугуны классифицируются:

1) на ферритные – со структурой феррита и графита (количество связанного углерода С связ = 0,025%);

2) феррито-перлитные ‑ со структурой феррита, перлита и графита (количество С связ = от 0,025 до 0,8%);

3) перлитные ‑ со структурой перлита и графита (количество С связ = 0,8%).

Отсюда можно сделать заключение, что металлическая основа в этой группе чугунов похожа на структуру эвтектоидной и доэвтектоидной стали и железа и отличается только наличием графитных включений (углерода в свободном состоянии), предопределяющих специфические свойства чугунов.

а б в

Рис. 4.4. Микроструктура серого чугуна:

а – перлитного, × 200; б – феррито-перлитного, × 100; в – ферритного, × 100

Структура перлитного чугуна состоит из перлита с включениями графита (рис. 4.4, а - графит в виде прожилок; типично для серого чугуна). Перлит содержит 0,8% С, следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне находится в связанном состоянии (т. е. в виде Fe 3 C), остальное количество находится в свободном виде, т. е. в форме графита.

Феррито-перлитный чугун (рис. 4.4, б ) состоит из феррита и перлита + включения веретенообразного графита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8% С.

В ферритном чугуне (рис. 4.4, в ) металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита (на фотографии в виде веретенообразного графита).

На схемах структур (табл. 4.1) обобщается описанная выше классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита.

Серые чугуны. Серые чугуны, как и белые, получаются непосредственно при отливке (при кристаллизации из жидкого расплава). Поскольку образование графита из жидкости – медленный процесс (работа образования зародыша велика: требуется значительная диффузия атомов углерода и отвод атомов железа от фронта кристаллизации графита), то он возможен только в узком интервале температур. Следовательно, охлаждение серого чугуна ведется медленно, и цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, будучи неустойчивым химическим соединением, в особенности при высоких температурах, распадается с образованием графита:

Fe 3 C ® Fe γ (С) + C гр при температуре выше 727°С

Fe 3 С ® Fe α (С) + С гр при температуре ниже 727°С (ниже линии PSK).

С ускорением охлаждения чугуна вероятность образования в нем графита уменьшается и при определенной скорости охлаждения часть сплава может закристаллизоваться в соответствии со стабильной, а часть, например поверхностный слой, ‑ с метастабильной диаграммами. Чугунные отливки, у которых поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина – серого, называют отбеленными. Отбел их на некоторую глубину – следствие более быстрого охлаждения поверхности. Следовательно, обязательным условием для получения серого чугуна является очень малая скорость охлаждения расплава.

Графит в сером чугуне выделяется в виде пластин. Пластинчатые включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины, надрезы, создающие большие концентрации напряжений в металлической основе. Поэтому свойства этих чугунов сильно отличаются от свойств стали.

Для определения наличия графита и формы его включений исследуют нетравленый микрошлиф с помощью металлографического микроскопа. Графит выглядит темной фазой на светлом фоне полированной металлической основы, затем микрошлиф травят (3–5%-ным раствором HNO 3 в спирте) и устанавливают структуру металлической основы.

По степени графитизации различают несколько видов серых чугунов: перлитный, перлито-ферритный и ферритный чугун. Если количество связанного углерода будет составлять больше 1%, такой чугун называется половинчатым. Его структура состоит из ледебурита, перлита и графита.

Таблица 4.1

Схемы структур чугуна

Однако кроме скорости охлаждения, существенное влияние на процесс графитизации оказывает количество присутствующих примесей, легирующих элементов и центров кристаллизации (модификаторов).

Все элементы, вводимые в чугун, делятся:

1) на элементы, препятствующие графитизации (Mn, Cr, W, Мо, S, О 2 и т.д.), которые способствуют получению углерода в связном состоянии в виде легированного цементита и других карбидов и препятствуют распаду его при повышенных температурах;

2) элементы графитообразующие (Si, C, Al, Ni, Cu и др.), которые способствуют получению углерода в свободном состоянии в виде графита.

Примеси Mn, Si, S, Р, присутствующие в чугуне, главным образом и влияют на процесс графитизации, а следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Чтобы определить, какую структуру следует ожидать в зависимости от суммарного содержания углерода и кремния, а также в зависимости от скорости охлаждения (толщины стенки отливки), пользуются структурной диаграммой (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Влияние скорости охлаждения и суммарного содержания кремния

и углерода в чугуне на его структуру:

I – белые чугуны; II – серые перлитные чугуны; III – серые ферритные чугуны

Следовательно, чтобы избежать отбела чугуна, детали тонкого сечения отливают из чугуна с повышенным содержанием графитообразующих элементов (Si, Ni, С). Для отливки деталей крупного сечения можно применить чугун с меньшим содержанием этих элементов.

Величина и форма выделившихся графитных включений зависит также от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации.

Центрами кристаллизации могут быть мельчайшие частички окислов Al 2 O 3 , CaО, SiO 2 , MgO и др. Воздействие на процесс графитизации с помощью образования дополнительных центров кристаллизации называется модифицированием, а сами элементы называются модификаторами. Модификаторы вводят в жидкий чугун перед его разливкой.

Серый чугун имеет низкие механические свойства, т. к. пластинки графита надрезают металлическую основу.

В зависимости от прочности металлической основы и количества графита серые чугуны могут иметь предел прочности при растяжении примерно от 100 до 400 МПа при практически нулевом значении относительного удлинения. На сжатие серые чугуны работают много лучше, чем на растяжение, т. к. при сжимающих нагрузках надрезающее действие пластинок графита оказывается незначительным.

Согласно ГОСТ 1412-70, различают 11 марок серого чугуна: СЧ00 (не испытывается); СЧ12-28; СЧ15-52; СЧ18-36; CЧ21-40; СЧ24-44; СЧ28-48; СЧ32-52; СЧЗ6-56; СЧ40-60; СЧ-44-64.

Первая цифра показывает предел прочности при растяжении, а вторая – предел прочности при изгибе в кГ/мм 2 .

Марка чугуна СЧ12-28 характеризуется ферритной металлической основой.

Марки чугуна СЧ15-52, СЧ18-36 – феррито-перлитной металлической основой.

Чугуны этих марок применяются для малоответственных деталей с небольшими нагрузками (строительные колонны, фундаментные плиты, кронштейны, маховики, зубчатые колеса).

Остальные марки имеют перлитную металлическую основу с пониженным содержанием углерода и кремния. Чугуны с перлитной основой применяют для ответственных деталей, работающих на износ при больших давлениях (станины станков, поршни, цилиндры, детали компрессорного, турбинного и металлургического оборудования). Серый чугун указанных марок обязательно модифицируется силикокальцием или ферросилицием, который содержит около 2% кальция, или другими присадками с целью предотвращения первичной кристаллизации по метастабильной диаграмме.

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают путем модифицирования жидкого расплава магнием или церием. Магний и церий вводят в сравнительно небольших количествах: 0,1 – 0,2% к весу жидкого чугуна, подвергающегося модифицированию. Магний и церий способствуют образованию включений графита шаровидной формы (рис. 4.2, б , 4.3, б ).

Шаровидный графит может образовываться в процессе первичной кристаллизации, а также в процессе отжига белого модифицированного чугуна. Безусловно, наиболее желательно образование шаровидного графита непосредственно при первичной кристаллизации, так как в этом случае не требуется высокотемпературного отжига. Кроме того, образование графита в структуре при первичной кристаллизации резко уменьшает усадку сплава. А это в свою очередь существенно упрощает технологию литья.

Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и последующими цифрами.

Первые две цифры марки показывают среднее значение предела прочности при растяжении в кг/мм 2 , вторые – относительное удлинение в процентах. Например, чугун марки ВЧ60-2 имеет предел прочности на растяжение σ = 600МПа; относительное удлинение δ = 2%.

По ГОСТ 7293-70 предусмотрено 9 марок высокопрочного чугуна.

Отливки этих чугунов используют в авто- и дизелестроении для коленвалов, крышек цилиндров; в тяжелом машиностроении – для деталей прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании – для траверс прессов, прокатных валков; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей и т. д. Также их применяют и для деталей, работающих в подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 1200 МПа).

Ковкий чугун. Ковкие чугуны получаются путем специального графитизирующего отжига (томление) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,27 до 3,2% С.

Существенный недостаток процесса получения ковкого чугуна – длительность отжига, составляющая 70 – 80 ч. Для его ускорения применяют различные меры (модифицирование алюминием (реже бором, висмутом), повышение температуры первой стадии (но не выше 1080°С)).

В настоящее время разработан метод ускоренного отжига ковкого чугуна, заключающийся в том, что отливки из белого чугуна перед графитизирующим отжигом предварительно закаливаются, что способствует снижению длительности отжига до 30 – 60 ч.

График получения ковкого чугуна показан на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Графики получения ковких чугунов

Для получения ковкого чугуна необходимо:

– отливки из малоуглеродистого белого чугуна, содержащего не более 2,8% углерода, медленно нагревать в течение 20 – 25 часов в нейтральной среде до температуры 950 – 1000°С и при этой температуре длительно (10 – 15 ч.) выдерживать (первая стадия графитизации);

– затем медленно охлаждать до температуры немного ниже эвтектоидного превращения (700 – 740°С в зависимости от состава чугуна и длительное время (30 часов) выдерживать при этой температуре (вторая стадия графитизации);

– вести охлаждение на воздухе.

При первой стадии графитизации цементит ледебурита и вторичный цементит распадаются с образованием аустенита и хлопьевидного графита по реакции:

Fe 3 C ® Fe γ (С) + С

Цементит = аустенит + графит

При охлаждении от первой до второй стадии графитизации скорость охлаждения должна обеспечивать выделение вторичного цементита из аустенита и его распад на аустенит и графит по вышеприведенной формуле.

При второй стадии графитизации цементит перлита распадается на феррит и графит по реакции:

Fe 3 C ® Fe α (С) + С

Цементит = феррит + графит

Структура после окончательной обработки будет состоять из феррита и хлопьевидного графита.

Продолжительность всей термической обработки составляет 70 – 80 часов.

Если при второй стадии графитизации выдержка для полного распада цементита перлита на феррит и графит будет недостаточной, то в этом случае получают феррито-перлитный ковкий чугун; если выдержки не будет совсем, получают перлитный ковкий чугун со структурой перлит и хлопьевидный графит.

Желательно, чтобы содержание углерода в ковком чугуне было низким, т. к. с увеличением содержания углерода увеличивается количество свободного графита после отжига чугуна и ухудшаются его свойства. Однако уменьшение содержания углерода повышает температуру плавления, создает трудности при отливке, повышает стоимость отливки и т. д.

Для получения перлитного ковкого чугуна иногда применяют ваграночный белый чугун с содержанием до 3,2% углерода. Отжиг при этом производят в обезуглероживающей (окислительной) среде с последующим охлаждением на воздухе. Такой отжиг обеспечивает значительное выгорание углерода.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ с цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении в кг/мм 2 , вторые цифры – относительное удлинение в процентах.

По ГОСТ 1215-59 ковкие чугуны имеет следующие марки:

– ферритный чугун: КЧ37-12, КЧ35-10, КЧ33-8, КЧ30-6;

– феррито-перлитный и перлитный ковкий чугуны: КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2.

Отливки из ковкого чугуна хорошо сопротивляются ударам и вибрационным нагрузкам, хорошо обрабатываются резанием, обладают достаточной вязкостью.

Ковкий чугун используется в автомобильной, тракторной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении, вагоно-, станкостроении для деталей высокой прочности, воспринимающих знакопеременные и ударные нагрузки, работающих в условиях повышенного износа. Широкое его применение обусловлено, прежде всего, хорошими литейными свойствами исходного белого чугуна, что позволяет получать тонкостенные отливки сложной формы. Ферритные ковкие чугуны идут на изготовление деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках (кратеры редукторов, ступицы, крюки, скобы) и для менее ответственных (гайки, глушители, фланцы, муфты). Из перлитного ковкого чугуна изготавливают звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки и др.

Порядок выполнения работы

1. Изучите классификацию чугунов, их строение, маркировку и способы получения.

2. Исследуйте под микроскопом шлифы и указать, к какому виду чугунов относится каждый образец.

3. Определите условия получения изучаемой структуры.

4. Установите влияние каждой структурной составляющей на свойства чугуна.

5. Протравите шлифы и изучите микроструктуру под микроскопом, зарисовать, укажите структурные и фазовые составляющие.

6. Установите различие в свойствах рассмотренных структур.

7. Составьте сводную таблицу рассмотренных структур, полученные данные занесите в табл. 4.2.

8. Составьте отчет о проделанной работе.

При составлении отчета необходимо:

1) привести краткую классификацию чугунов;

2) дать определение белым, серым, высокопрочным и ковким чугунам;

3) начертить часть диаграммы Fe – Fe 3 C, которая относится к области чугунов;

4) зарисовать все просмотренные структуры чугунов до и после травления с указанием названий структурных составляющих и класса чугунов;

5) указать химический состав белых чугунов и их положение на диаграмме;

6) описать способы получения, свойства и область применения каждого вида чугунов; указать маркировку.

Данные по проделанной работе свести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Контрольные вопросы

1. Какие преимущества чугунов перед сталью?

2. Как классифицируются чугуны?

3. Чем характеризуются структура и свойства чугуна?

4. Как влияет форма графита на свойства чугунов?

5. Сколько углерода содержит чугун?

6. В каких видах может находиться углерод в чугунах?

7. В каких чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии?

8. В каких чугунах весь углерод или его часть находится в виде графита?

9. Способы получения, свойства и применение белых чугунов.

10. Как получают белый чугун?

11. Сколько графита в белом чугуне?

12. Какие элементы способствуют отбелу?

13. Какие элементы способствуют графитизации?

14. Какая структура доэвтектического белого чугуна?

15. Какая структура эвтектического белого чугуна?

16. Какова структура заэвтектического белого чугуна?

17. Что такое ледебурит?

18. Что определяет прочность серого чугуна?

19. Как получают серый чугун?

20. Какова структура металлической основы серых чугунов?

21. Хорошо ли куется ковкий чугун?

22. Как получают ковкий чугун?

23. Какие процессы идут на первой стадии графитизации (получение ковких чугунов)?

24. Какие процессы идут на второй стадии графитизации (получение ковких чугунов)?

25. Какова форма графита в ковких чугунах?

26. Структура ковкого чугуна:

27. Как получают высокопрочный чугун?

28. Структура высокопрочного чугуна:

29. Какова форма графита в высокопрочных чугунах?

30. Что такое модифицирование и с какой целью его применяют?

31. Какова форма графита в серых чугунах?

32. Структура серого чугуна

33. Маркировка серых, высокопрочных и ковких чугунов.

34. Что обозначают цифра в марке чугуна СЧ15?

35. Что обозначает цифра в марке чугуна ВЧ60?

36. Что обозначает цифра 30 в марке чугуна КЧ 30-6?

37. Что обозначает цифра 6 в марке чугуна КЧ 30-6?

Буква А в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, спе­циально введенного в сталь.

Буква А в начале марочного обозначения указывает на то, что это Автоматная сталь, предназначенная для изготовления деталей массового производства на станках-автоматах (AI2, А30, А40Г – сернистые; ACI4, АС40, АС35Г2 – свинецсодержащие; А35Е, А40ХВ – сернистоселенистые; АЦ20, АЦ40Г – кальцийсодержащие). Цифрами, указывается среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Не следует путать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, приобретенной сталью в результате закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода (см. рис. 6 лабораторной работы № 8).

Похожая информация.