Чугуны нашли широкое применение в качестве машиностроительных материалов благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизны.
Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%. Кроме углерода в чугуне также присутствуют постоянные примеси – кремний, марганец, сера и фосфор. Иногда в чугуны вводят легирующие добавки, такие как никель, хром, магний и т.д., для придания им определенных свойств.
Рассмотрим влияние примесей на структуру и свойства чугунов. Основным элементом, определяющим структуру и свойства чугуна, является углерод. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. В чугуне углерод может находиться в виде цементита или графита (пластинчатой формы, сфероидальной, хлопьевидной).
Кремний — важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким. Содержания кремния в чугунах колеблется от 0,3 – 0,5 до 3 – 5%.
Конструкционные и инструментальные углеродистые стали
Сера является вредной примесью, она ухудшает литейные свойства (снижает жидкотекучесть), увеличивает усадку, вызывает хрупкость (красноломкость) и склонность к образованию трещин. Присутствие серы в чугуне задерживает разложение цементита, при этом в чугуне появляются твердые пятна, что затрудняет обработку металла режущим инструментом и ухудшает механические свойства. Содержание серы в чугуне для мелкого литья допускается не выше 0,08%, для крупного литья – не выше 0,12%. Вредное влияние серы на свойства чугуна в значительной степени нейтрализуется марганцем, образующим химическое соединение МnS, большая часть которого переходит в шлак.
Содержание фосфора в чугуне допускают до 0,3% в ответственных отливках, до 0,8% в отливках, работающих на истирание, и до 1,2% в тонкостенном и художественном литье.
Фосфор является желательной примесью при изготовлении тонкостенных отливок, так как фосфористый чугун вследствие своей жидкотекучести хорошо заполняет все очертания формы.
Кроме постоянных примесей, в чугун вводят специальные добавки для придания чугунам определенных свойств. Иногда чугуны выплавляют в доменных печах из руд, содержащих хром, никель и другие легирующие компоненты. Такие чугуны называют природнолегированными. Влияние легирующих элементов на свойства чугунов определяется главным образом их отношением к углероду. Графитообразующие элементы способствуют получению хорошо обрабатываемых чугунов, а карбидообразующие —получению отбеленных чугунов, плохо поддающихся обработке режущим инструментом.
Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fe-Fe3C. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму.
244) Чугун и его свойства (материаловедение)
В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком — хлопьевидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высокопрочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.
Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется и применяется как передельный чугун, т.е. идет на производство стали.
Для деталей с высокой износостойкостью используется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.
Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Структура серого чугуна схематически изображена на рис. 18,а. Получают серый чугун путем первичной кристаллизации из жидкого сплава.
На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, перлитный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способствуют графитизации углерод и кремний.
Кремния содержится в чугуне от 0,5 до 5%. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механические и литейные свойства.
Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства. Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому фафитные включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими металлическую основу.
Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наиболее низкие характеристики, как прочности, так и пластичности среди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графитных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.
Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 45.
Рис. 18. Схематическое изображение структур чугунов: а — серого, б — ысокопрочного, в — ковкого
Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включения. Структура высокопрочного чугуна изображена на рис. 18,б.
Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов, которые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется увеличением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03-0,07%. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.
Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ослабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т.д.
Маркируется высокопрочный чугун буквами. ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Например, чугун ВЧ 60 имеет σв= 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов:
ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов и др.
Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 18,в). Его получают из белою чугуна путем графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950-970°С. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит- из перлита и небольшого количества (до 20%) феррита.
Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного превращения (720-760°С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого состоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10%). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.
Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля и относительное удлинение в %.
Так, чугун КЧ 45-7 имеет σв= 450 МПа и δ = 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33- 8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
Контрольные вопросы:
1. Что называется чугуном?
3. Перечислите вредные примеси чугуна. Почему они являются вредными?
4. Расшифруйте маркировку чугуна:
Критерии оценки
«Отлично» — выполнены все задания в полном объеме, недочетов не имеется.
«Хорошо» — выполненные задания составляют 90% от заданных.
«Удовлетворительно» — выполненные задания составляют не менее 75% от заданных.
«Неудовлетворительно» — менее 75%.
Источник: poisk-ru.ru
25. Чугуны, их классификация, маркировка. Влияние углерода, постоянных примесей, скорости охлаждения на структуру и свойства чугунов.
В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.
В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.
Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами «СЧ» (ГОСТ 1412-85), высокопрочный — «ВЧ» (ГОСТ 7293-85), ковкий — «КЧ» (ГОСТ 1215-85).
СЧ10 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;
ВЧ70 — высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;
КЧ35 — ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.
Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ — антифрикционный чугун: С — серый, В — высокопрочный, К — ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу.
26. Диаграмма состояния железо-графит, процесс графитизации.
При сравнительно быстром охлаждении расплава происходит образование цементита в процессе кристаллизации жидкого чугуна. Систему железо-цементит называют метастабильной, т. е. неустойчивой, так как при определенных условиях цементит распадается на аустенит и свободный углерод в виде графита.
При очень медленном охлаждении из расплава в процессе его кристаллизации углерод выделяется в виде графита. Систему железо-графит называют стабильной. Процесс кристаллизации графита в сплавах железа с углеродом называют графитизацией. Она может происходить и в твердом состоянии, поскольку цементит при высоких температурах неустойчив. В этом случае графитизация происходит в несколько накладывающихся стадий: 1) распад цементита и растворение атомов углерода в аустените; 2) образование центров графитизации в аустените; 3) диффузия атомов углерода в аустените к центрам графитизации; 4) рост выделений графита.
На рис. 21 показана совмещенная диаграмма: сплошными линиями изображена метастабильная диаграмма железо-цементит, штриховыми линиями — стабильная диаграмма железо-графит. По диаграмме железо-цементит в области чугунов получают белые чугуны, а по диаграмме железо-графит — серые чугуны. На диаграмме железо-графит горизонтальные линии E’C’F’ и P’S’K’ лежат несколько выше, а наклонные линии CD’ и E’S’ -. несколько левее соответствующих линий диаграммы железо-цементит.
На диаграмме железо-графит линия ACD’ — линия ликвидуса. При охлаждении расплава по ветви АС выделяется аустенит, а по ветви CD’ — графит (первичный). На линии солидуса E’C’F’ при температуре 1153°С образуется эвтектика, состоящая из графита и аустенита. Ее называют графитной эвтектикой. Линия S’E’ показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается.
При понижении температуры в системе железо-графит из аустенита будет выделяться графит, который называют вторичным.
На линии P’S’K’ при температуре 738°С аустенит, содержащий 0,7% С (точка S’), распадается, образуя эвтектоид, состоящий из феррита и графита. Этот эвтектоид называют графитным.
После полного охлаждения структура состоит из феррита и графита (эвтектического, вторичного и эвтектоидного). Различить в микроструктуре графит различного происхождения в большинстве случаев невозможно, поскольку в процессе кристаллизации графит, получающийся при распаде аустенита, не образует самостоятельных выделений, а, наслаиваясь на имеющиеся графитные включения, увеличивает их размеры.
Источник: studfile.net
4.3 Классификация и маркировка чугунов
Таблица 4.1 Микроструктуры чугунов
Чугуны подразделяются на две группы:
1) чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита или других карбидов;
2) чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита.
К первой группе чугунов относятся белые чугуны. Излом такого чугуна белый, блестящий. Белые чугуны очень хрупкие и твердые, плохо поддаются механической обработке режущим инструментом Белые чугуны в машиностроении используются редко, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна.
Структура белых чугунов соответствует диаграмме равновесного состояния «железо – цементит». Образуется она в результате ускоренного охлаждения железоуглеродистых сплавов, содержащих более 2,0 % углерода при литье.
По структуре белые чугуны делятся на следующие группы:
1) доэвтектические, содержащие от 2 до 4,3 % углерода, состоящие из перлита, вторичного цементита и ледебурита;
2) эвтектические, содержащие 4,3 % углерода, состоящие из ледебурита;
3) заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67 % углерода, состоящие из первичного цементита и ледебурита.
Следовательно, структура этих чугунов отличается от структуры стали наличием в них ледебурита или ледебурита и первичного цементита.
Ко второй группе чугунов относятся серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Излом этих чугунов серый, матовый. В их структуре различают: металлическую основу (структуру) и форму выделения графита. В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок (прожилок, чешуек); в высокопрочных – в виде шаров; в ковких – в виде хлопьев.
По структуре металлической основы серые чугуны подразделяются в основном на следующие группы:
1) ферритные, со структурой феррита и графита; количество связанного углерода менее 0,025 %;
2) ферритно-перлитные, со структурой феррита, перлита и графита; количество связанного углерода от 0,025 до 0,8 %;
3) перлитные, со структурой перлита и графита; количество связанного углерода от 0,025 до 0,8 %;
Структура этих чугунов отличается от структуры стали только наличием свободного графитa.
Получение углерода в свободном или связанном состоянии зависит от процессов графитизации, т.е. условий образования графита. На процесс графитизации чугуна существенное влияние оказывают скорость охлаждения, количество присутствующих в нем примесей, легирующих элементов и центров кристаллизации (модификаторов). Увеличение скорости охлаждения способствует выделению углерода в связанном состоянии в виде цементита.
Все элементы, вводимые в чугун, делятся на элементы:
· препятствующие графитизации (Мn, Cr, W, Mo, S, Р и др.), которые способствуют получению углерода в связанном состоянии в виде легированного цементита и других карбидов и препятствуют распаду его при повышенных температурах;
· графитообразующие (Si, С, Al, Ni, Cu и др.), которые способствуют получению углерода в свободном состоянии в виде графита. Примеси Мn, Si, S, Р, присутствующие в чугуне, главным образом и влияют на условия графитизации, а следовательно, на структуру и свойства чугуна.
Воздействие на процесс графитизации с помощью образования дополнительных центров кристаллизации называется модифицированием. Модификаторы вводят в жидкий чугун перед его разливкой. Подбирая соответствующие модификаторы и их количество, можно не только измельчить графитные включения, но также изменить, форму образующегося графита – вместо пластинчатой формы получить шаровидную, то есть высокопрочный чугун.
Поскольку серые, высокопрочные и ковкие чугуны состоят из металлической основы и графитных включений, то и свойства чугунов будут зависеть от свойств металлической основы и от количества, формы и характера распределения графитных включений.
Свойства металлической основы так же, как и у стали, будут зависеть от ее структуры. С увеличением количества перлита твердость и прочность на разрыв будут увеличиваться, а пластичность – уменьшаться. Графит обладает низкими механическими свойствами, а поэтому включения графита в чугуне можно рассматривать в первом приближении как пустоты различной формы, нарушающие цельность металлической основы.
Такие свойства чугуна, как твердость и предел прочности при сжатии, главным образом, зависят от строения металлической основы. Такие же свойства чугуна, как предел прочности на разрыв, изгиб, кручение, а также пластичность, во многом зависят от количества, размеров и формы графитных включений, и чем грубее его включения, тем хуже механические свойства чугуна. Особенно низкими свойствами обладает чугун, у которого графитные включения образуют замкнутый скелет.
По мере округления графитных включений перечисленные свойства чугуна улучшаются, приближаясь к свойствам стали. Вот почему чугун с шаровидным графитом получил название высокопрочного. Кроме того, для улучшения свойств высокопрочного чугуна может быть применена та же термическая обработка, что и для стали. Термическая обработка для чугуна с пластинчатыми включениями графита почти не применяется.
Пластинчатые включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины, надрезы, создающие большие концентрации напряжений в механической основе. Поэтому свойства этих чугунов сильно отличаются от свойств стали.
Чугун называют половинчатым, если количество связанного углерода будет составлять больше 1 %. Его структура состоит из ледебурита, перлита и графита.
Серые чугуны согласно требованиям ГОСТ 1412 – 85 маркируются буквами СЧ. Цифры после букв указывают значение минимального временного сопротивления при растяжении (в мегапаскалях, умноженных на 10 -1 ). Марки серых чугунов СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Например, марка чугуна СЧ10 расшифровывается так: СЧ – серый чугун; 10 – временное сопротивление при растяжении, то есть σв = 100(10) МПа (кгс/мм 2 ).
Серый чугун находит применение:
· в станкостроении для изготовления базовых, корпусных деталей, кронштейнов, зубчатых колес, станин, направляющих);
· в автостроении для изготовления блоков цилиндров, гильз, поршневых колец, распределительных валов, толкателей, седл клапанов, головок цилиндров, дисков сцепления;
· для изготовления товаров массового потребления.
Износостойкость изделий из серых чугунов можно повысить термической обработкой.
Высокопрочный чугун получается из перлитного серого чугуна путем двойного модифицирования добавкой в жидкий чугун незадолго перед разливкой магния в количестве 0,03…0,07 % от массы чугуна и ферросилиция. Магний способствует получению графита в форме шаров (глобулей), кроме того, он повышает прочность металлической основы.
Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и последующими цифрами (ГОСТ 7293 – 85). Цифры марки показывают минимальное значение временного сопротивления при растяжении (в МПа . 10 -1 ). Марки высокопрочных чугунов: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, BЧ80, ВЧ100. Например, чугун марки ВЧ60 имеет временное сопротивление при растяжении σв = 600 (60) МПа (кгс/мм 2 ).
Высокопрочный чугун находит применение как новый конструкционный материал и как заменитель углеродистой стали, ковкого и серого чугуна. Из высокопрочного чугуна изготавливают как мелкие тонкостенные отливки (поршневые кольца), так и отливки массой до 15 т (шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов).
Из высокопрочного чугуна изготавливают отливки коленчатых валов массой от нескольких килограммов до 2…3 т взамен кованых валов из стали. Чугунные валы по сравнению со стальными имеют более высокую циклическую вязкость, малочувствительны к внешним концентраторам напряжений, имеют лучшие антифрикционные свойства и значительно дешевле стальных валов. Хорошие литейные свойства при достаточно высокой прочности и пластичности позволяют во многих случаях заменять стальное литье и прокат. При этом достигается снижение массы деталей на 8…10 %, чем обеспечивается значительная экономия материала.
Применение высокопрочного чугуна взамен серого дает экономический эффект в тех случаях, когда за счет более высокой прочности снижается масса отливок или обеспечивается возможность упрощения монтажных работ (например, монтаж трубопроводов сваркой). Из высокопрочного чугуна изготавливают трубы, валки прокатных станов, детали турбин, изложницы, суппорты, резцедержатели, планшайбы и другие детали станков.
Ковкие чугуны получаются путем специального графитизирующего отжига (томления) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,2 до 3,2 % углерода.
Для получения ковкого чугуна необходимо отливки из малоуглеродистого белого чугуна, содержащего не более 2,8 % углерода, медленно нагревать в течение 20…25 ч 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 (около 30 ч) выдерживать при данной температуре (вторая стадия графитизации). Далее вести охлаждение на воздухе. При первой стадии графитизации цементит ледебурита и вторичный цементит распадаются с образованием аустенита и хлопьевидного графита.
При охлаждении от первой до второй стадии графитизации скорость охлаждения должна обеспечивать выделение вторичного цементита из аустенита и его распад на аустенит и графит.
При второй стадии графитизации цементит перлита распадается на феррит и графит. Структура чугуна после окончательной обработки будет состоять из феррита и хлопьевидного графита. Продолжительность всей термической обработки составляет 70 – 80 ч.
Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ с цифрами (ГОСТ 1215 – 79). Первые две цифры указывают временное сопротивление разрыву (в мегапаскалях), вторые цифры – относительное удлинение в процентах.
Ферритный ковкий чугун имеет следующие марки (ГОСТ 26358 – 84):
КЧ 37 – 12 (362-12), КЧ35 – 10 (333-10), КЧЗЗ – 8 (323-8), КЧ 30 – 6 (294-6).
Перлитный ковкий чугун (ГОСТ 26358 – 84):
КЧ45 – 7; КЧ 50 – 5; КЧ 55 – 4; КЧ60 – 3; КЧ65 -3; КЧ70 – 2, КЧ80 – 1,5.
Отливки из ковкого чугуна должны соответствовать ГОСТ 26358 – 84. Они хорошо сопротивляются ударам и вибрационным нагрузкам, хорошо обрабатываются резанием, обладают достаточной вязкостью.
Источник: libraryno.ru