Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода и согласно диаграммы железо-цементит затвердевают с образованием эвтектики. Благодаря хорошим литейным свойствам, достаточной прочности, износостойкости при относительно низкой стоимости чугуны получили широкое распространение в машиностроении.
Их применяют при получении отливок сложной формы при отсутствии высоких требований к размерам деталей и их массе. Выплавляют чугун в доменных печах и получают передельные (белые), специальные (ферросплавы) и литейные (серые) чугуны. В зависимости от того, в какой форме находится углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны.
Присутствие элементов в различных чугунах изменяется в следующих пределах: 2,2-4,0 % углерода; 1,0-3,0 % Si; 0,2-1,5 % Мn; 0,02-0,2 % S; 0,02-0,3 % Р. Если весь углерод, входящий в состав чугуна, находится в связанном виде как химическое соединение Fe3 С, то такой чугун называется белым. Его излом светлый, с металлическим блеском, отчего и происходит название.
Наука Углерод Самый богатый на модификации элемент!
По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Любой белый чугун содержит эвтектику – ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита, а при охлаждении ниже 7270С – из перлита и цементита (рис. 1).
Большое количество цементита в структуре придает белым чугунам высокую твердость 4500-5500 НВ, износостойкость, хрупкость. Из-за очень низкой пластичности и плохой обрабатываемости резанием белые чугуны ограниченно применяется в машиностроении.
Для получения белого чугуна необходимо быстрое охлаждение отливки при минимальном количестве кремния и присутствие отбеливающих элементов – марганца или хрома. При таких условиях зарождение кристаллов графита становится невозможным и весь углерод идет на образование цементита.
Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны – отливки, у которых сердцевина имеет структуру серого чугуна, а на поверхности имеется слой со структурой белого чугуна. Так можно изготовить валки прокатных станов, тормозные колодки, шары мельниц для размола горных пород, лемех плугов и др. детали, на поверхности которых требуется высокая износостойкость.
Придать обрабатываемость белым чугунам можно только после того, как цементит распадается на графит и феррит. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения. Но включения графита снижают прочность и пластичность сплава. Серые, высокопрочные и ковкие чугуны различаются условиями образования графитных включений.
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают путем модифицирования – в жидкий чугун добавляют магний в количестве 0,02-0,08 %. Магний вводится в ковш перед заливкой в формы не в чистом виде, а в виде лигатуры – сплава магния с никелем.
Магний является поверхностно-активным элементом: в расплаве атомы магния образуют препятствия на поверхности растущего кристалла графита, увеличивая его поверхностную энергию. Поэтому становится энергетически выгодным образование кристалла с наименьшим отношением поверхности к объему, т.е. шару.
Диаграмма состояния сплавов системы «железо-углерод»
По химическому составу высокопрочные чугуны не отличаются от серых, но шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, чем пластинчатый, поэтому прочность и пластичность этих чугунов выше, чем серых. В соответствии с ГОСТ 7293-85 марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и числа, показывающего значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2, например, ВЧ50. По структуре металлической основы высокопрочные чугуны могут быть ферритными или перлитными. Ферритный чугун состоит в основном из феррита и шаровидного графита; допускается до 2 % перлита. Структура перлитного чугуна состоит из сорбитообразного или пластинчатого перлита и шаровидного графита, допускается до 20 % феррита
Рис. 4. Схема режима отжига белого чугуна с получением ферритного (1) и перлитного (2) ковкого чугуна
Отжиг на ферритный чугун проводится по режиму 1 (рис. 4), что обеспечивает графитизацию в две стадии. Первая стадия графитизации при температуре 950 0С состоит в распаде цементита, находящегося в ледебурите. Это приводит к образованию структуры аустенита и включений углерода отжига.
Вторая стадия графитизации протекает при медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур от 720-740 0С. В процессе этой выдержки распадается цементит перлита. В результате такого отжига продолжительностью 60-80 часов формируется структура, состоящая из феррита и углерода отжига (рис. 5). Перлитный ковкий чугун получают по режиму 2 (рис. 4).
Продолжительность графитизации при температуре 1000 0С увеличивается, после чего отливки непрерывно охлаждают до комнатной температуры. Графитизации цементита, входящего в состав перлита, не происходит, поэтому чугун приобретает структуру перлита с включениями углерода отжига.
В отличие от пластинчатого графита в сером чугуне хлопьевидные включения меньше снижают механические свойства металлической основы, что делает ковкий чугун прочнее серого, хотя уступает высокопрочному чугуну. Название «ковкий» условное, деформировать ковкие чугуны нельзя.
В обозначении ковкого чугуна первая цифра показывает значение предела прочности при растяжении в кгс/мм2, вторая – относительное удлинение в %, например, КЧ45-7. Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, автомобильном, текстильном машиностроении. Из них изготавливаю детали высокой прочности, работающих в условиях износа при ударных и знакопеременных нагрузках.
Хорошие литейные свойства исходного белого чугуна позволяют получать отливки сложной формы и малой толщины. Это крышки картеров, редукторов, ступицы, муфты, втулки, звенья и ролики цепей конвейера. Недостатком ковких чугунов является их более высокая стоимость из-за продолжительного отжига.
Дата добавления: 2018-05-12 ; просмотров: 979 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник: studopedia.net
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.
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.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник: studopedia.ru
В какой форме находится углерод в чугунах
Чугун
Что называется чугуном?
Чугуном называется сплав железа с углеродом, получаемый путем плавки железной руды в доменных печах. Чугун содержит от 2 до 5% углерода. Как делятся доменные чугуны в зависимости от химического состава и назначения?
Б зависимости от химического состава и назначения доменные чугуны делятся на передельные, литейные и специальные.
Как разделяются чугуны в зависимости от характера соединения углерода с железом?
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
- Кривошипно-шатунный механизм
- Меры безопасности при работе грузоподъемных кранов
- Инструктаж по технике безопасности
- Требования к погрузочно-разгрузочным площадкам
- Производство работ грузоподъемными кранами
- Техническое обслуживание грузоподъемных кранов
- Обучение, аттестация и повторная проверка знаний крановщиков
- Эксплуатация грузоподъемных кранов
- Канаты, цепи, грузозахватные органы, грузозахватные приспособления и тара
В зависимости от характера соединения углерода с железом чугуны делятся на белые и серые.
Чем характерен белый чугун?
Углерод в белом чугуне присутствует в виде цементита (FeO), поэтому он очень тверд и практически не обрабатывается, а используется для переделки в сталь и для других целей. Излом белого чугуна имеет матово-белый цвет.
В каком состоянии находится углерод в сером чугуне?
В сером чугуне весь углерод или его часть находится в свободном состоянии в виде графита, который придает ему на изломе серый или темно-серый цвет. Серый чугун — основной литейный материал, он обладает вполне удовлетворительными механическими свойствами, дешев, имеет высокие литейные свойства и хорошо обрабатывается режущим инструментом.
Как обозначается серый чугун?
Серый чугун обозначается двумя буквами и двумя двухзначными числами через тире. Буквы СЧ означают серый чугун, первое двухзначное число — предел прочности на растяжение, второе — предел прочности при изгибе. Например, СЧ 18—36 — это серый чугун, предел прочности на растяжение 18, а предел прочности при Изгибе 36.
Чем отличается модифицированный чугун от обычного серого чугуна?
Модифицированный чугун отличается от обычного серого чугуна тем, что обладает повышенными механическими и литейными свойствами. Получают его путем добавления в жидкий серый чугун графитиру- ющих присадок (ферросилиция, еиликокальция или силикоалюминия). Марки модйфицированного чугуна: СЧ 28—48, СЧ 32—52 и др.
Каким образом получают высокопрочный чугун?
Высокопрочный чугун получают из серого чугуна путем присадки в ковш перед разливкой в формы магния. Получается чугун с шаровидным графитрм, обладающий высокими механическими и литейными свойствами.
Марки высокопрочного чугуна по ГОСТ 7293—54: ВЧ 45-0, ВЧ 45-5, ВЧ 40—10, ВЧ 50—1,5, ВЧ 60— 2. Буквы ВЧ означают высокопрочный чугун, первые две цифры—лредел прочности при растяжении, а последние— величину относительного удлинения при растяжений.
Как получают ковкий чугун?
Ковкий чугун получают путем длительного отжига белого чугуна в специальных печах, после чего в чугуне вместо свободного цементита образуется графит.
Марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215—59: КЧ 30— 6, КЧ 33—8, КЧ 35—10, КЧ 37—12 и др. Буквы КЧ означают чугун ковкий, первые две цифры — предел прочности при растяжении, а последние—относительное удлинение при растяжении.
Какие детали изготовляют из серого чугуна в краностроении?
В соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов> из серого чугуна не ниже марки G4 15—42 по ГОСТ 1412—54 «Отливки из серого чугуна» могут изготовляться: – зубчатые, червячные и ходовые колеса грузоподъемных кранов с ручным приводом; – червячные колеса с ободом из бронзы независимо от рода привода и режима работы крана; -барабаны, корпуса редукторов и блоки, за исключением блоков стреловых и башенных кранов; – колодки тормозов, кронштейны барабанов, корпуса подшипников и др.
Источник: stroy-technics.ru