Структура и свойства чугуна

Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий:  

• бразование центров графитизации в жидкой фазе или аустените;
• диффузия атомов углерода к центрам графитизации;
• рост выделения графита.

При графитизации цементита  добавляются стадии предварительного распада Fe₃C и растворение углерода в аустените. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

В зависимости от степени  графитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые. [5]

Марганец препятствует графитизации и нейтрализует вредное влияние серы, образуя с ней тугоплавкие соединения MnS.

Фосфор не оказывает  существенного влияния на процесс  графитизации. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики, которая повышает его литейные свойства.

Сера является вредной  примесью. Она обусловливает ухудшение  литейных свойств чугуна, увеличение усадки, повышение склонности к трещинообразованию, снижение температуры красноломкости чугуна. [2 стр149]

 

 

 

 

5.Белые чугуны

Микроскопический анализ белых чугунов проводят, используя  диаграмму состояния Fe – Fe₃С. Из-за присутствия большого количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (HB = 4500 – 5500 МПа), хрупок и практически не поддастся обработке резанием. Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как конструкционный материал.  Из них делают детали гидро-машин, пескометов и других конструкций, работающие в условиях повышенного абразивного изнашивания. Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют хромом, ванадием, молибденом и другими карбидообразующими элементами. Маркировка белых чугунов не установлена.[3]

 

Обычной структурной  составляющей белых чугунов является ледебурит- смесь аустенита и цементита, образующуюся по эвтектической реакции при переохлаждении жидкости состава точки С (4,3 % углерода) ниже температуры 1147 °C.

эвтектика (ледебурит)

Чугун, содержащий 4,3 %С (точка С), называется белым эвтектическим чугуном. Левее точки С находятся доэвтектические, а правее - заэвтектические белые чугуны. 
В доэвтектических белых чугунах из жидкой фазы кристаллизуется аустенит, затем эвтектика – ледебурит.

При охлаждении чугуна в  интервале температур от 1147 °С до 727 °С аустенит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS и выделяется вторичный цементит. При небольшом переохлаждении ниже 727 °С аутенит состава точки S по эвтектоидной реакции распадается на перлит (Ф + Ц)

 

Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита. Под микроскопом трудно различить включения вторичного цементита.

Таким образом, при комнатной  температуре в доэвтектических  белых чугунах находятся три  структурные составляющие – перлит, ледебурит и вторичный цементит (рис. 2).

Эвтектический белый  чугун при комнатной температуре  состоит из одной структурной  составляющей – ледебурита. Последний, в свою очередь, состоит из перлита  и цементита и называется ледебуритом  превращенным.

В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит.

При комнатной температуре  заэвтектический белый чугун содержит две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит. 
Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как в углеродистых сталях в равновесном состоянии, все они состоят из феррита и цементита. [6]

Разновидностью белых  чугунов является отбеленные чугуны. Поверхностные слои изделий из таких  чугунов имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина - серого чугуна. Отбел на некоторую глубину (12...30 мм) получают путем быстрого охлаждения поверхности (например, отливка чугуна в металлические или песчаные формы). Для снятия структурных напряжений, которые могут привести к образованию трещин, отливки подвергают нагреву при 500...550 °С. Высокая износостойкость отбеленных чугунов обусловлена твердостью поверхности, достигающей 400... 500 HV. Из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и др. [3]

 

 

Рис. 2. Микроструктура белых  чугунов (слева схематическое изображение):  
а) доэвтектический; б) эвтектический; в) заэвтектический

 

6.Серые чугуны

Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической  основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в отливке в соответствии с диаграммой состояния системы Fe—С (стабильной). Причем, чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по этой диаграмме с образованием графитной эвтектики. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий).

Модифицирование металлов — введение в металлические расплавы модификаторов, то есть веществ, небольшие количества которых (обычно не более десятых долен %) способствуют созданию дополнительных искусственных центров кристаллизации, и следовательно, образованию структурных составляющих в измельченной или округлой форме, что улучшает механические свойства металла.

Для характеристики структуры  серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической  основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков.

Металлическая основа серых  чугунов формируется из аустенита  при эвтектоидном распаде и может  быть перлитной, ферритной и ферритно-перлитной. Образование перлита происходит легко, в сравнительно короткий промежуток времени. Для получения ферритного белого чугуна используют изотермическую выдержку при 690...650 °С, в результате которой цементит перлита распадается на феррит и пластинчатый графит.

Механические свойства серых чугунов зависят от свойств  металлической основы и, главным  образом, от количества, формы и размеров графитных включений. Перлитная  основа обеспечивает наибольшие значения показателей прочности и износостойкости. [3]

Рис. 7.3. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме  
графитовых включений

Рис. 7.4. Различные формы графита в чугуне:  
а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит. × 200

По сравнению с металлической  основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно  считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.

В отдельную группу при  классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.[5]

Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун маркируют буквами «С» - серый и «Ч» - чугун. Число после буквенного обозначения показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, СЧ 20 - чугун серый, предел прочности при растяжении 200 МПа.

По свойствам серые  чугуны можно условно распределить на следующие группы:

ферритные и  ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15) применяют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;

перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) используют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: поршней, цилиндров, блоков двигателей;

модифицированные  чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавлением перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция, такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита.

Чугун с вермикулярным  графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях теплосмен (блоки двигателей, поршневые кольца).

Вермикулярный графит получают путем обработки расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы (РЗМ) и силикобарий.

Модифицирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получать магниевый чугун (СМЧ), обладающий прочностью литой стали и высокими литейными свойствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например коленчатые валы легковых автомобилей. [4]

 

7.Ковкие чугуны

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых  доэвтектических чугунов, подвергая  их специальному графитизирующему отжигу. Графитизирующий отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий (рис. 57).

Рис. 57. Схема отжига белого чугуна на ковкий 

Первая стадия (950...1050 °С) подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся  в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс графитообразования облегчается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным.

На второй стадии графитизирущего  отжига при температуре эвтектоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в интервале 760...720 °С или изотермическая выдержка при 720...700 °С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного превращения.

Ковкие чугуны с перлитной  металлической основой обладают высокими твердостью (235...305 НВ) и прочностью (Ств = 650...800 МПа) в сочетании с небольшой пластичностью (5 = 3,0...1,5 %). Ковкий ферритный чугун характеризуется высокой пластичностью (5 = 10...12 %) и относительно низкой прочностью (Ств = 370...300 МПа).

Существенными недостатками графитизирующего отжига чугунов является длительность (24...60 ч) отжига отливок и ограничение толщины их стенок.

Ковкие чугуны согласно ГОСТ 1215—79 маркируются двумя буквами (КЧ — ковкий чугун) и двумя группами цифр. Первые две цифры в обозначении  марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (7в, МПа / 10, цифры после тире — относительному удлинению при растяжении, °'о. Чугуны марок КЧЗО—6, КЧЗЗ—8, КЧ35—10, КЧ37—12, имеющие повышенное значение удлинения при растяжении, относятся к ферритным, а марок КЧ45—7, КЧ50—5, КЧ55—4, КЧ60—3, КЧ65—3, КЧ70—2, КЧ80—1.5 — к перлитным чугунам.

Ковкие чугуны, обладая  высокими пластическими свойствами, находят применение при изготовлении разнообразных тонкостенных (до 50 мм) деталей, работающих при ударных  и вибрационных нагрузках, — фланцы, муфты, картеры, ступицы и др. Масса этих деталей —от нескольких граммов до нескольких тонн.

Для повышения твердости, износостойкости и прочности  изделий из ковкого чугуна иногда применяют нормализацию или закалку. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита. [3]

 

 

8. Высокопрочный  чугун

Высокопрочный чугун (ЧШГ  — чугун с шаровидным графитом) получают модифицированием жидкими  присадками (0,1...0,5 °о магния от массы  обрабатываемой порции чугуна, 0,2...0,3 °о церия, иттрия и некоторых других элементов). При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы до 0,02...0,03 %.

Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна (2,7...3,7 % С; 0,5...3,8 % Si) выбирается в зависимости от толщины стенок отливки (чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния).

Чтобы избежать образования  в высокопрочных чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Продолжительность такого отжига благодаря  повышенному содержанию графити-зирующих элементов (углерода, кремния) значительно короче, чем при отжиге белого чугуна.

Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической  основы (феррит, перлит) и включений  графита шаровидной формы. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений. Ферритные чугуны имеют сто,2 = 220...310 МПа, 5 = 22...10 "/о, 140...225 НВ, перлитные —ао,2= 370...700 МПа, 5 = 7...2 % и 153...360 НВ. Марки высокопрочных чугунов согласно ГОСТ 7293—85 состоят из букв «ВЧ» и цифр, соответствующих минимальному пределу прочности при растяжении Ста, МПа / 10: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45 — ферритные чугуны; ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ 100—перлитные чугуны.

Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая  износостоикость и др.) свойствами. Они используются для массивных  отлив,ок взамен стальных литых и кованых деталей — цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и  снятия внутренних напряжений отливки  подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и  отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке. Образование мелкоигольчатого мартенсита в закаленном поверхностном слое изделий повышает их износостоикость в три и более раз. Для повышения износостойкости применяется также азотирование (или азотирование с последующей «обдувкой дробью»), при котором в поверхностных слоях изделий создаются благоприятные сжимающие напряжения.