Легированные чугуны. Разновидности, характеристики, маркировка и область применения.

Элементы специально вводимые в сплав с целью изменения его строения и свойств называют легирующими, а сплав легированным. Легированные чугуны обладают хорошими литейными свойствами. Влияние легирующих элементов на свойство чугунов проявляются в основном в их графитизации, которые определяют структуру и свойство чугуна. Легируются следующими элементами: 1) Кремний – в чугуне присутствует 0,3%-5% и усиливает графитизацию чугуна; 2) Марганец – 0,5%- 0,8% повышает механические свойства и препятствует графитизации; 3) Фосфор – обычно не более 0,3% находится в чугуне в ратстворенном состоянии, повышает: жидкотекучесть, износостойкость и хрупкость; 4) Сера – ухудшает свойство чугунов, содержание определено 0,12%, ВЧ – 0,03%. Бывают: Хромистые чугуны – содержат 26% – 36% Cr. Структура – твердый раствор хромистого феррита и эвтектические карбиды. Такие чугуны имеют высокую твердость (НВ 325-400), хорошо сопротивляются износу, но плохо обрабатываются резанием. Окалиностойкость сохраняется до 1000–1100 градусов. Хим-ий состав Х28: 0,5-1,0% С; 0,5-0,8% Si; 0,5-0,8% Mn; 26-30% Cr. Изготавливают детали и аппаратуру для азотной промышленности, фильеры и т. д. Используют и как жаростойкие материалы – для изготовления печного оборудования, гребков и лопастей в печах, предназначенных для обжига. Кремнистые чугуны – кремний расширяет область существования феррита и сплавы, содержащие до 14,5% Si, имеют структуру однородного твердого раствора. Содержание углерода в кремнистых чугунах всего лишь 0,3-0,8%, при большом содержании возможно выделение углерода в виде графита. Чугуны выплавляют с содержанием кремния до 18%, так как при более высоком его содержании эти сплавы становятся хрупкими и их невозможно использовать. Изделия изготавливают только литьем, без последующей мех. обработки. Хим-ий состав: 0,5-0,8% С; 14,5-18% Si; 0,3-0,8% Mn. Изготавливают центробежные насосы, распылители кислот, краны, котлы и т.д. Никелевые чугуны – содержат около 1% Ni. Эти чугуны стойки в расплавах солей и в концентрированных растворах щелочей. С увел-ем содержания Ni коррозионная стойкость увеличивается. Состав никелевых чугунов может быть и более сложным: никельмедистый 2-2,8 С; 3-4 Cr; 5-8 Сu; 1,5-1 Si и 12-5 Ni.

  26 Свойства железа и фаз в сплаве железо-углерод.

Fe-C        T_пл=1539С

Ниже 911С – Feα-ОЦК

Fe-гама-ГЦК

768С-точка Кюри. Ферромагнитные свойства. Потеря магнитных свойств. Плотность железа 7680. Придел прочности 200-250 Мпа. Относительное удлинение 50-60%. Твердость 70-80 НВ. Эти данные относятся к технически чистому железу около 0,1% примесей. Железо углерод существует в след фазах

-жидкий сплав

-твердые растворы

а) феррит

б) аустенит

Хим. соединение цементит: FeC и свободный углерод в виде углерода. Кроме этого к структурным составляющим относятся перлит и ледебурит – мех. смеси.

Феррит твердый раствор внедрения углерода в α железо. Растворимость углерода мала т.к. объёмно центрированная кристаллическая решетка. Низкотемпературный α-феррит содержит до 0,02% углерода высокотемпературный феррит до 0,1% углерода. Феррит высокопластичен, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

Аустенит твердый раствор внедрения углерода в гама железе содержит до 2,14% углерода. Также высокопластичен но более твердый чем феррит 200-160 НВ. Цементит является хим. соединением Fe и С С-6,67. До 210С цементит магнитен при 230С разлагается на графит и аустенит. Перлит – мех. смесь феррита и цементита содержит 0,13% углерода. Образуется при перикристаллизации в расплаве аустенита при температуре 723. Высокая прочность 800 Мпа твердость 200 НВ в целом повышает мех. свойства сплавов.

Структура- чередующиеся пластины феррита и цементита обозначаются буквой П.

Ледебурит образ. при кристаллизации сплава ТВ. феррит 4,3% при t=1147. При t<727C Аустенит в Ледебурите превращается в перлит и после остывания Ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита тв. 700 НВ Ледебурит имеет пластинчатое строение. 4,3%-эвтектика чугуна. Эвтектика-это высокодисперсная мех. смесь нескольких твердых фаз одновременно кристаллизующихся из расплава при постоянной t.                   

  27 Зависимость свойств стали и чугуна от содержания в ней углерода и постоянных примесей.

(сталь)

Структура сталей после медленного охлаждения состоит из перлита и цементита. Содержание цементита прямопропорционально содержанию углерода. Поскольку перлит пластичен, а цементит твердый и хрупкий то прочность и твердость сталей возрастает с повышением содержания углерода, а ударная вязкость, характкристики пластичности снижаются. Постоянными примесями сталей являются марганец, кремний, фосфор, сера. Газ: кислород. Для раскисления стали вводят марганец также он связывает вредные примеси. Марганец заметно повышает твердость. Также он устраняет хрупкость при высоких температурах. Кремний – Также вводят в сталь в качестве раскислителя Feo+Si=Fe+SiO. Фосфор увеличивает хладноломкость.

Азот кислород присутствуют в сталях в виде хрупких оксидов и нитридов, а также в свободном виде FeO; Fe₄N располагаясь в дефектах раковинах и трещинах. Эти элементы увеличивают хладноломкость стали и снижают предел выносливости. Н- водород находится в твердом растворе и сильно увеличивает хрупкость стали с повышением содержания образуются трещины как следствие внутренних разрывов металлов. Для предотвращения трещин сталь после горячего деформирования медленно охлаждают или длительно выдерживают при t=250.Содержание примесей в сильной степени зависит от способа получения и раскисления стали. Содержание газа можно уменьшить при выплавке или разливке стали в вакууме.         

(чугун)

В машиностроительных чугунах углерод содержится в виде графитов. Поскольку его содержание значительно (до нескольких процентов), а мех. свойства хуже чем свойства окружающей металлической фазы, то включение графита образуют как бы сетку пустот и трещин. Чем больше углерода в виде графитов в чугуне и чем менее компактные его включения тем ниже прочность чугуна в особенности при расплавляющих напряжениях.

Но графит выступает также и как положительный фактор- способствует повышению обрабатываемости резанием. Придаёт антифрикционные свойства и как бы гасит вибрацию и удары.

Кремний – в чугуне присутствует в количестве 0,3-0,5% и усиливает графитизацию чугуна.

Марганец-0,5-0,8% повышает мех. свойства и препятствует графитизации.

Фосфор- находится в растворенном состоянии повышает жидкотекучесть, повышает износостойкость, но повышает хрупкость.    

  28 Влияние легирования на свойства сталей и чугунов

Легирующие элементы – специально вводимые в сплав с целью изменения его строения и свойств. Они называются легирующими, а данный сплав легированным.

Наиболее существенное влияние легирование сталей воздействует на полиморфизм железа.

Температура полиморфных превращений зависит от всех растворимых в нем элементов.

Легирующие элементы в сталях:

– могут, находится в свободном состоянии;

– в форме химических соединений с железом или между собой в виде оксидов, сульфидов и др. неметаллов, примесей в карбидной фазе;

– в виде твердых растворов в железе.

Наиболее часто они растворяются в основных фазах сталей: феррите, аустените, цементите. Или образуют специальные карбиды.

Карбидообразующие элементы (молибден, ванадий, вольфрам, титан), увеличивают конструкционную прочность сталей.

По объему более 90% феррит основная составляющая сталей, легирующие элементы, растворяются в нем заменяя, атомы железа кристаллической решетки искажают ее, что приводит повышению твердости и прочности. Увеличение твердости наиболее способствует введение кремния, марганца, никеля. Снижают вязкость феррита и увеличивают порог хладноломкости.

Исключение составляет никель, оказывающий влияние на свойства сталей.

Влияние легирующих элементов на свойства чугунов проявляются в основном в их графитизации.

В их графитизации, которая определяет структуру, а, следовательно, свойства чугуна. Чугуны легируют для придания специальных свойств: жаростойкости, износостойкости и применяют следующие элементы: хром, никель, медь, алюминий, титан.

  29. Влияние термообработки на механические свойства стали, превращения в сталях

В результате термической обработки существенно изменяются механические свой­ства сталей. В отожженном состоянии структура стали состоит из Ф и Ц пластинчатой формы. Феррит обладает низкой прочностью и вы­сокой пластичностью, цементит - высокой твердостью (НВ800) и нулевой пластичностью. С увеличением цементитной составляющей s_в, повышается (при увеличении содержании С) и снижается пластичность.

При одном и том же содержании углерода прочностные характе­ристики (НВ, s_в) стали возрастают с увеличением дисперсности карбидной составляющей.

Повышение температуры отпуска ведущее к укрупнению карбидных частиц обус­лавливает снижение твердости.

Высокая твердость мартенситной структуры закаленной стали обуславливается созданием структурных напряжений, вызванных ис­кажением кристаллической решетки. Наряду с твердостью большое значение имеет пластичность. Чем выше твердость стали, тем обыч­но ниже пластичность, но при одинаковой твердости можно получить термической обработкой различную пластичность и вязкость стали. Вязкость и пластич­ность стали в значительной мере зависят от размера мартенситных игл и продуктов его распада. Для получения высокого комплекса механических свойств закаленной стали следует стремиться к получению мелкоигольчатой структуры мартенсита, что достигается мелко­зернистой структурой аустенита.

Отпуск существенно изменяет свойства закаленной стали. Нагрев до 100° С сопровождается слабым повышением твердости на 1-2 ед. в высокоуглеродистых сталях). С повышением температуры отпуска твердость и прочность падают, тогда как повышаются вязкость и пластичность. Закаленная и отпущенная сталь имеет более высокие механические свойства, чем отожженная и нормализованная, что объясняются различным строением сорбита отпуска и закалки, (пластинчатой в первом случае и зернистого во втором). Закалка и высокий отпуск называются улучшением, так как существенно улучшают механические свойства и получается оптимальное сочетание прочностных и пластинчатых свойств стали.