Основные теоретические сведения

Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2,14 до 6 %. Кроме этих элементов, в чугуне содержится еще ряд примесей (кремний, марганец, сера, фосфор и др.). С целью улучшения свойств в чугуны могут вводиться легирующие элементы, такие как хром, никель, медь и др. Чугун, по сравнению со сталью, имеет как преимущества, так и недостатки. Положительными свойствами этого материала являются: хорошие литейные свойства (более низкая, чем у стали, температура плавления, меньшая усадка, хорошая жидкотекучесть), хорошая обрабатываемость резанием (кроме одной разновидности – белого чугуна), достаточно высокая работоспособность в условиях трения, способность гасить вибрации, небольшая стоимость. Недостатком чугуна являются его низкие пластические свойства и ударная вязкость, что препятствует использованию чугуна для изготовления деталей, работающих при значительных динамических, ударных нагрузках, и делает невозможным в большинстве случаев использование обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки и т. д.) для изготовления чугунных изделий. По структуре различают чугуны, в которых углерод находится в виде химического соединения с железом Fe3С – цементита, и чугуны, в которых углерод, в основном, находится в свободном состоянии, в виде графита.

Первая разновидность называется белым чугуном. Структура белых чугунов описывается чугунной частью диаграммы железо-углерод (рис. 1).

Рисунок 1 Диаграмма железо-углерод: Ж – жидкий раствор; А – аустенит (твердый раствор углерода в g-Fe); Ц – цементит (Fe3С); Ф – феррит (твердый раствор углерода в a-Fe); П – перлит (эвтектоидная смесь феррита и цементита); Л – ледебурит (эвтектическая смесь аустенита и цементита, ниже линии PSK – смесь перлита и цементита)

Согласно диаграмме, существует три разновидности белых чугунов: доэвтектический со структурой перлит, ледебурит и вторичный цементит, эвтектический со структурой ледебурит и заэвтектический со структурой ледебурит и первичный цементит (рис. 2).

Рисунок 2 Разновидности белых чугунов

Получают белый чугун при ускоренном охлаждении в процессе отливки деталей, заготовок. Способствует также получению этой разновидности чугуна повышенное содержание в нем хрома, марганца. Структура белого чугуна определяет его механические свойства: это твердый хрупкий материал, имеющий предел прочности при растяжении sв = 100-400 МПа (10-40 кг/мм2), твердость НВ 300-700 и относительное удлинение d = 0,1-0,2 %. Вследствие низкой пластичности, белый чугун применяется очень редко, в основном, для изделий, работающих в условиях абразивного и гидроабразивного износа, когда его повышенная хрупкость не играет решающей роли. В ряде случаев изготавливают детали с так называемой отбеленной поверхностью. Их поверхностный слой представляет собой белый чугун и имеет повышенную твердость и износостойкость, а сердцевина имеет структуру другой разновидности чугуна (с наличием графита), что обеспечивает необходимый комплекс механических свойств. Примерами таких изделий с отбеленной поверхностью являются валки для холодной прокатки металла, шары для шаровых мельниц. Чугуны, в которых углерод находится в свободном виде, классифицируют по форме графитовых включений:

Серый чугун.

В нем содержится графит в виде пластинчатых включений.

1. Ковкий чугун с хлопьевидными включениями графита.

2. Высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму.

Металлическая основа этих чугунов может быть перлитной, ферритной или феррито-перлитной. рассматриваемых чугунов показаны на рис. 3

Рисунок 3 Металлическая основа

Поскольку графитовые включения отрицательно сказываются на механических свойствах металла, особенно на пластичности, то чем менее разветвленную форму они имеют, тем меньше их отрицательное влияние. Самая неудачная, с точки зрения механических свойств, форма графита – пластинчатая (пластичность при этом самая низкая), а наиболее благоприятная – шаровидная форма включений, обеспечивающая максимальную пластичность (рис. 10). Это связано с тем, что графитовые включения играют роль трещин, пустот в чугуне и являются концентраторами напряжений. Чем более компактную форму имеют эти включения, тем более «мягкий» получается концентратор напряжений и тем меньше снижение механических свойств металла за счет графита.

Серый чугун получают при медленном охлаждении металла при литье изделий, а также при повышенном содержании кремния, углерода. Обозначается он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении sв в кг/мм2 (ГОСТ 1412-85). Например, СЧ12 (sв = 12 кг/мм 2).

Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем специального отжига. Это длительная термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур 950-1000 °С и после определенной выдержки медленно охлаждается. При таком отжиге происходит графитизация цементита белого чугуна с образованием хлопьевидных включений графита. Обозначается ковкий чугун буквами КЧ, после которых следуют цифры, показывающие предел прочности при растяжении sв в кг/мм2 – первая цифра, и относительное удлинение d в % – вторая цифра (ГОСТ 1215 в редакции 1992 г.). Например, КЧ30-6 (sв = 30 кг/мм2, d = 6 %). Применяется этот чугун для изготовления деталей, работающих в более тяжелых условиях по сравнению с деталями из серого чугуна - при повышенных нагрузках, при знакопеременных и небольших ударных нагрузках. Например, картеры редукторов, коробок передач автомобилей, кронштейны рессор, различные крюки, фланцы и т.п.    

Таблица 3 - Марки и механические свойства чугунов

Примечание: Для серых чугунов толщина стенки отливки 15 мм, для ковких чугунов размер отливки 16 мм.

Высокопрочный чугун получают путем модифицирования его при выплавке магнием или церием в количестве 0,05 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении sв (ГОСТ 7293-85). Например, ВЧ 40 (dв = 40 кг/мм2). Применяется высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих в довольно сложных условиях при повышенном нагружении. Например, коленчатые и распределительные валы легковых автомобилей, прокатные валки, корпуса турбин, детали кузнечно-прессового оборудования и др. Представляет интерес использование чугунов для деталей, работающих в специфических условиях (агрессивные среды, высокие температуры и др.). Для этого в чугуны вводят легирующие элементы, способствующие повышению необходимых свойств. Такие чугуны называют легированными или чугунами специального назначения. Они дешевле легированных сталей и вследствие лучших литейных свойств оказываются предпочтительнее для получения отливок.

Порядок выполнения работы

5.1.Внимательно изучить основные сведения по теме работы и разобраться с классификацией чугунов, их строением, свойствами, областью применения каждой группы материалов.

5.2. Изучить чугунную часть диаграммы железо-углерод.

5.3.Изучить металлографические шлифы чугунов и зарисовать их структуры. На рисунках обозначить все структурные составляющие и определите, к какой группе относится каждый из изучаемых образцов чугуна.

5.4. Выполните 1-2 задания, данные преподавателем, по выбору материала для изготовления изделий

Форма отчета о работе

6.1. Тема, цель работы.

6.2 Краткая характеристика основных видов чугунов, особенности их строения и свойств.

6.3. Диаграмма железо-углерод с подробным рассмотрением ее чугунной части.

6.3. Вывод

7. Контрольные вопросы и задания

7.1..В какой последовательности проводится рассмотрение микрошлифа и

изучение микроструктуры?

7.2..Из каких химических элементов (компонентов) состоят чугуны?

7.3.Что представляют собой феррит, цементит, перлит, ледебурит?

7.4.Какие структурные классы имеют чугуны?

7.5.Какую геометрическую форму имеют включения графита в чугунах

ЧПГ, ВЧШГ, ЧХГ, ЧВГ?

7.6. Применение и механические свойства чугунов.

Рекомендуемая литература

Барташевич, А. А. Материаловедение: учеб. пособие / А. А. Барташевич. Ростов н/Д, 2004.

 

Практическая работа 1 Построение кривых охлаждения для заданного железоуглеродистого сплава

Цель работы

Закрепить умение строить кривые охлаждения углеродистых сталей и белых чугунов

Задание

    Изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

    Анализ превращении, происходящих в сплавах при охлаждении и нагреве.

    Определение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры.

    Построение кривой охлаждения заданного железоуглеродистого сплава.

Оснащение работы

    Методические указания к практической работе