Микроструктура и свойства чугунов

6.1. Цель работы:

− изучить особенности микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов;

− установить зависимость свойств от состава и структуры.

Теоретическое обоснование

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода свыше 2,14 % и постоянные примеси (Si, Mn, P, S) и затвердевающие с образованием эвтектики, называемой ледебуритом.

Чугун отличается от стали составом (более высоким содержанием углерода), лучшими литейными свойствами (жидкотекучесть, температура плавления), малой величиной пластической деформации, низкой ценой. Поэтому он получил широкое распространение в машиностроении − используется для производства качественных отливок сложной формы.

Углерод в структуре чугунов может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита (Fe₃C) и в свободном состоянии в виде графита.

В зависимости от формы присутствующего углерода, т. е. в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, различают чугуны:

− белые;

− серые (СЧ);

− ковкие (КЧ);

− высокопрочные (ВЧ).

В зависимости от формы включений графита чугуны бывают:

− с пластинчатым (СЧ) графитом;

− с хлопьевидным (КЧ) графитом;

− с шаровидным (ВЧ) графитом;

− с вермикулярным (червеобразным) графитом.

По характеру металлической основы чугуны подразделяются на:

– перлитный;

− ферритный;

− перлито-ферритный;

− аустенитный;

− бейнитный;

− мертенситный.

По назначению чугуныделятся:

– на конструкционные;

− со специальными свойствами.

По химическому составу чугуны бывают:

– легированные;

− нелегированные.

Белый чугун

 

В нем весь углерод находится в химически связанном состоянии и при нормальной температуре состоит из перлита и цементита. Свое название чугун получил по матово-белому цвету излома. Образуется при быстром охлаждении сплава.

Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (HB 450-550), хрупки, плохо обрабатываются резанием и для изготовления деталей машин почти не используются.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и другие детали, работающие в условиях износа.

В соответствии с диаграммой Fe - Fe₃C белые чугуны могут быть:

− доэвтектическими (2,14 < С < 4,3 %);

− эвтектическими (С = 4,3 %);

− заэвтектическими (С > 4,3%). Структура доэвтектического чугуна (рис.6.1, а) при комнатной температуре состоит из перлита (П), ледебурита (Л) и цементита вторичного (Ц_II). Темные большие участки на микрошлифе − перлит. Участки с точечными темными вкраплениями или пластинами − ледебурит. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита, а частично виден в виде светлых выделений по границам перлитных областей.

Структура эвтектического белого чугуна (рис. 6.1, б) представлена ледебуритом (Л). На микрошлифе − пластины цементита со столбиками аустенита в них.

Структура заэвтектического белого чугуна (рис. 6.1, в) при комнатной температуре состоит из ледебурита (Л) и цементита первичного (Ц_I).

Серый чугун

 

Серый чугун − это сплав сложного химического состава: 3,2-3,8 % С, 1-5 % Si, 0,5-0,9 % Мп, 0,2-0,4 % Р, до 0,12 % S. В сером чугуне углерод находится и в свободном состоянии в виде графита и, частично, в химически связанном состоянии в виде цементита перлитной фазы. Название серого чугуна определяется наличием в изломе либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита.

Факторами, способствующими графитизации (выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu (препятствуют графитизации Mn, S, Cr, W).

Практически, изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации.

 

а)

б)

в)

Рис. 6.1. Микроструктура и схематическое изображение белого чугуна:

а – доэвтектический; б – эвтектический; в − заэвтектический

 

Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, повышенную износоустойчивость, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы.

Структура серого чугуна при получении отливок формируется в процессе медленного охлаждения, поэтому цементит, будучи при высоких температурах неустойчивым химическим соединением, распадается с образованием графита:

− Fe₃C → Fe_γ(C) + C (графит) при температуре выше линии PSK;

− Fe₃C → Fe_α(C) + C (графит) при температурах ниже линии РSК.

Чем больше скорость охлаждения, тем в меньшей степени успевает произойти процесс графитизации.

По характеру металлической основы серые чугуны различаются на:

− ферритный;

− перлито-ферритный;

− перлитный.

Ферритный чугун (рис. 6.2, а) имеет в структуре феррит (Ф) и графит (Г). Светлое поле микрошлифа − феррит, темные крупные прожилки (пластинки) − графит.

Феррито-перлитный чугун (рис. 6.2, б) имеет в структуре перлит (П), феррит (Ф) и графит (Г). Серый фон в поле микрошлифа − перлит, светлый − феррит и темные крупные прожилки − графит.

Перлитный чугун (рис. 6.2, в) состоит из перлита (П) и графита (Г). Основное серое поле микрошлифа − пластинчатый перлит, темные и крупные прожилки − пластинчатый графит.

Таким образом, структура серого чугуна представляет собой стальную основу, пронизанную графитовыми включениями.

Рис. 6.2. Микроструктура и графическое изображение серого чугуна с крупнопластинчатым графитом на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах

Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов и др.

Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр.

Согласно ГОСТ 1412-85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение.

Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σ_b = 250 МПа; твердость НВ 180-250 и структура металлической основы – Ф + П.

В структуре серых чугунов имеется фосфидная эвтектика, сернистые включения, шлаки, песчинки, поры и др. Фосфор в количестве 0,3 % растворяется в феррите. При большей концентрации он образует с железом и углеродом тройную "фосфидную" эвтектику c низкой температурой плавления (950 °С), что увеличивает жидкотекучесть чугуна, но приводит к высокой твердости и хрупкости после кристаллизации. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках с высокой износостойкостью.

Модифицированный серый чугун. Отличается от серых чугунов размером, формой, распределением в структуре графитовых включений (перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита).

Получают его из серого чугуна с пониженным содержанием углерода, добавляя в расплав модификаторы: ферросилиций, алюминий, силикокальций, магний и др. Они способствуют получению мелких изолированных и равномерно распределенных включений графита. Кроме того, приводят к устранению отбела чугуна и получению перлитной однородной металлической основы.

Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают повышенной прочностью и износостойкостью, хорошо обрабатываются резанием, их свойства меньше зависят от толщины стенок отливки, они имеют высокую теплостойкостью.

Их применяют при высоких нагрузках (зубчатые колеса, гильзы двигателей, шпиндели, распределительные валы и пр.) или для деталей топок и паровых котлов.

 

Ковкий чугун

 

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Обычный химический состав ковких чугунов: 2,4-2,8 % С; 0,8-1,4 % Si; 1% Мп; 0,1 % S; 0,2 % Р.

Их получают путем специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме (рис. 6.3).

В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на феррит и графит хлопьевидной формы.

При температуре 950-1000 °С происходит графитизация эвтектического и избыточного цементита (превращение метастабильного цементита в стабильный графит и аустенит).

При второй выдержке при температуре 720-740 °С графитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда проводят медленное охлаждение от 770 °С до 700 °С в течение 30 часов при этом происходит кристаллизация по стабильной диаграмме). В результате продолжительного отжига весь углерод выделяется в свободном состоянии.

Рис. 6.3. Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отсутствие линейных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная хлопьевидная форма и изолированность графитных включений обуславливают высокие механические свойства ковких чугунов. Они более стойки при ударах и изгибе, чем серые, и имеют высокие пластические свойства.

По характеру металлической основы ковкие чугуны различают на:

− ферритные (рис. 6.4, а);

− феррито-перлитные (рис. 6.4, б);

− перлитные.

а) б)

Рис. 6.4. Микроструктура ковкого чугуна:

а – ферритная основа, б – ферритно-перлитная основа

Ферритный ковкий чугун КЧ30-6; КЧ33-8; КЧ35-10; КЧ37-12 получают из чугуна белого с содержанием углерода не более 2,5 %, а перлитный КЧ45-7; КЧ50-5; КЧ55-4; КЧ60-3; КЧ65-3; КЧ70-2; КЧ80-1,5 − из белого чугуна, в котором углерода не более 3,2 %.

Маркируют ковкие чугуны по ГОСТ 1215-79 буквами КЧ и двумя числами, первое из которых − минимальный предел прочности на растяжение в десятках мегапаскалей, а второе − относительное удлинение в %.

Например, ковкий чугун КЧ 45-7 имеет временное сопротивление при растяжении 450 МПа, относительное удлинение δ = 7 %, НВ 240 и структуру – Ф + П.

Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки (головки соединительных рукавов воздушной тормозной магистрали, корпусы вентилей, клапаны, муфты, картеры редукторов, коленчатые валы и др.).

 

Высокопрочный чугун

 

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттрием и ферросилицием, которые вводят в жидкий серый чугун в небольшом количестве 0,02-0,08 %. Обычный состав высокопрочного чугуна: 2,7-3,8 % С; 1,6-2,7 % Si; 0,2-0,7 % Мn; 0,02 % S; 0,1 % Р.

По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть:

− ферритным (до 20 % перлита) − ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45;

− перлитным (до 20 % феррита) − ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.

Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна (рис. 6.5). Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью, хорошей износостойкостью, антифрикционностью и некоторой пластичностью. Он является хорошим заменителем литой стали, ковкого чугуна, сплавов цветных металлов.

Рис. 6.5. Микроструктура высокопрочного чугуна на феррито-перлитной основе

Маркируют высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мегапаскалей.

Например, ВЧ40 − высокопрочный чугун, имеет временное сопротивление при растяжении 400 MПa, относительное удлинение − не менее 10 %, твердость НВ 140-220, структура ферритная.

Маркировка по предшествующему ГОСТ 7293-79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах, например, ВЧ40-10.

Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы, шатуны двигателей внутреннего сгорания и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

 

Легированные чугуны

 

Легированные чугуны получают введением в процессе выплавки в состав чугуна (чаще серого) никеля, хрома, марганца, ванадия, титана, меди и других легирующих элементов, которые способствуют измельчению перлита и графита в его структуре.

По количеству легирующих элементов чугуны подразделяются на:

− низколегированные, имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы;

− среднелегированные − мартенситную;

− высоколегированные − аустенитную или ферритную.

По основному легирующему элементу легированные чугуны различают:

− хромистые;

− никелевые;

− алюминиевые и др.

Легированием достигается улучшение прочностных и эксплуатационных характеристик чугуна и особых свойств: износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости, немагнитности и др.

 

Порядок выполнения работы

1. Начертить правую часть и обозначить стабильное равновесие Fe-Fe₃C пунктирными линиями. Описать процессы превращений из жидкого расплава, происходящее при охлаждении белых чугунов с различными содержаниями углерода.

2. Подготовленный микрошлиф установить на предметный столик металлографического микроскопа. Настроить резкость с помощью макро-, а затем микровинта. Рассмотреть различные поверхности микрошлифа, выбрать и зарисовать поверхность с наиболее четко выраженной микроструктурой.

3. В исследуемых микрошлифах белого, серого, высокопрочного и ковкого чугунов определить (приблизительно) содержание связанного углерода по количеству перлитной фазы.

4. Сделать заключение о зависимости свойств чугунов от формы графитовых включений и фазового состава металлической основы.

Содержание отчета

1. Название работы и цель.

2. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (чугунный участок).

3. Схема отжига белого чугуна на ковкий.

3. Микроструктуры чугунов и их описание.

4. Вывод.

 

6.5. Оборудование и материалы:

− металлографический микроскоп;

− диаграмма состояния Fe-Fe₃C;

− структурные диаграммы чугунов в зависимости от содержания углерода и кремния и толщины стенок отливок;

− комплекты микрошлифов нетравленных и травленных чугунов.

 

6.6. Контрольные вопросы

1. Какие сплавы относятся к чугунам?

2. На какие группы подразделяют чугуны?

3. В чем сущность эвтектического превращения в чугунах?

4. Какой углерод называется свободным и химически связанным?

5. Почему белый чугун имеет ограниченное использование?

6. В чем принципиальное отличие между белым и серым чугунами?

7. Основные формы графитовых включений и в каких чугунах они встречаются?

8. Виды металлических основ в серых, ковких и высокопрочных чугунах.

9. Маркировка серых, ковких и высокопрочных чугунов.

10. Основные структурные составляющие белых чугунов.

11. Скажите, фосфидная эвтектика чугунов влияет на свойства?

12. Графит какой формы менее всего ослабляет металлическую основу чугуна?

13. Способы получения серого и высокопрочного чугунов.

14. При каких условиях образуется хлопьевидный графит в ковком чугуне?

15. Какие преимущества имеют чугуны перед сталями?

16. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом доэвтектическом чугуне?

17. Сколько структурных составляющих, можно увидеть при комнатной температуре в белом эвтектическом чугуне?

18. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом заэвтектическом чугуне?

Литература

 

1. Гуляев А. П. Металловедение. − М.: Металллургия, 1986. – 542 с.

2. Арзамасов Б. И. Материаловедение. − М.: Машиностроение, 1986.

3. Лахтин Ю. М., Леонтьева Б. П. Материаловедение. − М.: Машиностроение, 1990. – 493 с.

4. Основы материаловедения. Под ред. И.И.Сидорина. − М.: Машиностроение, 1976.

5. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. − М.: Металлургия, 1983.

6. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. − М.: Металлургия, 1984. − 359 с.

7. Руководство к лабораторным работам по материаловедению. Под ред. И. И.Сидорина. − М.: Высшая школа, 1967.

2 индивидуальное задание