Формирование структуры белых чугунов

Белыми называют чугуны, в которых углерод полностью находится в химически связанном состоянии, то есть в виде цементита. Поэтому они кристаллизуются в соответствии с диаграммой состояния Fe–Fe₃C.

В зависимости от содержания углерода белые чугуны делятся на три группы: 1) эвтектический (С=4,3 %); 2) доэвтектические (С от 2,14 до 4,3 %); 3) заэвтектические (С от 4,3 до 6,67 %).

Рассмотрим фазовые превращения в белых чугунах при охлаждении.

 

1. Доэвтектический чугун с содержанием С=2,5 % (I) (рис. 5.6):

а –1: простое охлаждение Ж;

1–2: Ж_1–С →А_1–Е;

точка 2: а) А_Е, Ж_С;

б)Ж_С →А_Е+Ц_F, (А_Е+Ц_F – ледебурит);

в) А_Е , Л(А_Е +Ц_F);

2–3: А_Е–S → Ц_II

точка 3: а) А_S, Ц_II, Л(А_S + Ц_II +Ц_К);

б)А_S → Ф_Р + Ц_К , (Ф_Р + Ц_К – перлит);

в) П, Ц_II, Л(П + Ц_II + Ц).

Ниже точки 3 превращений нет.

Конечная структура:

П + Ц_II + Л(П + Ц_II + Ц) → П + Ц_II + Л_ПР (П + Ц),

где Л_ПР – превращённый ледебурит.

Следует отметить: 1) цементит вторичный, который выделяется из аустенита, входящего в состав ледебурита, при микроструктурном исследовании не обнаруживается, так как он сливается с цементитом ледебурита; 2) ледебурит, находящийся между линиями ECF и PSK (1147…727 °С), представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. На линии PSK происходит эвтектоидное превращение А_S→Ф_Р+Ц_К, (Ф_Р+Ц_К – перлит). Поэтому ниже линии PSK ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Такой ледебурит называют превращённым [1].

 

Время

С, %

 

 

Рис. 5.6. Кривые охлаждения белых чугунов

 

 

2. Заэвтектический чугун с содержанием С=5,0 % (II) (см. рис. 5.6):

b –4: простое охлаждение Ж;

4–5: Ж_4–С→ Ц_I;

точка 5: а) Ц_I, Ж_С;

б)Ж_С → А_Е + Ц_F, (А_Е + Ц_F – ледебурит);

в) Ц_I, Л (А_Е + Ц_F);

5–6: А_Е–S→ Ц_II;

точка 6: а) Ц_I, Л (А_S + Ц_F);

б) А_S → Ф_Р + Ц_К , (Ф_Р + Ц_К – перлит);

в) Ц_I, Л (П+ Ц_II + Ц_К).

Конечная структура:

Ц_I +Л_ПР (П + Ц),

где Л_ПР – превращённый ледебурит.

Аналогичным образом можно рассмотреть формирование структуры эвтектического чугуна, которая при комнатной температуре состоит из Л_ПР (П + Ц).

На рис. 5.7 показаны схемы структур белых чугунов.

 

Рис. 5.7. Схемы структур белых чугунов: а – доэвтектический; б – эвтектический;

в – заэвтектический. Темные участки на рис. а – перлит, светлые пластины

на рис. в – первичный цементит

 

ЧУГУНЫ

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится более 2,14 %. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, а также одновременно в виде цементита и графита. В зависимости от формы углерода в сплавах различают белые, серые, ковкие, высокопрочные чугуны.

Белые чугуны

Белыми называют чугуны, в которых углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Цементит придаёт излому чугуна специфический светлый блеск. Поэтому чугун называют белым. Фазовые превращения в белых чугунах протекают согласно диаграмме Fe–Fe₃C и рассмотрены в п. 5.4.

В структуре белых чугунов много цементита. Он обладает высокой твёрдостью и хрупкостью. Белые чугуны не поддаются пластической деформации и обработке резанием. Поэтому для изготовления деталей машин их не используют. Ограниченное применение находят отбеленные чугуны. Белые чугуны используют в качестве передельного чугуна для получения стали, а также как полуфабрикат для получения ковкого чугуна путем специального отжига.

 

Серые чугуны

В серых чугунах углерод полностью или большей частью находится в химически свободном состоянии, то есть в виде графита. Графит в сером чугуне имеет форму пластинок либо розеток (рис.6.1, а).

Серые чугуны кристаллизуются по диаграмме состояний железо–графит. Чугун с одним и тем же количеством углерода может быть белым и серым. Если кристаллизация чугуна прошла с образованием графита, то получается серый чугун, а если с образованием цементита, то белый. Получению серого чугуна способствуют следующие основные факторы: 1) медленное охлаждение из жидкого состояния, особенно в области температур эвтектических превращений; 2) наличия кремния (Si). В серых чугунах содержится до 4 % Si; 3) наличие мелкодисперсных частиц, таких как SiO₂, Al₂O₃, графит, которые присутствуют чугуне. Эти частицы способствуют образованию зародышей графита. Поэтому в жидкий чугун очень часто вводят некоторое количество твёрдых частиц определённых веществ. Этот процесс называют модифицированием, а чугун – модифицированным.

 

 

Рис. 6.1. Схемы структур чугунов с различной формой графита: а – серый чугун;

б – высокопрочный чугун; в – ковкий чугун

 

Постоянными примесями чугуна являются Mn, P и S (марганец, фосфор, сера).

По структуре металлической основы серые чугуны делят на три вида:

1) серый перлитный со структурой перлит+графит. В этом чугуне ~0,8 % углерода находится в виде Fe₃C, который входит в состав перлита.

2) серый феррито-перлитный со структурой феррит+перлит+графит. Количество связанного в виде Fe₃C углерода составляет менее 0,8 %.

3) серый ферритный со структурой феррит+графит. В этом чугуне весь углерод находится виде графита.

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от формы и размеров графитовых включений. Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную пластинами графита. Эти пластинки играют роль надрезов и ослабляют металлическую основу. Поэтому серый чугун плохо сопротивляется растяжению и имеет невысокую прочность и пластичность.

Чем мельче графитовые включения и меньше их количество, тем выше прочность чугуна. Чем крупнее и прямолинейнее форма графитовых включений, тем ниже сопротивление серого чугуна разрыву. Значительно меньше влияние графита при изгибе и особенно при сжатии. Поэтому серый чугун лучше использовать для деталей, работающих на сжатие.

Серый чугун маркируется буквами С – серый и Ч – чугун. После буквы следуют цифры, указывающие минимальное значение временного сопротивления, кгс/мм²: СЧ 18 (временное сопротивление 18 кгс/мм² или 180 МПа).

Ферритные чугуны СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: корпуса редукторов, подшипников, насосов, крышки, маховики и т.п.

Феррито-перлитные серые чугуны СЧ 20, СЧ 21, СЧ 25 предназначены для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: станины различных станков, зубчатые колеса, картеры двигателя, поршни и пр.

Перлитные серые модифицированные чугуны СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45 имеют более высокие механические свойства. Это связано с тем, что графитовые включения мелкие и они разобщены. Модифицированные чугуны используют для деталей, работающих при высоких нагрузках или тяжелых условиях износа: гильзы блоков цилиндров, распределительные валы, корпуса насосов и компрессоров.

Для деталей, которые работают при повышенных температурах, используют легированные серые чугуны. В жаростойкие чугуны добавляют Cr, Al, а в жаропрочные Cr, Ni, Mo.

 

Высокопрочные чугуны

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму (рис. 6.1, б).

Шаровидная форма графита не является активным концентратором напряжений и поэтому меньше ослабляет металлическую основу. Высокопрочные чугуны получают модифицированием магнием. Его вводят в жидкий чугун в количестве 0,03…0,08 %. Под действием магния в процессе кристаллизации графит приобретает шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и пластичностью. По своим механическим свойствам они не уступают литой углеродистой стали. В то же время высокопрочные чугуны имеют хорошие литейные свойства, высокую износостойкость, хорошо обрабатываются резанием, По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным.

По ГОСТу 1985 года высокопрочный чугун маркируется только цифрой, которая указывает величину временного сопротивления. Например, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50.

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях промышленности. Они заменяют сталь во многих конструкциях и изделиях. Их используют для изготовления оборудования прокатных станов, корпусов паровых турбин и лопаток направляющего аппарата, коленчатых валов и многих других ответственных деталей.

 

Ковкие чугуны

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму (рис. 6.1, в).

Ковкий чугун получают из белого чугуна в результате длительного нагрева при высоких температурах. Этот процесс называется графитизирующим отжигом.

В процессе отжига цементит разлагается с образованием графита хлопьевидной формы. Такая форма в отличие от пластинчатой меньше снижает механические свойства металлической основы. Поэтому ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью и пластичностью. Отливки из белого чугуна для отжига на ковкий чугун изготовляют тонкостенными. Толщина сечения отливки не должна превышать 50 мм, иначе в сердцевине при кристаллизации выделяется пластинчатый графит, и чугун становится непригодным для отжига.

Структура металлической основы определяется режимом отжига. По структуре металлической основы ковкие чугуны делятся на ферритные и перлитные.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают временное сопротивление (кгс/мм²), вторые – относительное удлинение (%). Например, КЧ 35-10, КЧ 30-6, КЧ 37-12. Из ковкого чугуна изготавливают детали, работающие при ударных и вибрационных нагрузках.

Ковкие чугуны нашли широкое применение во многих отраслях промышленности. Из них изготавливают водо-, газо-, напоропроводную арматуру, работающую под давлением. Недостатком ковких чугунов является повышенная стоимость, связанная с продолжительным дорогостоящим отжигом.

СТАЛИ

 

Примеси в сталях

Промышленные стали, помимо основных элементов (железа и углерода), всегда содержат и другие элементы. Эти элементы можно разделить на 4 группы: 1) постоянные примеси – Mn (до 0,8 %), Si (до 0,4 %), S, P; 2) скрытые примеси – газы (O₂, H₂, N₂); 3) случайные примеси, попадающие из руд; 4) легирующие элементы.

Легирующие элементы вводятся в сталь для получения специальных свойств. К числу этих элементов относятся Cr, Al, Cu, Mo, W, Ti и т.д., в том числе Mn в количестве более 0,8 % и Si в количестве более 0,4 %.

Стали, содержащие легирующие элементы, называют легированными или специальными.