Структура, свойства и применение чугунов

 

Цель работы

1. Изучить основные разновидности чугунов, их строение, свойства и маркировку.

2. Познакомиться с основами выбора марки чугуна для изготовления деталей машин, изделий.

 

Оборудование и материалы для выполнения работы

1. Металлографические шлифы чугунов.

2. Металлографические микроскопы ММУ-3, МИМ-7 и т.п.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Прочитайте внимательно основные сведения по теме работы и разберитесь с классификацией чугунов, их строением, свойствами, областью применения каждой группы материалов.

2. Изучите чугунную часть диаграммы железо-углерод.

3. Изучите под микроскопом металлографические шлифы чугунов и зарисуйте их структуры. На рисунках обозначьте все структурные составляющие и определите, к какой группе относится каждый из изучаемых образцов чугуна.

4. Выполните 1‑2 задания, данные преподавателем, по выбору материала для изготовления изделий.

 

Основные положения

 

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.

Положительными свойствами этого материала являются, хорошие литейные свойства (температура плавления ниже чем у стали, малая усадка, хорошая жидкотекучесть); хорошая обрабатываемость резанием (кроме одной разновидности – белого чугуна); достаточно высокая работоспособность в условиях трения; способность гасить (демпфировать) вибрации; низкая 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).

Рис. 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).

 

П Л а	Л = П + ЦII б	ЦI Л в

 

Рис. 2. Микроструктура белых чугунов:

а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

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 s_в = 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:

1. Ковкий чугун с хлопьевидными включениями графита.

2. Серый чугун. В нем содержится графит в виде пластинчатых включений.

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

Металлическая основа этих чугунов может быть перлитной, ферритной или феррито-перлитной. Схематические структуры рассматриваемых чугунов показаны на рис. 3. 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 (см. рис. 3). 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.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем специального отжига. Это длительная (70 – 80 часов) термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур 950‑1000 °С и после определенной выдержки медленно охлаждается по определённой схеме. 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 s_в в кг/мм² – первая цифра, и относительное удлинение d в % – вторая цифра (ГОСТ 1215 в редакции 1992 г.). Например, КЧ30-6 (s_в = 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.

Рис. 3. Схемы микроструктур чугунов, содержащих графит

 

Серый чугун получают при литье изделий обеспечивая медленное охлаждение металла. Для графитизации углерода в расплав обязательно добавляется кремний. Изменяя содержание кремния от 0,5 % - (перлитный чугун) до 5 % - (ферритная металлическая основа), можно менять структуру и свойства серого чугуна. Маркируется он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении s_в в кг/мм² (ГОСТ 1412-85). Например, СЧ12 (s_в = 12 кг/мм²). Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п.

Высокопрочный чугун получают при выплавке серого чугуна путем его модифицирования его магнием или церием в количестве 0,05 – 0,1 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита в место пластинчатых. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении s_в (ГОСТ 7293-85). Например, ВЧ 40 (d_в = 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 чугунамиспециального назначения. Они дешевле легированных сталей и вследствие лучших литейных свойств оказываются предпочтительнее для получения отливок.

Таблица 1