Большая энциклопедия нефти и газа. Чугуны (белый, серый, высокопрочный, ковкий)
С гранецентрированной кубической решеткой)
Цементит (карбид железа; Fe 3 C метастабильная высокоуглеродистая фаза)
Графит стабильная высокоуглеродистая фаза
Белый чугун
(хрупкий, содержит ледебурит и не содержит графит)
Серый чугун (графит в форме пластин)
Ковкий чугун (графит в хлопьях)
Высокопрочный чугун (графит в форме сфероидов)
Половинчатый чугун (содержит и графит, и ледебурит)
Физико-механические свойства
Отливки белого чугуна обладают износостойкостью, относительной жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Наличие в части их сечения структуры, отличной от структуры белого чугуна, понижает эти свойства. Прочность белого чугуна снижается с увеличением содержания в нём углерода, а следовательно, и карбидов. Твёрдость белого чугуна возрастает с ростом доли карбидов в его структуре, а следовательно, и с увеличением содержания углерода.
Наивысшую твёрдость имеет белый чугун с мартенситной структурой основной металлической массы. Коагуляция карбидов резко снижает твёрдость чугуна.
При растворении в карбиде железа примесей и образовании сложных карбидов твёрдость их и белого чугуна повышается. По интенсивности влияния на твёрдость белого чугуна основные и легирующие элементы располагаются в следующей последовательности, начиная с углерода, определяющего количество карбидов и интенсивнее иных элементов увеличивающего твёрдость чугуна.
Действие никеля и марганца, а отчасти хрома и молибдена, обуславливается их влиянием на образование мартенситно - карбидной структуры и содержание их в количествах, соответствующих содержанию в чугуне углерода, обеспечивает максимальную твёрдость белого чугуна.
Особо высокий твёрдостью НВ 800-850 обладает чугун с содержанием 0,7-1,8 % бора. Белый чугун является весьма ценным материалом для деталей, работающих в условиях износа при очень высоких удельных давлениях и преимущественно без смазки.
Прямая зависимость между износостойкостью и твёрдостью отсутствует; твёрдость не определяет износостойкость, но должна учитываться в совокупности со структурой чугуна. Лучшей износостойкостью обладает белый чугун с тонким строением основной металлической массы, в которой в виде отдельных мелких и равномерно распределённых включений или в виде тонкой сетки расположены карбиды, фосфиды и пр.
Структура основной металлической массы определяет и специальные свойства легированного чугуна - его коррозионную стойкость, жаропрочность, электросопротивление.
В зависимости от состава и концентрации легирующих элементов, основная металлическая масса легированного белого чугуна может быть карбидо - аустенитной, карбидо - перлитной и, помимо этого, содержать легированный феррит.
Основным легирующим элементом при этом является хром, связывающий углерод в карбиды хрома и сложные карбиды хрома и железа.
Твёрдые растворы этих карбидов обладают высоким электродным потенциалом, близким к потенциалу второй структурной составляющей основной металлической массы чугуна - хромистого феррита, а возникающие защитные окисные плёнки определяют повышенную коррозионную стойкость высокохромистого белого чугуна.
В присутствии хрома как дополнительного компонента существенно повышается температурная стойкость карбидов в связи со значительным замедлением диффузионных процессов при комплексном легировании.
Эти характерные особенности легированного белого чугуна определили области его использования в зависимости от структуры в качестве нержавеющего и магнитного чугуна и чугуна с высоким электросопротивлением.
Примечания
См. также
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Белый чугун" в других словарях:
Чугун, в котором весь углерод находится в виде карбида железа или цементита. См. также: Металлургия Финансовый словарь Финам … Финансовый словарь
По цвету свежего излома различают два вида чугуна: а) серый и б) белый. Оба эти вида явно разнятся между собой как по физическим, так и по химическим свойствам; а именно, серый чугун (называемый также мягким) несколько ковок и обладает вязкостью … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
белый чугун - чугун, в котором весь углерод химически связан в цементите; получил название по матово белому излому. Белый чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддается обработке режущим инструментом. Белый чугун широко… …
Белый чугун Энциклопедический словарь по металлургии
БЕЛЫЙ ЧУГУН - (назван по виду излома, имеющего матово белый цвет) чугун, в котором весь углерод находится в форме цементита. Структура белого чугуна при нормальной температуре состоит из цементита и перлита (рис. Б 7). Белый чугун обладает высокой твердостью и … Металлургический словарь - БЕЛЫЙ, о цвете, масти, краске: бесцветный, противный черному. | В сравнительном смысле, светлый, бледный. Белое вино, белое пиво, мед, сливы; белое лицо, белый хлеб, называются так для отличия от красного (вина, меда), черного (пива, слив, хлеба) … Толковый словарь Даля
В машиностроении применяют отливки из серого, ковкого и высокопрочного чугуна. Эти чугуны отличаются от белого чугуна тем, что у них весь углерод или большая его часть находится в сво-бодном состоянии в виде графита (а у белого чугуна весь углерод находится в виде цементита).
Структура указанных чугунов состоит из металлической основы аналогично стали (перлит, феррит) и неметаллических включений — графита.
Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от дру-га в основном формой графитовых включений. Это и определяет раз-личие механических свойств указанных чугунов.
У серого чугуна графит (при рассмотрении под микро-скопом) имеет форму пластинок.
Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нару-шает сплошность металлической основы и действует как надрез или мелкая трещина. Чем крупнее и прямолинейнее формы графи-товых включений, тем хуже механические свойства серого чугуна.
Основное отличие высокопрочного чу-гуна заключается в том, что графит в нем имеет шаровидную (ок-ругленную) форму. Такая форма графита лучше пластинчатой, так как при этом значительно меньше нарушается сплошность металли-ческой основы.
Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевид-ной формы — углерод отжига.
Механические свойства рассматриваемых чугунов можно улуч-шить термической обработкой. При этом необходимо помнить, что в чугунах создаются значительные внутренние напряжения, поэто-му нагревать чугунные отливки при термической обработке следу-ет медленно, чтобы избежать образования трещин.
Отливки из чугуна подвергают следующим видам термической обработки.
Низкотемпературный отжиг. Чтобы снять внутренние напря-жения и стабилизовать размеры чугунных отливок из серого чугуна, применяют естественное старение или низкотемпературный от-жиг.
Более старым способом является естественное старе-ние , при котором отливка после полного охлаждения претерпева-ет длительное вылеживание — от 3—5 месяцев до нескольких лет. Естественное старение применяют в том случае, когда нет требуемо-го оборудования для отжига. Этот способ в настоящее время почти не применяют; производят главным образом низкотемпературный отжиг. Для этого отливки после полного затвердевания укладыва-ют в холодную печь (или печь с температурой 100—200° С) и вместе с ней медленно, со скоростью 75—100° С в час нагревают до 500— 550° С, при этой температуре их выдерживают 2—5 часов и охлаж-дают до 200° С со скоростью 30—50° в час, а затем на воздухе.
Графитизирующий отжиг .
При отливке изделий возможен час-тичный отбел серого чугуна с поверхности или даже по всему сечению. Чтобы устранить отбел и улучшить обрабатываемость чугуна, производится высокотемпературный графитизирующий отжиг с вы-держкой при температуре 900—950° С в течение 1—4 часов и охлаж-дением изделий до 250—300° С вместе с печью, а затем на воздухе. При таком отжиге в отбеленных участках цементит Fe 3 Cраспадает-ся на феррит и графит, вследствие чего белый или половинчатый чугун переходит в серый.
Нормализация.
Нормализации подвергают отливки простой фор-мы и небольших сечений. Нормализация проводится при 850—900° С с выдержкой 1—3 часа и последующим охлаждением отливок на воз-духе. При таком нагреве часть углерода-графита растворяется в аустените; после охлаждения на воздухе металлическая основа полу-чает структуру трооститовидного перлита с более высокой твер-достью и лучшей сопротивляемостью износу. Для серого чугуна нормализацию применяют сравнительно редко, более широко приме-няют закалку с отпуском.
Закалка.
Повысить прочность серого чугуна можно его закалкой. Она производится с нагревом до 850—900° С и охлаждением в воде. Закалке можно подвергать как перлитные, так и ферритные чугу-ны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450—500. В структуре закаленного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения графита. Эффек-тивным методом повышения прочности и износоустойчивости серого чугуна является изотермическая закалка, которая производится ана-логично закалке стали.
Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом можно под-вергать пламенной или высокочастотной поверхностной закалке. Чугунные детали после такой обработки имеют высокую поверхностную твердость, вязкую сердцевину и хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и истиранию.
Легированные серые чугуны и высокопрочные магниевые чугуны иногда подвергают азотированию. Поверхностная твердость азоти-рованных чугунных изделий достигает HV600—800° С; такие дета-ли имеют высокую износоустойчивость. Хорошие результаты дает сульфидирование чугуна; так, например, сульфидированные порш-невые кольца быстро прирабатываются, хорошо сопротивляются ис-тиранию, и срок их службы повышается в несколько раз.
Отпуск.
Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истира-ние, проходят низкий отпуск при температуре 200—250° С. Чугун-ные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску при 500—600° С. При отпуске закаленных чугунов твер-дость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в структуре закаленного чугуна большое ко-личество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содержится большое количество кремния, который повышает отпускоустойчивость мартенсита.
Для отжига на ковкий чугун применяют белый чугун примерно следующего химического состава: 2,5—3,2% С; 0,6—0,9% Si; 0,3— 0,4% Μη; 0,1-0,2% Ρ и 0,06-0,1% S.
Существуют два способа отжига на ковкий чугун:
графитизирующий отжиг в нейтральной среде, основанный на разложении цементита на феррит и углерод отжига;
обезуглероживающий отжиг в окислительной среде, основанный на выжигании углерода.
Отжиг на ковкий чугун по второму способу занимает 5—6 суток, поэтому в настоящее время ковкий чугун получают главным обра-зом графитизацией. Отливки, очищенные от песка и литников, упаковывают в металлические ящики либо укладывают на поддоне, а затем подвергают отжигу в методических, камерных и других от-жигательных печах.
Процесс отжига состоит из двух стадий графитизации. Первая стадия заключается в равномерном нагреве отливок до 950—1000° С свыдержкой 10—25 часов; затем температуру понижают до 750— 720° С при скорости охлаждения 70—100° С в час. На второй ста-дии при температуре 750—720° С дается выдержка 15—30 часов, затем отливки охлаждаются вместе с печью до 500—400° С и при этой температуре извлекаются на воздух, где охлаждаются с произ-вольной скоростью. При таком ступенчатом отжиге в области темпе-ратур 950—1000° С идет распад (графитизация) цементита. В ре-зультате отжига по такому режиму структура ковкого чугуна пред-ставляет собой зерна феррита с включениями гнезд углерода отжи-га — графита.
Перлитный ковкий чугун получается в результате неполного от-жига: после графитизации при 950—1000° С чугун охлаждается вместе с печью. Структура перлитного ковкого чугуна состоит из перлита и углерода отжига.
Чтобы повысить вязкость, перлитный ковкий чугун подвергают сфероидизации при температуре 700—750° С, что создает структуру зернистого перлита.
Чтобы ускорить процесс отжига на ковкий чугун, изделия из белого чугуна подвергают закалке, затем проводят графитизацию при 1000—1100° С Ускорение графитизации закаленных чугунов при отжиге объясняется наличием большого количества центров графитизации, образовавшихся при закалке. Это дает возможность сократить время отжига закаленных отливок до 15—7 часов.
Термическая обработка ковкого чугуна.
Чтобы повысить проч-ность и износоустойчивость, ковкие чугуны подвергают нормализа-ции или закалке с отпуском. Нормализация ковкого чугуна произ-водится при 850—900° С с выдержкой при этой температуре 1—1,5 часа и охлаждением на воздухе. Если заготовки имеют повышенную твердость, их следует подвергать высокому отпуску при 650—680° С с выдержкой 1—2 часа.
Серые, высокопрочные и ковкие чугуны относятся к материалам, в которых весь углерод или его часть находится в виде графита. Излом этих чугунов – серый, матовый. В их структуре различают: структуру металлической основы и выделения графита. Отличаются они друг от друга только формой выделений графита.
В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок (прожилок, чешуек); в высокопрочных – в виде шариков; в ковких – в виде хлопьев (рис. 4.2).
Пластинчатый графит. В обычном сером чугуне графит образуется в виде лепестков; такой графит называется пластинчатым. На рис. 4.2, а показана структура обычного ферритного чугуна с прожилками графита; пространственный вид таких графитных включений показан на рис. 4.3, а (видно пересечение пластинчатых включений плоскостью шлифа).
Шаровидный графит . В современных так называемых высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния (или церия), графит приобретает форму шара. На рис. 4.2, б показана микроструктура серого чугуна с шаровидным графитом, а на рис. 4.3, б – фотография шаровидного графитного включения в электронном микроскопе.
Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость цементита, с помощью отжига разложить его, то образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную, но не округлую форму. Такой графит называется хлопьевидным, или углеродом отжига. Микроструктура чугуна с хлопьевидным графитом показана на рис. 4.2, в . На практике чугун с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.
а б в г
Рис. 4.2. Форма графита в чугунах:
а – пластинчатая (обычный серый чугун), × 100; б – шаровидная (высокопрочный чугун), × 200; в – хлопьевидная (ковкий чугун), × 100; г – вермикулярная, × 100
Рис. 4.3. Графитные включения в чугуне (× 2000):
а – пластинчатые; б – шаровидные
Вермикулярный графит – в виде глистообразных прожилок (рис. 4.2, г ).
Таким образом, чугуны называют:
– с пластинчатым графитом обычным серым чугуном;
– с червеобразным графитом – серым вермикулярным чугуном;
– чугун с шаровидным графитом – высокопрочным чугуном;
– чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.
По структуре металлической основы все чугуны классифицируются:
1) на ферритные – со структурой феррита и графита (количество связанного углерода С связ = 0,025%);
2) феррито-перлитные ‑ со структурой феррита, перлита и графита (количество С связ = от 0,025 до 0,8%);
3) перлитные ‑ со структурой перлита и графита (количество С связ = 0,8%).
Отсюда можно сделать заключение, что металлическая основа в этой группе чугунов похожа на структуру эвтектоидной и доэвтектоидной стали и железа и отличается только наличием графитных включений (углерода в свободном состоянии), предопределяющих специфические свойства чугунов.
а б в
Рис. 4.4. Микроструктура серого чугуна:
а – перлитного, × 200; б – феррито-перлитного, × 100; в – ферритного, × 100
Структура перлитного чугуна состоит из перлита с включениями графита (рис. 4.4, а - графит в виде прожилок; типично для серого чугуна). Перлит содержит 0,8% С, следовательно, это количество углерода в сером перлитном чугуне находится в связанном состоянии (т. е. в виде Fe 3 C), остальное количество находится в свободном виде, т. е. в форме графита.
Феррито-перлитный чугун (рис. 4.4, б ) состоит из феррита и перлита + включения веретенообразного графита. В этом чугуне количество связанного углерода меньше 0,8% С.
В ферритном чугуне (рис. 4.4, в ) металлической основой является феррит, и весь углерод, имеющийся в сплаве, присутствует в форме графита (на фотографии в виде веретенообразного графита).
На схемах структур (табл. 4.1) обобщается описанная выше классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита.
Серые чугуны. Серые чугуны, как и белые, получаются непосредственно при отливке (при кристаллизации из жидкого расплава). Поскольку образование графита из жидкости – медленный процесс (работа образования зародыша велика: требуется значительная диффузия атомов углерода и отвод атомов железа от фронта кристаллизации графита), то он возможен только в узком интервале температур. Следовательно, охлаждение серого чугуна ведется медленно, и цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, будучи неустойчивым химическим соединением, в особенности при высоких температурах, распадается с образованием графита:
Fe 3 C ® Fe γ (С) + C гр при температуре выше 727°С
Fe 3 С ® Fe α (С) + С гр при температуре ниже 727°С (ниже линии PSK).
С ускорением охлаждения чугуна вероятность образования в нем графита уменьшается и при определенной скорости охлаждения часть сплава может закристаллизоваться в соответствии со стабильной, а часть, например поверхностный слой, ‑ с метастабильной диаграммами. Чугунные отливки, у которых поверхностные слои имеют структуру белого чугуна, а сердцевина – серого, называют отбеленными. Отбел их на некоторую глубину – следствие более быстрого охлаждения поверхности. Следовательно, обязательным условием для получения серого чугуна является очень малая скорость охлаждения расплава.
Графит в сером чугуне выделяется в виде пластин. Пластинчатые включения графита в серых чугунах можно рассматривать как трещины, надрезы, создающие большие концентрации напряжений в металлической основе. Поэтому свойства этих чугунов сильно отличаются от свойств стали.
Для определения наличия графита и формы его включений исследуют нетравленый микрошлиф с помощью металлографического микроскопа. Графит выглядит темной фазой на светлом фоне полированной металлической основы, затем микрошлиф травят (3–5%-ным раствором HNO 3 в спирте) и устанавливают структуру металлической основы.
По степени графитизации различают несколько видов серых чугунов: перлитный, перлито-ферритный и ферритный чугун. Если количество связанного углерода будет составлять больше 1%, такой чугун называется половинчатым. Его структура состоит из ледебурита, перлита и графита.
Таблица 4.1
Схемы структур чугуна
Однако кроме скорости охлаждения, существенное влияние на процесс графитизации оказывает количество присутствующих примесей, легирующих элементов и центров кристаллизации (модификаторов).
Все элементы, вводимые в чугун, делятся:
1) на элементы, препятствующие графитизации (Mn, Cr, W, Мо, S, О 2 и т.д.), которые способствуют получению углерода в связном состоянии в виде легированного цементита и других карбидов и препятствуют распаду его при повышенных температурах;
2) элементы графитообразующие (Si, C, Al, Ni, Cu и др.), которые способствуют получению углерода в свободном состоянии в виде графита.
Примеси Mn, Si, S, Р, присутствующие в чугуне, главным образом и влияют на процесс графитизации, а следовательно, на структуру и свойства чугуна.
Чтобы определить, какую структуру следует ожидать в зависимости от суммарного содержания углерода и кремния, а также в зависимости от скорости охлаждения (толщины стенки отливки), пользуются структурной диаграммой (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Влияние скорости охлаждения и суммарного содержания кремния
и углерода в чугуне на его структуру:
I – белые чугуны; II – серые перлитные чугуны; III – серые ферритные чугуны
Следовательно, чтобы избежать отбела чугуна, детали тонкого сечения отливают из чугуна с повышенным содержанием графитообразующих элементов (Si, Ni, С). Для отливки деталей крупного сечения можно применить чугун с меньшим содержанием этих элементов.
Величина и форма выделившихся графитных включений зависит также от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации.
Центрами кристаллизации могут быть мельчайшие частички окислов Al 2 O 3 , CaО, SiO 2 , MgO и др. Воздействие на процесс графитизации с помощью образования дополнительных центров кристаллизации называется модифицированием, а сами элементы называются модификаторами. Модификаторы вводят в жидкий чугун перед его разливкой.
Серый чугун имеет низкие механические свойства, т. к. пластинки графита надрезают металлическую основу.
В зависимости от прочности металлической основы и количества графита серые чугуны могут иметь предел прочности при растяжении примерно от 100 до 400 МПа при практически нулевом значении относительного удлинения. На сжатие серые чугуны работают много лучше, чем на растяжение, т. к. при сжимающих нагрузках надрезающее действие пластинок графита оказывается незначительным.
Согласно ГОСТ 1412-70, различают 11 марок серого чугуна: СЧ00 (не испытывается); СЧ12-28; СЧ15-52; СЧ18-36; CЧ21-40; СЧ24-44; СЧ28-48; СЧ32-52; СЧЗ6-56; СЧ40-60; СЧ-44-64.
Первая цифра показывает предел прочности при растяжении, а вторая – предел прочности при изгибе в кГ/мм 2 .
Марка чугуна СЧ12-28 характеризуется ферритной металлической основой.
Марки чугуна СЧ15-52, СЧ18-36 – феррито-перлитной металлической основой.
Чугуны этих марок применяются для малоответственных деталей с небольшими нагрузками (строительные колонны, фундаментные плиты, кронштейны, маховики, зубчатые колеса).
Остальные марки имеют перлитную металлическую основу с пониженным содержанием углерода и кремния. Чугуны с перлитной основой применяют для ответственных деталей, работающих на износ при больших давлениях (станины станков, поршни, цилиндры, детали компрессорного, турбинного и металлургического оборудования). Серый чугун указанных марок обязательно модифицируется силикокальцием или ферросилицием, который содержит около 2% кальция, или другими присадками с целью предотвращения первичной кристаллизации по метастабильной диаграмме.
Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают путем модифицирования жидкого расплава магнием или церием. Магний и церий вводят в сравнительно небольших количествах: 0,1 – 0,2% к весу жидкого чугуна, подвергающегося модифицированию. Магний и церий способствуют образованию включений графита шаровидной формы (рис. 4.2, б , 4.3, б ).
Шаровидный графит может образовываться в процессе первичной кристаллизации, а также в процессе отжига белого модифицированного чугуна. Безусловно, наиболее желательно образование шаровидного графита непосредственно при первичной кристаллизации, так как в этом случае не требуется высокотемпературного отжига. Кроме того, образование графита в структуре при первичной кристаллизации резко уменьшает усадку сплава. А это в свою очередь существенно упрощает технологию литья.
Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и последующими цифрами.
Первые две цифры марки показывают среднее значение предела прочности при растяжении в кг/мм 2 , вторые – относительное удлинение в процентах. Например, чугун марки ВЧ60-2 имеет предел прочности на растяжение σ = 600МПа; относительное удлинение δ = 2%.
По ГОСТ 7293-70 предусмотрено 9 марок высокопрочного чугуна.
Отливки этих чугунов используют в авто- и дизелестроении для коленвалов, крышек цилиндров; в тяжелом машиностроении – для деталей прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании – для траверс прессов, прокатных валков; в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей и т. д. Также их применяют и для деталей, работающих в подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 1200 МПа).
Ковкий чугун. Ковкие чугуны получаются путем специального графитизирующего отжига (томление) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,27 до 3,2% С.
Существенный недостаток процесса получения ковкого чугуна – длительность отжига, составляющая 70 – 80 ч. Для его ускорения применяют различные меры (модифицирование алюминием (реже бором, висмутом), повышение температуры первой стадии (но не выше 1080°С)).
В настоящее время разработан метод ускоренного отжига ковкого чугуна, заключающийся в том, что отливки из белого чугуна перед графитизирующим отжигом предварительно закаливаются, что способствует снижению длительности отжига до 30 – 60 ч.
График получения ковкого чугуна показан на рис. 4.6.
Рис. 4.6. Графики получения ковких чугунов
Для получения ковкого чугуна необходимо:
– отливки из малоуглеродистого белого чугуна, содержащего не более 2,8% углерода, медленно нагревать в течение 20 – 25 часов в нейтральной среде до температуры 950 – 1000°С и при этой температуре длительно (10 – 15 ч.) выдерживать (первая стадия графитизации);
– затем медленно охлаждать до температуры немного ниже эвтектоидного превращения (700 – 740°С в зависимости от состава чугуна и длительное время (30 часов) выдерживать при этой температуре (вторая стадия графитизации);
– вести охлаждение на воздухе.
При первой стадии графитизации цементит ледебурита и вторичный цементит распадаются с образованием аустенита и хлопьевидного графита по реакции:
Fe 3 C ® Fe γ (С) + С
Цементит = аустенит + графит
При охлаждении от первой до второй стадии графитизации скорость охлаждения должна обеспечивать выделение вторичного цементита из аустенита и его распад на аустенит и графит по вышеприведенной формуле.
При второй стадии графитизации цементит перлита распадается на феррит и графит по реакции:
Fe 3 C ® Fe α (С) + С
Цементит = феррит + графит
Структура после окончательной обработки будет состоять из феррита и хлопьевидного графита.
Продолжительность всей термической обработки составляет 70 – 80 часов.
Если при второй стадии графитизации выдержка для полного распада цементита перлита на феррит и графит будет недостаточной, то в этом случае получают феррито-перлитный ковкий чугун; если выдержки не будет совсем, получают перлитный ковкий чугун со структурой перлит и хлопьевидный графит.
Желательно, чтобы содержание углерода в ковком чугуне было низким, т. к. с увеличением содержания углерода увеличивается количество свободного графита после отжига чугуна и ухудшаются его свойства. Однако уменьшение содержания углерода повышает температуру плавления, создает трудности при отливке, повышает стоимость отливки и т. д.
Для получения перлитного ковкого чугуна иногда применяют ваграночный белый чугун с содержанием до 3,2% углерода. Отжиг при этом производят в обезуглероживающей (окислительной) среде с последующим охлаждением на воздухе. Такой отжиг обеспечивает значительное выгорание углерода.
Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ с цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении в кг/мм 2 , вторые цифры – относительное удлинение в процентах.
По ГОСТ 1215-59 ковкие чугуны имеет следующие марки:
– ферритный чугун: КЧ37-12, КЧ35-10, КЧ33-8, КЧ30-6;
– феррито-перлитный и перлитный ковкий чугуны: КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2.
Отливки из ковкого чугуна хорошо сопротивляются ударам и вибрационным нагрузкам, хорошо обрабатываются резанием, обладают достаточной вязкостью.
Ковкий чугун используется в автомобильной, тракторной промышленности, сельскохозяйственном машиностроении, вагоно-, станкостроении для деталей высокой прочности, воспринимающих знакопеременные и ударные нагрузки, работающих в условиях повышенного износа. Широкое его применение обусловлено, прежде всего, хорошими литейными свойствами исходного белого чугуна, что позволяет получать тонкостенные отливки сложной формы. Ферритные ковкие чугуны идут на изготовление деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках (кратеры редукторов, ступицы, крюки, скобы) и для менее ответственных (гайки, глушители, фланцы, муфты). Из перлитного ковкого чугуна изготавливают звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки и др.
Порядок выполнения работы
1. Изучите классификацию чугунов, их строение, маркировку и способы получения.
2. Исследуйте под микроскопом шлифы и указать, к какому виду чугунов относится каждый образец.
3. Определите условия получения изучаемой структуры.
4. Установите влияние каждой структурной составляющей на свойства чугуна.
5. Протравите шлифы и изучите микроструктуру под микроскопом, зарисовать, укажите структурные и фазовые составляющие.
6. Установите различие в свойствах рассмотренных структур.
7. Составьте сводную таблицу рассмотренных структур, полученные данные занесите в табл. 4.2.
8. Составьте отчет о проделанной работе.
При составлении отчета необходимо:
1) привести краткую классификацию чугунов;
2) дать определение белым, серым, высокопрочным и ковким чугунам;
3) начертить часть диаграммы Fe – Fe 3 C, которая относится к области чугунов;
4) зарисовать все просмотренные структуры чугунов до и после травления с указанием названий структурных составляющих и класса чугунов;
5) указать химический состав белых чугунов и их положение на диаграмме;
6) описать способы получения, свойства и область применения каждого вида чугунов; указать маркировку.
Данные по проделанной работе свести в табл. 4.2.
Таблица 4.2
1. Какие преимущества чугунов перед сталью?
2. Как классифицируются чугуны?
3. Чем характеризуются структура и свойства чугуна?
4. Как влияет форма графита на свойства чугунов?
5. Сколько углерода содержит чугун?
6. В каких видах может находиться углерод в чугунах?
7. В каких чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии?
8. В каких чугунах весь углерод или его часть находится в виде графита?
9. Способы получения, свойства и применение белых чугунов.
10. Как получают белый чугун?
11. Сколько графита в белом чугуне?
12. Какие элементы способствуют отбелу?
13. Какие элементы способствуют графитизации?
14. Какая структура доэвтектического белого чугуна?
15. Какая структура эвтектического белого чугуна?
16. Какова структура заэвтектического белого чугуна?
17. Что такое ледебурит?
18. Что определяет прочность серого чугуна?
19. Как получают серый чугун?
20. Какова структура металлической основы серых чугунов?
21. Хорошо ли куется ковкий чугун?
22. Как получают ковкий чугун?
23. Какие процессы идут на первой стадии графитизации (получение ковких чугунов)?
24. Какие процессы идут на второй стадии графитизации (получение ковких чугунов)?
25. Какова форма графита в ковких чугунах?
26. Структура ковкого чугуна:
27. Как получают высокопрочный чугун?
28. Структура высокопрочного чугуна:
29. Какова форма графита в высокопрочных чугунах?
30. Что такое модифицирование и с какой целью его применяют?
31. Какова форма графита в серых чугунах?
32. Структура серого чугуна
33. Маркировка серых, высокопрочных и ковких чугунов.
34. Что обозначают цифра в марке чугуна СЧ15?
35. Что обозначает цифра в марке чугуна ВЧ60?
36. Что обозначает цифра 30 в марке чугуна КЧ 30-6?
37. Что обозначает цифра 6 в марке чугуна КЧ 30-6?
Буква А в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введенного в сталь.
Буква А в начале марочного обозначения указывает на то, что это Автоматная сталь, предназначенная для изготовления деталей массового производства на станках-автоматах (AI2, А30, А40Г – сернистые; ACI4, АС40, АС35Г2 – свинецсодержащие; А35Е, А40ХВ – сернистоселенистые; АЦ20, АЦ40Г – кальцийсодержащие). Цифрами, указывается среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Не следует путать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, приобретенной сталью в результате закалки. Закаливаемость зависит главным образом от содержания углерода (см. рис. 6 лабораторной работы № 8).
Похожая информация.
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита (Fe3C) или графита. Цементит имеет светлый цвет, обладает большой твердостью и трудно поддается механической обработке. Графит, наоборот, темного цвета и достаточно мягок. В зависимости от того, какая форма углерода преобладает в структуре, различают: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.).
Белый чугун - вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии находится в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0,03-0,30 %) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Отливки белого чугуна обладают износостойкостью, относительной жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Прочность белого чугуна снижается, а твердость увеличивается с увеличением содержания в нём углерода.
Белый чугун очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для изготовления деталей из ковкого чугуна. Такой чугун называется также передельным.
Серый чугун – сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет. Отдельной разновидностью (группой марок) серого чугуна является высокопрочный чугун с графитом глобулярной (шаровидной) формы, что достигается путем его модифицирования магнием (Mg), церием (Ce) или другими элементами.
Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.
Высокая хрупкость, свойственная серым чугунам вследствие наличие в их структуре графита, делает невозможным их применение для деталей, работающих в основном «на растяжение» или «на изгиб»; чугуны используются лишь при работе «на сжатие».
Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых указывают гарантированное значение предела прочности в кг/мм², например СЧ30. Высокопрочные чугуны маркируются буквам ВЧ, после которых указывают прочность и, через тире, относительное удлинение в процентах, например ВЧ60-2.
Ковкий чугун –условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна отливкой и дальнейшей термической обработкой. Используется длительный отжиг, в результате которого происходит распад цементита с образованием графита, то есть процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим.
Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако графитовые включения в ковком чугуне иные, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что включения графита в ковком чугуне расположены в форме хлопьев, которые получаются при отжиге, и изолированны друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и чугун обладает некоторой вязкостью и пластичностью. Из-за своей хлопьевидной формы и способа получения (отжиг) графит в ковком чугуне часто называют углеродом отжига. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается).
Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.
Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число-предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число - относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.
Высокопрочный чугун – чугун, имеющий графитные включения сфероидальной формы. Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхности к объему, что определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна.
Высокопрочный чугун наиболее часто применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства высокопрочных труб (водоснабжение, водоотведение, газо-, нефте-проводы). Изделия и трубы из Высокопрочного чугуна отличаются высокой прочностью, долговечностью, высокими эксплуатационными свойствами.
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Чугуном принято называть железоуглеродистые сплавы, содер-жащие углерод при нормальных условиях кристаллизации выше пре-дела растворимости в аустените и эвтектику в структуре. В соот-ветствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов чугуном являются сплавы, содержащие углерода более 2%. Эвтектика в структуре этих сплавов в зависимости от условий ее образования может быть карбидной или графитной.
Приведенное определение, лежащее в основе классификации обычных железоуглеродистых сплавов, не всегда является доста-точным.
В самом деле, карбидная эвтектика имеется не только в чугунах, но и в высоколегированных сталях, содержащих мало углерода (менее 2%), например в быстрорежущих сталях. Сложным является вопрос и с графитной эвтектикой, поскольку вторичный и эвтектоидный графит не выделяются отдельно. По одной только структуре бывает трудно правильно отличить графитизированный чугун от графитизированной стали. Поэтому часто приходится прибегать к допол-нительным определениям. В частности, характерной особенностью чугуна являются лучшие литейные и худшие пластические свойства по сравнению, со сталью, что является следствием высокого содер-жания углерода (значительно большего предела растворимости в аустените). Общепринятые границы между чугуном и сталью при содержании углерода в 2% и более носят условный характер неза-висимо от степени легирования и характера структуры.
Структура чугуна остается важнейшим классификационным при-знаком, так как она определяет его основные свойства. Структура графитизированных чугунов состоит из металлической основы, пронизанной графитными включениями. Последние очень благо-приятно влияют на износостойкость и циклическую вязкость чугуна.
К важнейшим классификационным признакам относятся также механические свойства (а для чугунов специального назначения и специальные свойства), состав отливок, технология производства, конструкция отливок и области их применения.
Прочностные свойства чугуна определяются характером метал-лической основы и степенью ослабления этой основы графитными включениями. К последним относятся прежде всего количество, форма и характер распределения графитных включений.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ
В чугунах, кроме железа и углерода, содержится (в качестве обычно определяемых постоянных примесей) кремний, марганец, фосфор и сера. Чугуны содержат также незначительные количества кислорода, водорода и азота.
По химическому составу чугуны делятся на нелегированные и легированные.
Нелегированными считаются чугуны, в которых количество мар-ганца не превосходит 2% и кремния 4%. При наличии этих элементов в больших количествах или при содержании специальных примесей чугуны считаются легированными. Принято считать, что в малолегированных чугунах количество специальных примесей (Ni, Сr, Сu и т. п.) не превосходит 3%.
При малом и умеренном легировании стремятся улучшить общие свойства чугуна —однородность структуры, сохранение прочности и упругости при нагреве до относительно невысоких температур — 300—400°, повышение износостойкости, повышение прочности и т.д.
При среднем, повышенном и высоком легировании чугун приобре-тает специальные свойства, так как значительно меняется состав твердых растворов и карбидов. В этом случае наибольшее значение приобретает изменение характера металлической основы. Путем легирования можно получить непосредственно в литом состоянии мартенсит, игольчатый троостит и аустенит. Это повышает коррозионностойкость, жаростойкость и меняет магнитные свойства.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРУКТУРЕ И УСЛОВИЯМ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАФИТА
По степени графитизации, формам графита и условиям их обра-зования различают следующие типы чугунов:
б) половин-чатый,
в) серый с пластинчатым графитом,
г) высокопрочный с шаровидным графитом и
д) ковкий.
Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом термической обра-ботки.
По степени графитизации белый чугун является почти неграфитизированным, половинчатые чугуны являются малографитизированными, а остальные чугуны —значительно графитизированными (рис.1).
Рис 1. Схема классификации чугунов по степени графитизации, виду излома, форме и условиям образования графита
В белых и половинчатых чугунах обязательно наличие ледебу-рита, а в значительно графитизированных чугунах ледебурита не должно быть.
Структура чугуна в одной отливке может быть различной и при-надлежать к разным типам чугуна; иногда даже специально доби-ваются получения различных структур в разных слоях, например при производстве отбеленных прокатных валков и дробильных шаров. Наружные слои состоят из белого чугуна, переходные слои из поло-винчатого чугуна, сердцевина из значительно графитизированного чугуна.
Рассмотрим подробнее главнейшие особенности перечисленных чугунов.
а) Белый чугун. Белым называется чугун, у которого почти весь углерод находится в химически связанном состоянии. Белый чугун весьма тверд, хрупок и очень трудно обрабатывается резцами (даже из твердых сплавов).
Рис. 2. Структура белого чугуна (ледебурит, перлит и вторичный цементит)
На рис. 2 показана микроструктура нелегированного белого доэвтектического чугуна, состоящая из ледебурита, перлита и вто-ричного цементита. В легированных или термообработанных чугунах вместо перлита может быть троостит, мартенсит или аустенит.
Отливки из белого чугуна из-за большой твердости и хрупкости имеют ограниченное применение. Они применяются как износо-стойкие, коррозионностойкие и жаростойкие.
Белым чугун называется потому, что вид излома у него светло-кристаллический, лучистый (рис. 3).
Рис. 3. Вид излома белого чугуна.
б) Половинчатый чугун. Половинчатый чугун характерен тем, что наряду с карбидной эвтектикой в структуре имеется и графит. Это означает, что количество связанного углерода превосходит его предельную растворимость в аустените в реальных условиях затвер-девания.
Структура половинчатого чугуна — ледебурит + перлит + гра-фит. В легированных и термически обработанных чугунах можно получить мартенсит, аустенит или игольчатый тростит.
Половинчатым чугун называется потому, что вид излома у него представляет собой сочетание из светлых и темных участков кристал-лического строения. Половинчатый чугун тверд и хрупок; приме-нение изделий из половинчатого чугуна ограничено. Чаще всего эта структура встречается в отбеленных отливках в качестве пере-ходной зоны между отбеленным слоем и графитизированной частью.
в) Серый чугун (СЧ). Серый чугун наиболее распространенный машиностроительный материал. Главное отличие серого чугуна заключается в том, что графит в плоскости шлифа имеет пластин-чатую форму (рис. 4). Когда пластинки очень дисперсны, графит назы-вают дисперсным или точечным Получение пластинчатой формы графита не требует термо-обработки или обязательного модифицирования.
Пластинчатый графит раз-личают по степени изолирован-ности, характеру расположения, форме и размерам пластинок
Рис. 4 . Пластинчатый графит (прямолинейный). х100
Рис. 5. Пластинчатый графит, колониями большой степени изолированности. х100.
На рис. 5 показан пластинчатый графит, расположенный коло-ниями большой степени изолированности, а на рис. 6 малой степени изолированности. Последний графит (дисперсный) расположен между дендритами и называется междендритным точечным. На фиг. & показан междендритный пластинчатый графит, а на рис. 8 розеточный графит.
Рис. 6. Пластинчатый графит, колониями малой степени изолированности. х100.
Рис. 7. Междендритный графит. х100.
Рис. 8.Розеточный графит. х100.
Рис. 9. Завихренный графит. х100.
Рис. 10. Структура серого чугуна (сорбит, графит и фосфиды) х400.
Рис. 11. Перлито-ферритный серый чугун. х100 .
.jpg)
Рис. 12. Шаровидный графит. х400.
Рис. 13. Перлитный высокопрочный. х400 .
Рис. 14. Перлито-ферритный высокопрочный чугун. х100
.
Рис. 15. Ферритный высокопрочный чугун. х200.
Графит на рис. 4 называется прямолинейным, или крупным: в отличие от завихренного, показанного на рис. 9.
По преимущественной длине сечений на шлифе графитные вклю-чения делятся на десять групп, указанных ниже.
Вид излома серого чугуна в значительной степени зависит от количества графита —чем больше графита, тем темнее излом.
Отливки из серого чугуна производятся любой толщины.
Вследствие сильного ослабляющего действия пластинок графита серому чугуну свойственны почти полное отсутствие относительного удлинения (менее 0,5%) и весьма низкая ударная вязкость.
В связи с тем, что серый чугун независимо от характера металли-ческой основы имеет низкую пластичность, большей частью стре-мятся к получению его с перлит-ной основой, поскольку перлит значительно прочнее и тверже фер-рита. Снижение количества пер-лита и повышение за счет этого количества феррита приводят к потере прочности и износостой-кости без повышения пластичности. Не дают также большой пластичности легирование серого чугуна и получение аустенитной основы.
Рис. 16. Хлопьевидный и крабовидный графиты.
Рис. 17. Ковкий чугун с ферритной основой.
На рис. 10 показана структура перлитно-графитного серого чугуна, а на рис. 11 структура перлитно-ферритного серого чугуна с примерно равным количеством перлита и феррита.
г) Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ). Прин-ципиальное отличие высокопрочного чугуна от других видов чугуна заключается в шаровидной форме графита, (рис. 12), которая полу-чается главным образом путем введения в жидкий чугун специаль-ных модификаторов (Mg, Се). Поэтому высокопрочный чугун часто называют магниевым, хотя в ГОСТе он назван «высокопрочным». Размеры и количество графитных включений бывают различными.
Шаровидная форма графита является наиболее благоприятной из всех известных форм. Шаровидный графит меньше других форм графита ослабляет металлическую основу. Металлическая основа высокопрочного чугуна бывает в зависимости от требуемых свойств перлитной (рис. 13), перлитно-ферритной (рис. 14) и ферритной (рис. 15). Путем легирования и термообработки можно получить аустенитную, мартенситную или игольчато-трооститную основу.
Отливки из высокопрочного чугуна так же, как и серого чугуна, могут производиться любой толщины.
д) Ковкий чугун (КЧ). Главное отличие ковкого чугуна заклю-чается в том, что графит в нем имеет хлопьевидную или шаровидную форму. Хлопьевидный графит бывает различной компактности и дис-персности (рис. 16 Л, Б, В, Г), что отражается на механических свойствах чугуна.
Промышленный ковкий чугун производится главным образом с ферритной основой; в ней однако всегда имеется перлитная кайма. В последние годы стали широко применяться чугуны с феррито-перлитной и перлитной основой. Чугун с ферритной основой (рис. 17) обладает большой пластичностью.
Излом у ферритного ковкого чугуна черно-бархатистый; с уве-личением количества перлита в структуре излом становится значи-тельно светлее.
Соответственно можно классифицировать чугуны по характеру шихты, способу плавки и способу обработки жидкого чугуна.
Большое влияние на свойства чугуна оказывает также состояние формы и характер заливки в нее. По способу получения отливок чугунное литье можно разделить на кокильное (измельчение струк-туры за счет ускоренного охлаждения), центробежное (плотная структура), армированное (упрочнение отливок) и т. п.
Значительное изменение свойств достигается термообработкой отливок. С помощью термической обработки можно изменить сте-пень дисперсности металлической основы и ее характер вплоть до превращения ее в игольчато-трооститную и мартенситную. До неко-торого предела можно изменить количество связанного углерода, а при химико-термической обработке можно в поверхностных слоях изменить и состав чугуна. По виду термической обработки можно разделить отливки на отожженные, нормализованные, улучшенные, поверхностно-закаленные, азотированные и т. п.
6. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ВИДАМ ОТЛИВОК И ОБЛАСТЯМ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Чугунные отливки по видам отливок и областям их применения можно делить на станочные, цилиндровые, автомобильные, подшип-никовые, прокатные валки из отбеленного чугуна и т. п.
Из приведенных классификаций наиболее четкой является клас-сификация по структуре, наименее четкой является классификация по видам отливок, поскольку чугуны с одинаковой структурой и одинаковым составом могут быть пригодны для различных видов отливок и отраслей машиностроения.
Необходимо отличать главнейшие (определяющие) признаки клас-сификации — форма графита от уточняющих признаков, к которым относится характер металлической основы, способ изготовления и т. п. Например, мало сказать серый чугун (пластинчатый графит), надо уточнить, какой серый чугун по металлической основе, как он получен (модифицированием или термической обработкой), леги-рован ли и чем он легирован.