Большая энциклопедия нефти и газа. Разница между серым и белым чугуном

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 .

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.

Белый чугун — это разновидность чугуна, которая в своём составе содержит углеродные соединения. В этом сплаве они называются цементитами. Своё название подобный металл получил благодаря характерному белому цвету и блеску, который хорошо виден на изломе. Этот блеск проявляется благодаря тому, что в составе подобного чугуна отсутствуют большие включения графита. В процентном отношении, он составляет не более 0,3%. Поэтому обнаружить его можно только спектральным или химическим анализом.

Состав и виды белого чугуна

Белый чугун состоит из так называемой цементитной эвтектики. В связи с этим его делят на три категории:

• Доэвтектические. Это такие сплавы, в которых углерод не превышает 4,3% от общего состава. Он получается после полного остывания. В итоге приобретает характерную структуру таких элементов как перлит, вторичный цементит и ледебурит.
• Эвтектические. У них содержание углерода равняется 4,3%.
• Заэвтектический белый чугун. Содержание превышает 4,35% и может достигать 6,67%.

Кроме приведенной классификации его разделяют на обыкновенный, отбеленный и легированный.

Внутренняя структура белого чугуна представляет собой сплав двух элементов: железа и углерода. Несмотря на высокотемпературное производство в нём сохраняется структура с мелкой зернистостью. Поэтому если надломить деталь из такого металла будет наблюдаться характерный белый цвет. Кроме этого, в структуре доэвтектического сплава, например, твёрдых марок, кроме перлита и вторичного цементита всегда присутствует цементит. Его процентное содержание может приближаться к 100%. Это характерно для эвтектического металла. Для третьего вида структура представляет собой состав из эвтектики (Л п) и первичного цементита.

Одной из разновидностей подобных сплавов является так называемый отбелённый чугун. Его основу, то есть сердцевину, составляет серый или высокопрочный чугун. Поверхностный слой содержит высокий процент таких элементов, как ледебурит и перлит. Эффекта отбеливания глубиной до 30 мм добиваются, используя метод быстрого охлаждения. В результате поверхностный слой получается из белого цвета, а далее отливка состоит из обыкновенного серого сплава.

В зависимости от процентного содержания легированных добавок, различают следующие виды металла:

• низколегированные (в них содержится легирующих элементов не более 2,5%);
• среднелегированные (процент подобных элементов достигает 10%);
• высоколегированные (в них количество легирующих добавок превышает 10%).

В качестве легирующих добавок применяют достаточно распространённые элементы. Полученный таким образом легированный белый чугун приобретает новые, заранее заданные свойства.

Свойства белого чугуна

Любой чугунный сплав, с одной стороны, очень прочный, но в то же время обладает достаточной хрупкостью. Поэтому в качестве основных положительных свойств белого чугуна можно выделить:

• Высокую твёрдость. Это значительно затрудняет обработку деталей, в частности, резанием.
• Очень высокое удельное сопротивление.
• Отличную износостойкость.
• Хорошую стойкость к повышенному тепловому воздействию.
• Достаточную коррозийную стойкость, в том числе, к различным кислотам.

Белые чугуны, с пониженным процентом углерода, обладают большей устойчивостью к высоким температурам. Это свойство используется для снижения количества трещин в отливках.

К недостаткам следует отнести:

• Низкие литейные свойства. Он имеет плохое заполнение отливочных форм. Во время заливки могут образовываться внутренние трещины.
• Повышенная хрупкость.
• Плохая обрабатываемость самих отливок и деталей из белого чугуна.
• Большая усадка, которая может достигать 2%.
• Низкая стойкость к ударным воздействиям.

Ещё одним недостатком является плохая свариваемость. Проблемы в сварке деталей из подобного материала вызваны тем, что в момент сварки происходит образование трещин, как при нагреве, так и при охлаждении.

Маркировка белого чугуна

Для маркировки белого чугуна применяют буквы русского алфавита и цифры. Если в нём имеются примеси, то маркировка начинается с буквы «Ч». Состав имеющихся легирующих добавок можно определить по последующим буквам П, ПЛ, ПФ, ПВК. Они свидетельствую о наличии кремния. Если полученный металл обладает повышенной износостойкостью, то его маркировка будет начинаться с буквы «И», например ИЧХ, ИЧ. Например, наличие в маркировке обозначения «Ш», означает, что в структуре сплава имеется графит шаровидной формы.

Цифры указывают на количество дополнительных веществ, присутствующих в белом чугуне.

Марка ЧН20Д2ХШ расшифровывается следующим образом. Это жаропрочный высоколегированный металл. Он содержит следующие элементы: никеля — 20%, меди — 2%, хрома — 1%. Остальные элементы — это железо, углерод, графит шаровидной формы.

Область применения

Этот сплав используют в следующих отраслях: машиностроение, станкостроение, судостроение. Из него производят некоторые элементы бытовых изделий. В машиностроении из него изготавливают: детали грузовых и легковых автомобилей, тракторов, комбайнов и другой сельскохозяйственной техники. Применение легирующих добавок позволяет получать специально заданные свойства. Например, используют при изготовлении плит с различной формой поверхности.

Отбелённый чугун имеет достаточно ограниченную область применения. Из него производят детали несложной конфигурации. Например: шары для мельниц, колеса различного назначения, детали для прокатных станов.

Широкое применение он получил при производстве деталей таких крупных агрегатов, как гидравлические и формовочные машины, другие промышленные механизмы этого направления. Специфическая особенность их работы заключается в том, что они постоянно подвергаются воздействию абразивного материала.

Сплавы железа с углеродом (> 2,14% С) называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск, поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

Серый чугун. Серый чугун (технический) представляет собой по существу сплав Fe -- Si -- С, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 -- 3,8% С. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Серый чугун маркируется буквами С -- серый и Ч -- чугун (ГОСТ 1412 -- 70). После букв следуют цифры. Первые цифры указывают среднюю величину предела прочности при растяжении, а вторые -- среднюю величину предела прочности при испытании на изгиб. Предел прочности при изгибе используют для оценки пластичности чугуна, так как относительное удлинение у всех серых чугунов практически равно нулю.

Белый и отбеленный чугун. Белый чугун вследствие присутствия в нем цементита обладает высокой твердостью, хрупок и практически не поддается обработке резанием, поэтому имеет ограниченное применение. Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина -- серого чугуна. Между этими зонами может быть переходный слой. Отбел на некоторую глубину (12 -- 30 мм) является следствием быстрого охлаждения поверхности, возникающего в результате отливки чугуна в металлические формы (кокиль) или в песчаную форму. Высокая твердость поверхности (НВ 400-500) обусловливает хорошую сопротивляемость против износа, особенно абразивного, полому из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и т. д. В этом случае применяют чугун с пониженным содержанием кремния, который склонен к отбеливанию. Его примерный состав: 2,8-3,6% С; 0,5-0,8% Si; 0.4-0,6% Мп. Вследствие различной скорости охлаждения по сечению и получения разных структур отливка имеет большие внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Для снятия напряжений отливки подвергают термической обработке, т. е. их нагревают при 500-550 С.

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

Контрольные вопросы

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.

Чугун это сплав железа и углерода (количество которого составляет более 2,14%), характеризуется эвтектическим образованиями. Углерод в чугуне находится в виде графита и цементита. В зависимости от форм графита, и количества цементита чугун разделяют на: белый и серый, ковкий и высокопрочный чугун. Хим. состав чугуна содержит в себе постоянные примеси (Si, Mn, PS, P), а в редких случаях также присутствуют легирующие элементы как(> Cr, Ni, V, Al и др.). Обычно чугун хрупкий. Большому распространению чугуна в машиностроении способствовало наличие хороших литейных, а также прочность и твердость. Мировое производство чугуна до кризиса 2008-м составило более 953 млн. тонн (в частности в Китае выплавили- 477 млн. тонн).

Химический состав чугуна и его виды

Белые и серые виды чугуна различают по цвету излома, который обусловливается структурой углерода в чугуне как карбида железа или же свободного графита, высокопрочный чугун с шаровидным графитом, чугуны с вермикулярным графитом называются ковкими. Углерод в белом чугуне находится в виде цементита, а в сером чугуне- в находится в виде графита.

Состав чугуна белого

В белом чугуне весь присутствующий углерод прибывает в состоянии цементита. В структуру белого чугуна входит - перлит, ледебурит, также цементит. Через светлый оттенок чугун получил название белый.

Состав серого чугуна и его структура

Серый чугун - вид чугуна, который, не содержит ледебурита, в нем весь углерод (или часть углерода) находится в виде графита. Название получил благодаря серому цвету поверхности излома.

Принадлежит наряду с белым чугуном, к основным видам чугуна. В состав серого чугуна, кроме железа и углерода (2,5 ... 4,5%), входит кремний около(0,8 ... 4,5%), а также марганец (0,1 ... 1,2%), и фосфор (0 , 02 ... 0,3%) с серой (0,02 ... 0,15%). Предел прочности серых чугунов при растяжении - 100 ... 350 МПа, сжатия - 450 ... 1400 МПа, твердость по Бринеллю - 143 ... 289 HB.

Основная характеристика серого чугуна низкое сопротивление отрыва, достаточно низкая ударная вязкость. Поэтому чем мельче есть графитовые пластины и чем сильнее пластины изолированы одна от одной, тем выше прочные свойства чугуна при одинаковой металлической основе. Данная структура получается модифицированием, процесс введения в жидкий сплав метала небольших количеств веществ, которые называют модификаторами (ферросилиций и силикокальций)

Ковкий чугун, процесс получения

Ковкий чугун получается в результате длительного отжига белого чугуна, после данного процесса образуется графит хлопьевидной формы. Металлическое основание ковкого чугуна содержит: феррит и реже перлит.

Структура высокопрочного чугуна

В своей структуре высокопрочный чугун имеет шаровидный графит, он получается в процессе кристаллизации материала. Шаровидный графит очень ослабляет металлическую основу так сильно как табличный, не концентратором напряжений.

Структурные характеристики половинчатого чугуна

Часть углерода в половинчатом чугуне (более 0,8%) находится в виды цементита. Основные структурные составляющие данного чугуна это- перлит, ледебурит и плоский графит.

Классификация чугунов

От хим состава чугуна и содержания углерода серый чугун называют доэвтектическим имеет (2,14-4,3% углерода),и эвтектическим имеет(4,3%) заэвтектическим имеет(4,3-6,67%). Состав сплава сильно влияет на структуру конечного материала.

В промышленности разные виды чугуна имеют такие маркировки:

• чугун-П1, П2;
• чугун для отливок используют-ПЛ1, ПЛ2,
• перерабатывающий фосфористый вид чугуна-ПФ1, ПФ2, ПФ3,
• перерабатывающий высококачественный вид чугуна-ПВК1, ПВК2, ПВК3;
• чугун имеющий пластинчатый графит-СЧ (цифры идущие после букв "> СЧ", обозначают величину временного сопротивления разрыва (вкгс / мм);

Антифрикционного чугуна виды:

• антифрикционный серый-АЧС,
• антифрикционный высокопрочный вид-АЧВ,
• антифрикционный ковкий вид-АЧК;

Чугун, имеющий шаровидный графит для отливок - ВЧ (цифры идущие после букв "ВЧ" означают временное сопротивление разрыва вкгс / мм;

В начале 16 века чугун начали выплавлять и в Российской империи. Плавка чугуна росла очень большими темпами и за время правления Петра 1 Россия была лидером по выплавке металла в Европе. Со временем литейные цеха начали отделяться от доменных, что дало импульс для развития независимых чугунно-литейных предприятий. В начале 19-го столетия заводы начинают производить ковкий чугун, а в конце 20-го столетия осваивают производство легированного чугуна.