Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ
6.1. Цель работы: − изучить особенности микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов; − установить зависимость свойств от состава и структуры. Теоретическое обоснование Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода свыше 2, 14 % и постоянные примеси (Si, Mn, P, S) и затвердевающие с образованием эвтектики, называемой ледебуритом. Чугун отличается от стали составом (более высоким содержанием углерода), лучшими литейными свойствами (жидкотекучесть, температура плавления), малой величиной пластической деформации, низкой ценой. Поэтому он получил широкое распространение в машиностроении − используется для производства качественных отливок сложной формы. Углерод в структуре чугунов может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита (Fe3C) и в свободном состоянии в виде графита. В зависимости от формы присутствующего углерода, т. е. в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома, различают чугуны: − белые; − серые ( СЧ ); − ковкие ( КЧ ); − высокопрочные ( ВЧ ). В зависимости от формы включений графита чугуны бывают: − с пластинчатым ( СЧ ) графитом; − с хлопьевидным ( КЧ ) графитом; − с шаровидным ( ВЧ ) графитом; − с вермикулярным (червеобразным) графитом. По характеру металлической основы чугуны подразделяются на: – перлитный; − ферритный; − перлито-ферритный; − аустенитный; − бейнитный; − мертенситный. По назначению чугуныделятся: – на конструкционные; − со специальными свойствами. По химическому составу чугуны бывают: – легированные; − нелегированные. Белый чугун
В нем весь углерод находится в химически связанном состоянии и при нормальной температуре состоит из перлита и цементита. Свое название чугун получил по матово-белому цвету излома. Образуется при быстром охлаждении сплава. Из-за большого количества цементита белые чугуны тверды (HB 450-550), хрупки, плохо обрабатываются резанием и для изготовления деталей машин почти не используются. Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны (отливки из серого чугуна с поверхностным слоем белого чугуна). Из них изготавливают прокатные валки, лемеха плугов, тормозные колодки, вагонные колеса и другие детали, работающие в условиях износа. В соответствии с диаграммой Fe-Fe3C белые чугуны могут быть: − доэвтектическими (2, 14 < С < 4, 3 %); − эвтектическими (С = 4, 3 %); − заэвтектическими (С > 4, 3%). Структура доэвтектического чугуна (рис.6.1, а) при комнатной температуре состоит из перлита ( П ), ледебурита ( Л ) и цементита вторичного ( ЦII ). Темные большие участки на микрошлифе − перлит. Участки с точечными темными вкраплениями или пластинами − ледебурит. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита, а частично виден в виде светлых выделений по границам перлитных областей. Структура эвтектического белого чугуна (рис. 6.1, б) представлена ледебуритом ( Л ). На микрошлифе − пластины цементита со столбиками аустенита в них. Структура заэвтектического белого чугуна (рис. 6.1, в) при комнатной температуре состоит из ледебурита ( Л ) и цементита первичного ( ЦI ). Серый чугун
Серый чугун − это сплав сложного химического состава: 3, 2-3, 8 % С, 1-5 % Si, 0, 5-0, 9 % Мп, 0, 2-0, 4 % Р, до 0, 12 % S. В сером чугуне углерод находится и в свободном состоянии в виде графита и, частично, в химически связанном состоянии в виде цементита перлитной фазы. Название серого чугуна определяется наличием в изломе либо светлых кристаллов цементита, или темных кристаллов графита. Факторами, способствующими графитизации (выделению углерода в свободном состоянии), являются низкая скорость охлаждения и наличие в химическом составе чугуна графитизирующих элементов Si, Ni, Cu (препятствуют графитизации Mn, S, Cr, W). Практически, изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном количестве марганца, получают различную степень графитизации.
а) б) в) Рис. 6.1. Микроструктура и схематическое изображение белого чугуна: а – доэвтектический; б – эвтектический; в − заэвтектический
Графит имеет практически нулевую прочность и пластичность. Он обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, повышенную износоустойчивость, высокие антифрикционные свойства вследствие низкого коэффициента трения, а также способствует гашению вибрации и резонансных колебаний. Кроме того, графит способствует при охлаждении отливки некоторому увеличению ее объема, чем обеспечивается хорошее заполнение формы. Структура серого чугуна при получении отливок формируется в процессе медленного охлаждения, поэтому цементит, будучи при высоких температурах неустойчивым химическим соединением, распадается с образованием графита: − Fe3C → Feγ (C) + C (графит) при температуре выше линии PSK; − Fe3C → Feα (C) + C (графит) при температурах ниже линии РSК. Чем больше скорость охлаждения, тем в меньшей степени успевает произойти процесс графитизации. По характеру металлической основы серые чугуны различаются на: − ферритный; − перлито-ферритный; − перлитный. Ферритный чугун (рис. 6.2, а) имеет в структуре феррит ( Ф ) и графит ( Г ). Светлое поле микрошлифа − феррит, темные крупные прожилки (пластинки) − графит. Феррито-перлитный чугун (рис. 6.2, б) имеет в структуре перлит ( П ), феррит ( Ф ) и графит ( Г ). Серый фон в поле микрошлифа − перлит, светлый − феррит и темные крупные прожилки − графит. Перлитный чугун (рис. 6.2, в) состоит из перлита ( П ) и графита ( Г ). Основное серое поле микрошлифа − пластинчатый перлит, темные и крупные прожилки − пластинчатый графит. Таким образом, структура серого чугуна представляет собой стальную основу, пронизанную графитовыми включениями. Рис. 6.2. Микроструктура и графическое изображение серого чугуна с крупнопластинчатым графитом на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 используют для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов и др. Перлитные серые чугуны СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, станины станков и пр. Согласно ГОСТ 1412-85 установлены марки отливок из серого чугуна. Серый чугун маркируется буквами СЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение. Например, у чугуна марки СЧ25 временное сопротивление при растяжении σ b = 250 МПа; твердость НВ180-250 и структура металлической основы – Ф + П. В структуре серых чугунов имеется фосфидная эвтектика, сернистые включения, шлаки, песчинки, поры и др. Фосфор в количестве 0, 3 % растворяется в феррите. При большей концентрации он образует с железом и углеродом тройную " фосфидную" эвтектику c низкой температурой плавления (950 °С), что увеличивает жидкотекучесть чугуна, но приводит к высокой твердости и хрупкости после кристаллизации. Повышенное содержание фосфора допускается в отливках с высокой износостойкостью. Модифицированный серый чугун. Отличается от серых чугунов размером, формой, распределением в структуре графитовых включений (перлитная основа с небольшим количеством изолированных пластинок графита). Получают его из серого чугуна с пониженным содержанием углерода, добавляя в расплав модификаторы: ферросилиций, алюминий, силикокальций, магний и др. Они способствуют получению мелких изолированных и равномерно распределенных включений графита. Кроме того, приводят к устранению отбела чугуна и получению перлитной однородной металлической основы. Перлитные модифицированные серые чугуны СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают повышенной прочностью и износостойкостью, хорошо обрабатываются резанием, их свойства меньше зависят от толщины стенок отливки, они имеют высокую теплостойкостью. Их применяют при высоких нагрузках (зубчатые колеса, гильзы двигателей, шпиндели, распределительные валы и пр.) или для деталей топок и паровых котлов.
Ковкий чугун
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Обычный химический состав ковких чугунов: 2, 4-2, 8 % С; 0, 8-1, 4 % Si; 1% Мп; 0, 1 % S; 0, 2 % Р. Их получают путем специального графитизирующего отжига (томления) отливок из белых доэвтектических чугунов. Отливки загружают в специальные ящики, засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и производят нагрев и охлаждение по схеме (рис. 6.3). В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на феррит и графит хлопьевидной формы. При температуре 950-1000 °С происходит графитизация эвтектического и избыточного цементита (превращение метастабильного цементита в стабильный графит и аустенит). При второй выдержке при температуре 720-740 °С графитизируется цементит образовавшегося перлита (иногда проводят медленное охлаждение от 770 °С до 700 °С в течение 30 часов при этом происходит кристаллизация по стабильной диаграмме). В результате продолжительного отжига весь углерод выделяется в свободном состоянии. Рис. 6.3. Схема отжига белого чугуна на ковкий Отсутствие линейных напряжений, снятых во время отжига, благоприятная хлопьевидная форма и изолированность графитных включений обуславливают высокие механические свойства ковких чугунов. Они более стойки при ударах и изгибе, чем серые, и имеют высокие пластические свойства. По характеру металлической основы ковкие чугуны различают на: − ферритные (рис. 6.4, а); − феррито-перлитные (рис. 6.4, б); − перлитные. а) б) Рис. 6.4. Микроструктура ковкого чугуна: а – ферритная основа, б – ферритно-перлитная основа Ферритный ковкий чугун КЧ30-6; КЧ33-8; КЧ35-10; КЧ37-12 получают из чугуна белого с содержанием углерода не более 2, 5 %, а перлитный КЧ45-7; КЧ50-5; КЧ55-4; КЧ60-3; КЧ65-3; КЧ70-2; КЧ80-1, 5 − из белого чугуна, в котором углерода не более 3, 2 %. Маркируют ковкие чугуны по ГОСТ 1215-79 буквами КЧ и двумя числами, первое из которых − минимальный предел прочности на растяжение в десятках мегапаскалей, а второе − относительное удлинение в %. Например, ковкий чугун КЧ 45-7 имеет временное сопротивление при растяжении 450 МПа, относительное удлинение δ = 7 %, НВ 240 и структуру – Ф + П. Из ковкого чугуна изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки (головки соединительных рукавов воздушной тормозной магистрали, корпусы вентилей, клапаны, муфты, картеры редукторов, коленчатые валы и др.).
Высокопрочный чугун
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, церием, иттрием и ферросилицием, которые вводят в жидкий серый чугун в небольшом количестве 0, 02-0, 08 %. Обычный состав высокопрочного чугуна: 2, 7-3, 8 % С; 1, 6-2, 7 % Si; 0, 2-0, 7 % Мn; 0, 02 % S; 0, 1 % Р. По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть: − ферритным (до 20 % перлита) − ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45; − перлитным (до 20 % феррита) − ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100. Шаровидный графит является более слабым концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, поэтому меньше снижает механические свойства чугуна (рис. 6.5). Высокопрочный чугун обладает более высокой прочностью, хорошей износостойкостью, антифрикционностью и некоторой пластичностью. Он является хорошим заменителем литой стали, ковкого чугуна, сплавов цветных металлов. Рис. 6.5. Микроструктура высокопрочного чугуна на феррито-перлитной основе Маркируют высокопрочные чугуны по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ и двузначным числом, показывающим минимальное значение предела прочности на растяжение в десятках мегапаскалей. Например, ВЧ40 − высокопрочный чугун, имеет временное сопротивление при растяжении 400 MПa, относительное удлинение − не менее 10 %, твердость НВ140-220, структура ферритная. Маркировка по предшествующему ГОСТ 7293-79 предусматривала дополнительное указание относительного удлинения в процентах, например, ВЧ40-10. Из высокопрочных чугунов изготавливают прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы, шатуны двигателей внутреннего сгорания и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.
Легированные чугуны
Легированные чугуны получают введением в процессе выплавки в состав чугуна (чаще серого) никеля, хрома, марганца, ванадия, титана, меди и других легирующих элементов, которые способствуют измельчению перлита и графита в его структуре. По количеству легирующих элементов чугуны подразделяются на: − низколегированные, имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы; − среднелегированные − мартенситную; − высоколегированные − аустенитную или ферритную. По основному легирующему элементу легированные чугуны различают: − хромистые; − никелевые; − алюминиевые и др. Легированием достигается улучшение прочностных и эксплуатационных характеристик чугуна и особых свойств: износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости, немагнитности и др.
Порядок выполнения работы 1. Начертить правую часть и обозначить стабильное равновесие Fe-Fe3C пунктирными линиями. Описать процессы превращений из жидкого расплава, происходящее при охлаждении белых чугунов с различными содержаниями углерода. 2. Подготовленный микрошлиф установить на предметный столик металлографического микроскопа. Настроить резкость с помощью макро-, а затем микровинта. Рассмотреть различные поверхности микрошлифа, выбрать и зарисовать поверхность с наиболее четко выраженной микроструктурой. 3. В исследуемых микрошлифах белого, серого, высокопрочного и ковкого чугунов определить (приблизительно) содержание связанного углерода по количеству перлитной фазы. 4. Сделать заключение о зависимости свойств чугунов от формы графитовых включений и фазового состава металлической основы. Содержание отчета 1. Название работы и цель. 2. Диаграмма состояния Fe-Fe3C (чугунный участок). 3. Схема отжига белого чугуна на ковкий. 3. Микроструктуры чугунов и их описание. 4. Вывод.
6.5. Оборудование и материалы: − металлографический микроскоп; − диаграмма состояния Fe-Fe3C; − структурные диаграммы чугунов в зависимости от содержания углерода и кремния и толщины стенок отливок; − комплекты микрошлифов нетравленных и травленных чугунов.
6.6. Контрольные вопросы 1. Какие сплавы относятся к чугунам? 2. На какие группы подразделяют чугуны? 3. В чем сущность эвтектического превращения в чугунах? 4. Какой углерод называется свободным и химически связанным? 5. Почему белый чугун имеет ограниченное использование? 6. В чем принципиальное отличие между белым и серым чугунами? 7. Основные формы графитовых включений и в каких чугунах они встречаются? 8. Виды металлических основ в серых, ковких и высокопрочных чугунах. 9. Маркировка серых, ковких и высокопрочных чугунов. 10. Основные структурные составляющие белых чугунов. 11. Скажите, фосфидная эвтектика чугунов влияет на свойства? 12. Графит какой формы менее всего ослабляет металлическую основу чугуна? 13. Способы получения серого и высокопрочного чугунов. 14. При каких условиях образуется хлопьевидный графит в ковком чугуне? 15. Какие преимущества имеют чугуны перед сталями? 16. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом доэвтектическом чугуне? 17. Сколько структурных составляющих, можно увидеть при комнатной температуре в белом эвтектическом чугуне? 18. Сколько структурных составляющих можно увидеть при комнатной температуре в белом заэвтектическом чугуне? Литература
1. Гуляев А. П. Металловедение. − М.: Металллургия, 1986. – 542 с. 2. Арзамасов Б. И. Материаловедение. − М.: Машиностроение, 1986. 3. Лахтин Ю. М., Леонтьева Б. П. Материаловедение. − М.: Машиностроение, 1990. – 493 с. 4. Основы материаловедения. Под ред. И.И.Сидорина. − М.: Машиностроение, 1976. 5. Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. − М.: Металлургия, 1983. 6. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. − М.: Металлургия, 1984. − 359 с. 7. Руководство к лабораторным работам по материаловедению. Под ред. И. И.Сидорина. − М.: Высшая школа, 1967. 2 индивидуальное задание Популярное: |
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-17; Просмотров: 9789; Нарушение авторского права страницы