Свойства чугунов. Термическая обработка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Пермский химико-технологический техникум

Реферат

На тему: Свойства чугунов.

Термическая обработка

Выполнил: Веретенников А.А.

Принял: Селеткова Т.В.

Введение

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода.

Присутствие эвтектики обуславливает высокие литейные свойства и использование его в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в двух состояниях: связанном - в виде цементита Fe₃C, и в свободном - в виде графита. В зависимости от этого и различают два основных вида чугуна - белый и серый.

Классификация чугунов

Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения -- цементита Fe₃C), но также в свободном состоянии -- в виде графита. При этом форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугуна и их свойства.

· По состоянию углерода - свободный или связанный;

· По форме включений графита - пластинчатый, вермикулярный, шаровидный, хлопьевидный.

· По типу структуры металлической основы (матрицы) - ферритный, перлитный; имеются также чугуны со смешанной структурой например: феррито - перлитные;

· По химическому составу - нелегированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).

В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:

· Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C - половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;

· Серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;

· Отбеленный чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, поверхностный слой -- белого;

· Высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму. Ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.

Виды и свойства чугунов

1.Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C.Основной фазовой составляющей белых чугунов является цементит.

У белого чугуна высокая износостойкость и твердость, однако он хрупок и плохо обрабатывается резанием, поэтому белый чугун в качестве конструкционного материала для деталей машин как правило не используется, а идет на передел в ковкий чугун.

По содержанию углерода серый чугун подразделяют на:

Доэвтектический с содержанием углерода от 2,14% до 4,3%

Эвтектический с содержанием углерода 4,3%

Заэвтектический с содержанием углерода от 4,3% до 6,67%.

Ограниченное применение имеют отбеленные чугуны - отливки из серого чугуна, со слоем белого чугуна на поверхности, работающие в условиях сильного износа.

В сером, ковком, высокопрочном чугунах весь углерод или большая его часть находится в виде графита различной формы (их еще называют графитными).

2. Белый и ковкий чугун

Белые чугуны характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии -- в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокие твердости, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом. Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе и при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении из них поршневых колец. Однако белый чугун применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун. Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4--2,9% С и 1,0--1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига. Ковкие чугуны содержат: 2,4-3,0% углерода, 0,8-1,4% кремния, 0,3-1,0% марганца, менее 0,2% фосфора, не более 0,1% серы. Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215-79. Ковкие чугуны маркируют буквами «К» - ковкий, «Ч» - _Чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая - относительное его удлинение при разрыве. Например, КЧ 33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 33 кг/мм² (330 МПа) и относительным удлинением при разрыве 8%. Различают черносердечный ковкий чугун, получаемый в результате графитизирующего отжига, и бело-сердечный, получаемый путем обезуглероживающего отжига в окислительной среде. В России применяют только черносердечный ковкий чугун. Матрица чугуна может быть перлитной, ферритной, или перлитно-ферритной в зависимости от режима отжига. Для ускорения процесса отжига КЧ используют различные приемы: повышают температуру выдержки в период П₂, модифицируют и микролегируют чугун присадками алюминия, бора, титана или висмута. Все эти приемы способствуют увеличению числа центров кристаллизации, снижению устойчивости цементита. Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач, тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун -- малоперспективный материал из-за сложной технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

3.Серый чугун

Серый чугун -- это сплав системы Fe-C-Si, содержащий в качестве примесей марганец, фосфор, серу. Серые чугуны содержат: 3,2-3,5% углерода; 1,9-2,5% кремния; 0,5-0,8% марганца; 0,1-0,3% фосфора и менее 0,12% серы. Углерод в серых чугунах преимущественно находится в виде графита пластинчатой формы. Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графитовых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна. Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении. Графит пластинчатой формы, на прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость резанием. По свойствам серые чугуны можно условно распределить на следующие группы:

· ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15) применяют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;

· перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) используют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: поршней, цилиндров, блоков двигателей;

· модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавлением перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция, такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита.

· Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях теплосмен (блоки двигателей, поршневые кольца).

· Вермикулярный графит получают путем обработки расплава серого чугуна лигатурами, содержащими редкоземельные металлы (РЗМ) и силикобарий.

· Легирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получать магниевый чугун (СМЧ), обладающий прочностью литой стали и высокими литейными свойствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например коленчатые валы легковых автомобилей.

4. Высокопрочный чугун

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия, благодаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентраторы напряжений. Высокопрочный чугун содержит: 3,2-3,8% углерода, 1,9-2,6% кремния, 0,6-0,8% марганца, до 0,12% фосфора и не более 0,3% серы. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью. Получение шаровидного графита в чугуне достигается модифицированием расплава присадками, содержащими Mg, Са, Се и другие редкоземельные металлы (РЗМ). Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293-85 и маркируются буквами «В» -- высокопрочный, «Ч» -- чугун и числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, ВЧ 100 -- высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении 1000 МПа (или 100 кг/мм²). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом является наиболее перспективным литейным сплавом, с помощью которого можно успешно решать проблему снижения массы конструкций при сохранении их высокой надежности и долговечности. Высокопрочный чугун используют для изготовления ответственных деталей в автомобилестроении (коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры и др.).

5. Легированные чугуны

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные чугуны. Химический состав, механические свойства при нормальных температурах и рекомендуемые виды термической обработки легированных чугунов регламентируются ГОСТ 7769-82. В обозначении марок легированных чугунов буквы и цифры, соответствующие содержанию легирующих элементов, те же, что и в марках стали. Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др. Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3). Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500--600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др. Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.). Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения. Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан.

Термическая обработка

Графитизирующий отжиг

При отливке изделий возможен частичный отбел серого чугуна с поверхности или даже по всему сечению. Чтобы устранить отбел и улучшить обрабатываемость чугуна, производится высокотемпературный графитизирующий отжиг с выдержкой при температуре 900--950° С в течение 1--4 часов и охлаждением изделий до 250--300° С вместе с печью, а затем на воздухе. При таком отжиге в отбеленных участках цементит Fe₃Cраспадается на феррит и графит, вследствие чего белый или половинчатый чугун переходит в серый.

чугун легированный серый белый

Нормализация

Нормализации подвергают отливки простой формы и небольших сечений. Нормализация проводится при 850--900° С с выдержкой 1--3 часа и последующим охлаждением отливок на воздухе. При таком нагреве часть углерода-графита растворяется в аустените; после охлаждения на воздухе металлическая основа получает структуру трооститовидного перлита с более высокой твердостью и лучшей сопротивляемостью износу. Для серого чугуна нормализацию применяют сравнительно редко, более широко применяют 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 чугуны. Твердость чугуна после закалки достигает НВ 450--500. В структуре закаленного чугуна имеются мартенсит со значительным количеством остаточного аустенита и выделения графита. Эффективным методом повышения прочности и износоустойчивости серого чугуна является изотермическая закалка, которая производится аналогично закалке стали.

Отпуск

Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истирание, проходят низкий отпуск при температуре 200--250° С. Чугунные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску при 500--600° С. При отпуске закаленных чугунов твердость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в структуре закаленного чугуна большое количество остаточного аустенита, а также тем, что в нем содержится большое количество кремния, который повышает отпуско-устойчивость 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% Мз; 0,1-0,2% С и 0,06-0,1% S

Для стабилизации размеров литых чугунных деталей, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений применяют старение.

Различают два вида старения: естественное и искусственное.

1. Естественное старение осуществляется на открытом воздухе или в

помещении склада. Изделия после литья выдерживаются в течение 6 - 15

месяцев. При естественном старении снижение напряжений в отливках

составляет 3 -10 %. При вибрационном старении снижение напряжений достигает 10 - 15 %. Во время вибрации в отливке возникают дополнительные временные напряжения, вызывающие локальные пластические деформации чугуна и, таким образом, повышающие стойкость против последующего коробления.

Старение методом статистической перегрузки отличаются тем, что для создания дополнительных временных напряжений деталь подвергают воздействию внешних статических нагрузок. При этом методе снижение напряжений достигает 10 - 30 %.

Старение методом термоударов (термоциклическое старение) осуществляется путём быстрого нагрева и охлаждения всей детали или отдельных участков её. Стойкость против коробления повышается за счёт пластических деформаций, вызываемых временными температурными напряжениями. Общий уровень напряжений снижается на 10 -20 %.

Термоциклическое старение осуществляется по следующему режиму: загрузка в печь и нагрев за 3 - 3,5 часа до 350^оС, выдержка 2 - 2,5 часа, а затем резкое охлаждение (на воздухе); снова повторный нагрев (за 1 - 1,5 часа) до 320^оС, выдержка 4 - 5 часов и охлаждение вместе с печью до 150 - 100^оС.

2.Искусственное старение осуществляется при повышенных температурах; длительность - несколько часов.

При искуственном старении отливки чугуна загружают в печь, нагретую до 100 - 200^оС, нагревают до температуры 550 - 570 ^о С со скоростью 30 - 60^оС в час, выдерживают 3 - 5 часов и охлаждают вместе с печью со скоростью 20 - 40^оС в час до температуры 150 - 200оС, а затем охлаждают на воздухе.

Обычно старение производят после грубой механической обработки.

Химико-термическая обработка

Кроме термической обработки чугуны подвергают химико-термической обработке. Для повышения поверхностной твёрдости, износостойкости, предела усталости коррозийной стойкости серые и высокопрочные чугуны подвергают азотированию или насыщению азотом поверхности отливки. Чаще азотируют серые перлитные чугуны, легированные хромом, молибденом, алюминием. Температура азотирования 550 -580^оС, время выдержки 30 - 70 часов, степень диссоциации аммиака около 30%. В результате азотирования получается слой толщиной до 0,4мм твёрдостью до HV 900. Оптимальная температура азотирования высокопрочного чугуна 650 - 700^оС, степень диссоциации аммиака 30 - 45%. Слой толщиной 0,25мм получается после выдержки 12 часов; твёрдость до HV 1000.

Кроме азотирования, повышение поверхностной твердости, износостойкости и предела выносливости легированного серого перлитного чугуна можно достигнуть газовым и жидкостным цианированием - диффузионным насыщением поверхности отливок углеродом и азотом при температуре 570^оС. Более эффективно газовое цианирование - слой толщиной 0,15 - 0,20мм с максимальной твёрдостью HV 1000 достигается через 8 часов.

Для повышения жаростойкости и сопротивления атмосферной коррозии чугунные отливки можно подвергать алитированию, то есть насыщению поверхности алюминием. Температура алитирования 900 - 1050^оС, время выдержки 2 - 6 часа, охлаждение вместе с печью или на воздухе.

Для повышения коррозионной стойкости в кислотах, износостойкости и жароупорности чугунные отливки подвергают силицированию - поверхностному или объёмном насыщению кремнием путём обработки в газовой среде, содержащей кремний.

Хромирование - диффузионное насыщение поверхностного слоя чугунных отливок хромом, для повышения твёрдости до HV 1600, износостойкости, жаростойкости, предотвращения коррозии или в защитно-декоративных целях. Хромирование проводят при температуре 950 - 1000оС, время выдержки 10 -12 часов в твёрдой среде, 5 часов - в газовой. Охлаждают вместе с печью или на воздухе.

Отпуск. Чтобы снять закалочные напряжения, после закалки производят отпуск. Детали, предназначенные для работы на истира­ние, проходят низкий отпуск при температуре 200--250° С. Чугун­ные отливки, не работающие на истирание, подвергаются высокому отпуску при 500--600° С. При отпуске закаленных чугунов твер­дость понижается значительно меньше, чем при отпуске стали. Это объясняется тем, что в структуре закаленного чугуна большое ко­личество 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% Мз; 0,1-0,2% С и 0,06-0,1% S.

Заключение

Серый, ковкий и высокопрочный чугуны отличаются друг от друга в основном формой графитовых включений. Это и определяет различие механических свойств указанных чугунов.

У серого чугуна графит (при рассмотрении под микроскопом) имеет форму пластинок.

Графит обладает низкими механическими свойствами. Он нарушает сплошность металлической основы и действует как надрез или мелкая трещина. Чем крупнее и прямолинейнее формы графитовых включений, тем хуже механические свойства серого чугуна.

Основное отличие высокопрочного чугуна заключается в том, что графит в нем имеет шаровидную (округленную) форму. Такая форма графита лучше пластинчатой, так как при этом значительно меньше нарушается сплошность металлической основы.

Ковкий чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы - углерод отжига.

Используемая литература

Информация взята с веб сайта по металлургии (http://www.markmet.ru/tehnologiya_metallov/termicheskaya-obrabotka-chuguna),

А также сайт по изданию методической информации Архангельского университета (http://narfu.ru/agtu/www.agtu.ru/etc/2419821267dc8d59f9d9c68c8b34bea2materialovedenie.pdf),

Сайт (http://www.chuguny.ru/page_32.html)

Размещено на Allbest.ru