Чугун и его виды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Белый чугун

2. Серый чугун

3. Половинчатый чугун

4. Высокопрочный чугун

5. Ковкий чугун

Библиографический список

Введение

Чугуны - более дешевый материал, чем стали. Содержание углерода в них больше 2,14 %. Они мало пластичны, не прокатываются и не куются. Чугуны обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей. Известно, что литейные свойства сплавов тем выше, чем меньше их температурный интервал кристаллизации. Следовательно, наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превращение.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитных включений приведена на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, с вермикулярным графитом (в виде червеобразных прожилок) - серым вермикулярным; чугун с шаровидным (глобулярным) графитом - высокопрочным чугуном и чугун с хлопьевидным графитом - ковким чугуном. Высокопрочные чугуны, также как и вермикулярные, являются разновидностью серых, но из-за повышенных механических свойств их выделяют в особую группу.

Хорошая жидкотекучесть чугунов и их способность к образованию малой усадочной раковины позволяют получать из них достаточно качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок.

Многочисленные дефекты в литой структуре чугунов, такие как пористость, ликвационная неоднородность, микротрещины выступают в качестве концентраторов напряжений, отчего и зависит конструкционная прочность.

Благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной проч-ности, износостойкости, а также относительной дешевизне чугуны широко применяются в машиностроении. Детали машин, полученные из чугунных отливок, дешевле, чем детали, изготовленные обработкой резанием из горячекатаных стальных профилей или из поковок. Значительная часть вы-плавляемого чугуна переплавляется в сталь по классической схеме руда - чугун - сталь. В процессе переплавки из чугуна путем окисления удаляет-ся некоторое количество избыточного углерода, марганца и примесей (сера, фосфор и др.).

1. Белый чугун

Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементита. Фазовые превращения в этих чугунах протекают согласно диаграмме состояния (Fe - Fe₃C). Белые чугуны в зависимости от содержания углерода могут быть доэвтектическими (перлит + ледебурит), эвтектическими (ледебурит) и заэвтектическими (первичный цементит + ле-дебурит). На рисунке 2 приведены микроструктуры белого чугуна.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белые чугуны имеют большую твердость (НВ 450-550) из-за присутствия в них большого количества цементита; как следствие этого, они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются. Отливки из белого чугуна служат для получения деталей из ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига.

Отбеленные чугуны-отливки имеют поверхностные слои (12-30 мм) со структурой белого чугуна, а сердцевину - серого чугуна.

Высокая твердость поверхности такой отливки позволяет ей хорошо работать против истирания. Эти свойства отбеленного чугуна применяются для изготовления валков листовых прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок и многих других деталей, работающих в условиях износа.

2. Серый чугун

В первую очередь необходимо обратить внимание на то, что образо-вание из жидкости аустенита и графита и дальнейший распад аустенита на феррит и графит соответствует минимальному значению свободной энер-гии, т.е. наиболее стабильному равновесию. Металлическая основа серого чугуна формируется в результате полного или частичного распада аусте-нита на феррит и графит.

Таким образом, структурным признаком серого чугуна является обязательное присутствие в структуре свободного углерода - графита.

Такое название чугун получил по виду излома, который имеет серый цвет. В структуре серого чугуна имеется графит. Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита (в форме пластин), то свойства его будут зависеть от этих двух составляющих.

Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами и поэтому в некотором приближении можно считать, что места, которые он занимает, - это пустоты, трещины, количественное соотношение основы и пустот влияет на механические свойства чугуна, и с увеличением последних свойства резко ухудшаются. Чем более грубы включения графита, тем, следовательно, больше разобщена металлическая основа, что отрицательно сказывается на свойствах чугуна.

При растягивающих напряжениях легко образуются центры разрушения на концах графитных включений. Значительно лучше ведет себя чугун при напряжениях сжатия и изгибе. Серые чугуны являются сплавами сложного состава, содержащими железо, углерод, кремний, марганец и неизбежные примеси, такие как сера и фосфор. Фосфор частично растворяется в феррите (до 0,3 %) и, кроме того, входит в тройную эвтектику (Fe - С - Р) с температурой плавления 950 °С, что существенно улучшает литейные свойства чугуна. Эта эвтектика очень твердая и хрупкая, что увеличивает износостойкость, а хорошие литейные свойства используются и в художественном литье (до 1 % Р).

Сера - вредная примесь, снижает механические и литейные свойства чугунов и повышает склонность к образованию трещин.

Кремний входит в состав серых чугунов (1-3 %) как основной элемент и обладает сильным графитизирующим действием; увеличивает выделение графита при затвердевании и разложении выделившегося цементита.

Марганец (0,2-1,1 %) положительно влияет на механические свойства чугуна, но затрудняет процесс графитизации или способствует его отбеливанию.

Таким образом, можно сказать, что степень графитизации напрямую зависит от количества углерода (2,2-3,7 %) и кремния (1-3 %) в чугуне.

В небольших количествах в серые чугуны могут попасть никель и медь, которые тоже влияют на условие графитизации.

Количество графитных включений и структура основы влияют на свойства серого чугуна. По структуре металлической основы серые чугуны разделяют на виды:

– серый перлитный со структурой перлит + графит (количество свя-занного углерода составляет ~0,8 %);

– серый ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит + графит (количество связанного углерода <0,8 %);

– серый ферритный со структурой феррит + графит (весь углерод в виде графита).

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической основы и ее количества, формы и размеров графитных включений (пустот).

Марка серого чугуна состоит из двух букв СЧ (серый чугун) и цифр, показывающих значение временного сопротивления при растяжении (предел прочности) в кгс/мм² (10^-1 МПа).

Показатели механических свойств серых чугунов в соответствии с ГОСТ 1412-85 приведены в таблице 1.

Таблица 1

Механические свойства серых чугунов

Графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Номенклатура отливок из серого чугуна и их масса разнообразны: от деталей в несколько граммов до 100 т.

Ферритные серые чугуны марки Сч 10, Сч 15 используются для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, суппорты, тормозные барабаны, диски сцепления и т.д.

Ферритно-перлитные серые чугуны марки Сч 20, Сч 25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины станков и другие отливки разного назначения.

Перлитный чугун применяют для отливки станин мощных станков и механизмов. Часто используют перлитные серые модифицированные чугуны, которые получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок - ферросилиция (0,3-0,5 % от массы шихты) или силикокальция (0,3-0,5 % от массы шихты). К таким чугунам относятся Сч 40 и Сч 45, обладающие более высокими механическими свойствами из-за измельчения формы графитных включений. Из этих марок чугунов изготавливают корпуса насосов, компрессоров и гидроприводов.

Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны, которые дополнительно содержат хром, никель, молибден и алюминий.

3. Половинчатый чугун

чугун графитный сплав металлический

Половинчатыми и переходными чугунами называются высокоуглеродистые сплавы, в структуре которых наблюдается ледебурит и графит, т.е. имеются структурные элементы и белого, и серого чугуна.

Образование структуры половинчатого чугуна может идти различными путями в зависимости от степени переохлаждения, содержания углерода и других примесей в сплаве.

В доэвтектических и эвтектических чугунах половинчатые структуры формируются лишь при эвтектической кристаллизации.

При кристаллизации эвтектического сплава в температурном интервале 1153-1147 ?С термодинамически возможно лишь образование аустенита и графита. Из жидкости состава 4,25 % С начинает в первую очередь кристаллизоваться эвтектическая смесь аустенита и графита. При температуре ниже 1147 ?С из жидкости состава 4,3 % С начинают образовываться аустенитно-цементитные колонии, т.е. ледебурит. Такая же картина наблюдается в доэвтектическом чугуне. Вначале из жидкой фазы выпадают дендриты аустенита, далее из жидкости растут аустенитно-графитные и аустенитно-цементитные колонии.

При несколько ускоренных охлаждениях участки ледебурита хорошо видны. В большинстве же случаев при замедленном охлаждении эвтектика ледебурит не образуется.

Вторичная кристаллизация половинчатого чугуна протекает соответственно диаграмме метастабильного равновесия.

4. Высокопрочный чугун

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаро-видную форму. Шаровидная форма является естественной формой роста графита.

Однако в практических условиях шаровидная форма графита получается только при модифицировании, которое заключается в добавке в жидкий чугун небольших количеств магния, церия и некоторых других поверхностно-активных примесей. Модификаторы должны способствовать выделению свободного графита, поэтому элементы, связывающие углерод, марганец, хром, титан и другие карбидообразующие элементы, должны быть в минимальном количестве.

В чугунах, модифицированных магнием или церием, первичный графит имеет вид сферокристаллов. Такой графит называется шаровидным. Обычно количество модифицирующих добавок не велико (не более 1 %), и их вводят в ковш либо в струю металла при разливке, либо в изложницу или форму.

После модифицирования чугун имеет следующий химический состав: 3-3,6 % С; 1,8-2,9 % Si; 0,4-7 % Мn; 0,02-0,08 % Mg; ? 0,15 % Р; ? 0,03 % S.

По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным, феррито-перлитным или перлитным (см. рис. 1). Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита, а также содержит до 20 % перлита. Перлитный чугун в основе состоит из сорбитообразного или пластинчатого перлита, шаровидного графита и до 20 % феррита.

Шаровидный графит является менее сильным концентратором напряжений, чем пластинчатый графит, и, следовательно, менее активно влияет на механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокую прочность и при этом некоторую пластичность.

Маркируются высокопрочные чугуны по пределу прочности (_в) и относительному удлинению (), например Вч 45-5, где - 45 кгс/мм² (10^-1 МПа) - предел прочности, а 5 % - относительное удлинение (ГОСТ 7293-85).

Для улучшения механических свойств применяют термическую об-работку отливок:

– закалку и отпуск при 500-600 °С, для увеличения прочности твер-дости;

– отжиг, способствующий сфероидезации перлита, для увеличения пластичности.

Прочность и пластичность модифицированного магнием чугуна зна-чительно превосходит эти же свойства серого чугуна. Предел прочности в магниевом чугуне может достигать значения 60-70 кгс/мм² (Вч 60-2; Вч 70-2), т.е. не ниже, чем у стали в литом или отожженном состоянии.

Таким образом, такой чугун соединяет в себе высокие механические свойства стали с удобством и дешевизной производства чугуна.

Высокопрочные чугуны широко применяются в качестве заменителя литой стали и антифрикционных сплавов, из них изготавливают оборудование прокатных станов (прокатные валки до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы и другие детали, работающие при циклических нагрузках и в условиях сильного износа.

5. Ковкий чугун

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают в результате специального графитизирующего отжига (томление) доэвтектического белого чугуна. Графит в таких чугунах называют углеродом отжига. Ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью, что связано с меньшим влиянием хлопьевидной формы графита на механические свойства металлической основы. Детали из ковкого чугуна, хотя и не обладают высокой прочностью, достаточно пластичны и вязки, хорошо поддаются обработке резанием и способны противостоять ударным нагрузкам. Однако, несмотря на свое название, они никогда не подвергаются ковке. Конфигурация детали из ковкого чугуна определяется формой отливки.

При производстве ковкого чугуна очень важно, чтобы отливки белого чугуна, подвергаемые отжигу, были тонкостенными. В противном случае в сердцевине при кристаллизации будет выделяться пластинчатый графит и чугун станет непригодным для отжига.

По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают ферритными, феррито-перлитными и перлитными (рис. 1).

Ферритные чугуны получают из белых чугунов двойной плавки. При этом состав белого чугуна должен иметь 2,4-2,9 % С, 0,8-1,5 % Si, 0,2-0,9 % Мn, до 0,2 % S и до 0,18 % Р.

В промышленности существуют два способа получения ковкого чугуна. В одном случае отжиг производится в нейтральной атмосфере (рис. 3, кривая 1). При высокой температуре нагрева (950-1000 ?С), дли-тельной выдержке графитизация происходит полностью. Получается ков-кий чугун на ферритной основе, называемый черносердечным, т.к. в изло-ме он имеет черный бархатистый цвет.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В другом случае отжиг белого чугуна производится в окислительной среде (рис. 3, кривая 2). При этом происходит усиленное выгорание углерода с поверхности и неполный распад цементита в глубинных слоях изделия. Получается ковкий чугун на перлитной основе, называемый светлосердечным, т.к. оставшийся цементит придает излому светлый цвет.

Большую роль при получении того или иного чугуна играет состав исходного белого чугуна, а также скорость охлаждения в интервале 740-720 ?С.

Для получения черносердечного чугуна применяется доэвтектический белый чугун со сравнительно небольшим содержанием углерода (2,2-2,6 %) и кремния не более 1,2 %. Марганца должно быть не более 0,3-0,4 %, т.к. он задерживает распад цементита при отжиге. Содержание фосфора при производстве черносердечного чугуна не должно превышать 0,15-0,18 %. Самой вредной примесью является сера и ее содержание не должно превышать 0,05-0,08 %.

Состав исходного белого чугуна при производстве светлосердечного чугуна несколько отличается. Допускается несколько более высокое содержание углерода (до 2,5-3,0 %). Кремния должно быть 0,6-0,8 %. Содержание серы составляет до 0,1 %, которая при длительной выдержке при температуре 1000 ?С частично выгорает. При отжиге распадается только эвтектический цементит, а вторичный и эвтектоидный цементит остаются нераспавшимися. Общее количество углерода отжига в светлосердечном чугуне значительно меньше, чем в черносердечном.

Режим отжига выбирается в зависимости от того, какой требуется чугун: черносердечный или светлосердечный. При производстве черносердечного чугуна графитизирующий отжиг производится полностью.

На схеме отжига можно выделить пять периодов. Первый период - нагрев белого чугуна до температуры 950-1000 ?С. В процессе нагрева перлит переходит в аустенит, и часть вторичного цементита растворяется в аустените. Чем длительнее нагрев в первом периоде, тем быстрее в дальнейшем протекает процесс графитизации.

Второй период - выдержка при температуре 950-1000 ?C. Этот период называется первой стадией графитизации. При этой температуре весь цементит (эвтектический и часть вторичного) распадается с образованием свободного графита. В конце этого периода структура представляет собой аустенит, и графит. На этой стадии образуется основное количество углерода отжига.

Третий период - охлаждение до температуры 735 ?С. Это - промежуточная стадия графитизации. В этом районе температур состав аустенита изменяется согласно линии ЕS стабильной диаграммы, и из него выделяется вторичный графит, образовавшийся на первой стадии графитизации.

Четвертый период - медленное охлаждение в районе температур - 727 ?С. Эвтактоидный распад аустенита происходит с образованием графита (А Ф + Гр). В результате превращений аустенита в этом периоде формируется окончательная структура ковкого чугуна. Если вторая стадия графитизации проходит полностью, то получается феррит и графит, т.е. ковкий чугун на феритной основе (черносердечный).

Полной графитизации можно также достичь путем длительной выдержки ниже эвтектоидной температуры (700 ?С). В этом случае происходит графитизация перлитного цементита. Графитизация ниже 700 ?С идет очень медленно из-за малой подвижности атомов железа в матрице от растущего графита.

Пятый период - охлаждение до комнатной температуры, никаких структурных изменений при этом не происходит.

При производстве светлосердечного чугуна нагрев в первом периоде производится несколько медленнее, а температура первой стадии графитизации выше (1000-1050 ?С), чем при производстве черносердечного чугуна. Вторая стадия графитизации отсутствует. В области эвтектоидного превращения охлаждение ведется несколько ускоренно. Регулирование скорости охлаждения позволяет получать ковкий чугун с различной металлической основой (феррито-перлитной или перлитной).

Полное отсутствие литейных напряжений, которые снимаются за счет длительного отжига, и разобщенность графитовых включений обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов. Маркируются ковкие чугуны буквами Кч и цифрами аналогично высокопрочным чугунам согласно ГОСТ 1215-79. В таблице 2 представлены механические свойства некоторых ковких чугунов.

Таблица 2

Механические свойства серых чугунов

Из таблицы видно, что перлитные чугуны более прочные, ферритные - более пластичные.

Одной из особенностей технологии получения отливок из ковкого чугуна является тот факт, что исходный материал - белый чугун обладает пониженной жидкотекучестью. Это требует повышенной температуры заливки при изготовлении тонкостенных отливок. Усадка белого чугуна значительно больше, чем серого, поэтому в отливках из белого чугуна образуется больше усадочных раковин, пористости и трещин. Отливки из белого чугуна преимущественно изготавливают в песчаных разовых формах, а также в оболочковых формах и в кокилях. Для предупреждения образования усадочных раковин расплавленный белый чугун подводят к толстым местам отливки через прибыли.

При производстве отливок чугун плавят дуплекс-процессом (вагранка + дуговая или индукционная печь), что позволяет нагреть чугун до тем-пературы 1500-1550 ?C и доводить его химический состав. Для сокраще-ния отжига белый чугун модифицируют алюминием, бором, висмутом.

Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, авто-мобильном и текстильном машиностроении, в судо- и котло-, вагоно- и дизелестроении. Эти чугуны применяют при изготовлении деталей высо-кой прочности, которые подвержены сильному истиранию и ударным зна-копеременным нагрузкам (шестерни, рычаги, звенья цепей, звездочки, катки, втулки, кронштейны, сцепки, подшипники, детали тормозной сис-темы). Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготавливать детали водо- и газопроводных установок.

К недостаткам ковкого чугуна можно отнести высокую стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

Библиографический список

1. Пейсахов, А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов [Текст] : учебник для студентов немашиностроит. спец. / А.М. Пейсахов, А.М. Кучер. - 2-е изд. - СПб. : Изд-во Михайлова, 2008. - 408 с. : ил.

2. Материаловедение [Текст] : учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Б.Н. Арзомасов [и др.] ; отв. ред. Б.Н. Арзомасов. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Изд-во МГУ им. Баумана, 2010. - 512 с. : ил.

3. Адаскин, А.М. Материаловедение (металлообработка) [Текст] : учебник для нач. проф. образования / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. - 2-е изд., стер. - М. : Академия, 2009. - 240 с. : ил.

4. Материаловедение и технология металлов [Текст] : учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов [и др.] ; отв. ред. Г.П. Фетисов. - 3-е изд., испр. и доп. - М. : Высш. шк., 2009. - 862 с. : ил. - Библиогр. : с. 849-854.

5. Технология конструкционных материалов [Текст] : учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / А.М. Дальский [и др.] ; под ред. А.М. Дальского. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Маши-ностроение, 2010. - 512 с. : ил.

6. Материаловедение и технология металлов [Текст] : учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Г.П. Фетисов [и др.] ; отв. ред. Г.П. Фетисов. - 2-е изд., испр. и доп. - М. : Высш. шк., 2008 - 638 с. : ил.

7. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст] : учебник для вузов. В 2 т. Т. 2. Технологии получения и обработки материалов. Материалы как компоненты оборудования / под ред. В.С. Чередниченко. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. - 508 с. : ил.

8. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст] : учеб. пособие для студентов вузов / под ред. В.С. Чередниченко. - 2-е изд., перераб. - М. : Омега-Л, 2008. - 752 с. : ил.

9. Рогачева, Л.В. Материаловедение [Текст] : учебник для сред. проф. образования / Л.В. Рогачева. - М. : Колос-Пресс, 2010. - 136 с. : ил.

10. Материаловедение [Текст] : практикум для студентов технических вузов / под ред. С.В. Ржевской. - М. : Университетская книга, Логос, 2009. - 272 с. : ил.

11. Гуляев, А.П. Металловедение [Текст] : учебник для вузов / А.П. Гуляев. - 6-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 2010. - 544 с. : ил.

12. Дриц, М.А. Технология конструкционных материалов и мате-риаловедение [Текст] : учебник для студентов немашиностроит. спец. вузов / М.А. Дриц, М.А. Москалев. - М., 2010. - 447 с. : ил.

13. Общая металлургия [Текст] : учебник для вузов / В.Г. Воскобойников [и др.] ; под ред. В.Г. Воскобойникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - М. : Металлургия, 2008. - 768 с. : ил.

14. Материаловедение. Железоуглеродистые сплавы [Текст] : учеб.-метод. пособие / составители Ю.Е. Чертов, О.В. Жданова, В.И. Гомель. - Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - 50 с. : ил.

15. Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали [Текст] : справочник / В.Н. Журавлев, В.И. Николаева. - М. : Машиностроение, 2008. - 480 с. : ил.

Размещено на Allbest.ru