Размещено на http://www.allbest.ru/

Чугун. Общие сведения

Чугун. Общие сведения

Термины.

Эвтектика (греч. eutektos -- легкоплавящийся) -- стабильная (при постоянном давлении) точка в системе из N компонентов, в которой находятся в равновесии N твердых фаз и жидкая фаза.

Графит (от др.-греч. графо -- пишу) -- минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода.

Феррит (лат. ferrum -- железо), фазовая составляющая сплавов железа, представляющая собой твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в б-железе (б-феррит).

Цементит -- карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C.

Перлит (от фр. perle - жемчужина) -- одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов -- сталей и чугунов: представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз -- феррита и цементита.

Аустенит -- высокотемпературная модификация железа и его сплавов.

Общие сведения. Чугун -- сплав Fe (основа) с С (обычно 2...4 %), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, Р), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.); как правило, хрупок. Получают из железорудных материалов в доменных печах. Основная масса чугуна перерабатывается в сталь , остальная применяется для изготовления фасонного литья. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или одновременно в виде цементита и графита. Образование стабильной фазы - графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита (при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению РезС --> Fe + ЗС с образованием феррита и графита). Процесс образования в чугуне (стали) графита называют графшпизацией. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей). Присутствие эвтектики в структуре чугунов обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Высокие литейные свойства при небольшой стоимости обеспечили широкое применение чугунов в промышленности. Механические свойства чугуна обусловлены, главным образом, количеством и структурными особенностями графитной составляющей. Чем меньше графитных включений, чем они мельче, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Углерод определяет количество графита в чугуне: чем выше его содержание, тем больше образуется графита и тем ниже механические свойства. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) должно быть не меньше 2,4 % С. Кремний оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов, так как величина температурного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от его содержания. Чем больше содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур. Таким образом, кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния, а с другой -- скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна. Сера и марганец являются вредными технологическими примесями, содержание которых в чугунах ограничивают. Сера ухудшает механические и литейные свойства. И сера, и марганец препятствуют графитизации. Фосфор не влияет на графитизацию, а при повышенном содержании повышает износостоикость чугунов, так как образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Самым распространенным видом термообработки чугунов является отжиг отливок при 430...600 С для уменьшения литейных напряжений, которые могут вызвать даже коробление фасонных изделий. Нормализация чугуна проводится для аустенизации ферритной и ферритно-перлитной составляющих и последующего перлитного превращения, что обеспечивает упрочнение. Закалку чугуна с нагревом до 850...930 С и охлаждением в воде и масле применяют для повышения прочности и износостойкости. После закалки проводят низкий отпуск (200 С) для уменьшения закалочных напряжений или высокий отпуск (600...700 C для получения зернистого перлита, обеспечивающих повышенную вязкость. Классификацию чугунов проводят по виду и форме углеродосодержащей структурной составляющей, то есть по наличию и форме графита. По виду структурной составляющей выделяют чугуны без графита -- белые чугуны, в которых практически весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Промежуточное положение занимает половинчатый чугун.. Структура половинчатого чугуна -- перлит, и пластинчатый графит. Чугуны с графитом в зависимости от формы последнего разделяют на серые, ковкие и высокопрочные. Серыми называют чугуны, в структуре которых графит имеет пластинчатую форму. В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму, в высокопрочных чугунах -шаровидную. К числу высокопрочных относят также чугуны с графитом вермикулярной (греч. -- червячок) формы, которые по свойствам занимают промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом. Белые чугуны. Белые чугуны редко используются в народном хозяйстве в качестве конструкционных материалов, так как из-за большого содержания цементита очень хрупкие и твердые, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. Из них делают детали гидромашин, пескометов и других конструкций, работающие в условиях повышенного абразивного изнашивания. Для увеличения износостойкости белые чугуны легируют хромом, ванадием, молибденом и другими карбидообразующими элементами. Маркировка белых чугунов не установлена. Разновидностью белых чугунов является отбеленные чугуны. Поверхностные слои изделий из таких чугунов имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина - серого чугуна. Отбел на некоторую глубину (12...30 мм) получают путем быстрого охлаждения поверхности (например, отливка чугуна в металлические или песчаные формы). Для снятия структурных напряжений, которые могут привести к образованию трещин, отливки подвергают нагреву при 500...550 С. Высокая иэносостойкость отбеленных чугунов обусловлена твердостью поверхности. Из отбеленного чугуна изготовляют прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц и др. Серые чугуны. Структура серого (литейного) чугуна состоит из металлической основы с графитом пластинчатой формы, вкрапленным в эту основу. Такая структура образуется непосредственно при кристаллизации чугуна в отливке. Причем, чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации с образованием графитной эвтектики. При низком содержании углерода и кремния чугун модифицируют небольшими дозами некоторых элементов (например, алюминий, кальций, церий). Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы. В обычном сером чугуне при медленном охлаждении во время кристаллизации графит очень слабо разветвляется. Он похож на розетку с небольшим числом изогнутых лепестков. Механические свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и, главным образом, от количества, формы и размеров графитных включений.

На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок. Серые чугуны обладают высокими литейными качествами (жидкотекучесть, малая усадка, незначительный пригар металла к форме и др.), хорошо обрабатываются и сопротивляются износу, однако из-за низких прочности и пластических свойств в основном используются для неответственных деталей. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, колонки, каретки и др.); в автомобилестроении из ферритно-перлитных чугунов делают картеры, крышки, тормозные барабаны и др., а из перлитных чугунов -- блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В строительстве серый чугун применяют, главным образом, для изготовления деталей, работающих при сжатии (башмаков, колонн), а также санитарно-технических деталей (отопительных радиаторов, труб). Значительное количество чугуна расходуется для изготовления тюбингов, из которых сооружается туннель метрополитена. Из серого чугуна, содержащего фосфор (0,5 %), изготавливают архитектурно-художественные изделия.

Ковкие чугуны.

Ковкие чугуны с хлопьевидной формой графита получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их специальному графитизирующему отжигу. Графитизирующий отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий. Первая стадия (950...1050 С) подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс графитообразования облегчается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным. На второй стадии графитизирущего отжига при температуре эвтектоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в интервале 760...720 С или изотермическая выдержка при 720...700 С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного превращения. Ковкие чугуны с перлитной металлической основой обладают высокими твердостью и прочностью в сочетании с небольшой пластичностью. Ковкий ферритный чугун характеризуется высокой пластичностью (5 = 10...12 %) и относительно низкой прочностью . Существенными недостатками графитизирующего отжига чугунов является длительность (24...60 ч) отжига отливок и ограничение толщины их стенок. Ковкие чугуны, обладая высокими пластическими свойствами, находят применение при изготовлении разнообразных тонкостенных (до 50 мм) деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках, -- фланцы, муфты, картеры, ступицы и др. Масса этих деталей --от нескольких граммов до нескольких тонн. Для повышения твердости, износостойкости и прочности изделий из ковкого чугуна иногда применяют нормализацию или закалку. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита. Высокопрочные чугуны. Высокопрочный чугун получают модифицированием жидкими присадками магния , церия, иттрия и некоторых других элементов. При этом перед вводом модификаторов необходимо снизить содержание серы до 0,02...0,03 %. Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической основы (феррит, перлит) и включений графита. Высокопрочные чугуны обладают хорошими литейными и потребительскими свойствами (обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокая износостойкость и др.) свойствами. Они используются для массивных отливок взамен стальных литых и кованых деталей -- цилиндры, шестерни, коленчатые и распределительные валы и др. Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску.

Чугуны специального назначения К этой группе чугунов относятся жаростойкие , жаропрочные и коррозионностойкие чугуны.

Жаростойкими являются серые и высокопрочные чугуны, легированные кремнием и хромом. Эти чугуны обладают жаростойкостью до 700...800°С на воздухе, в топочных и генераторных газах. Для повышения жаропрочности чугуны подвергают отжигу с последующим отпуском. После отжига легированные карбиды приобретают форму мелких округлых включений. В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды). Они обладают высокой коррозионной стойкостью в серной, азотной и ряде органических кислот. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом. Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны.

чугун износостойкость коррозионный графитизирующий

Литература

1. Раздел ГРНТИ: Литейное производство

2. «Справочник по чугунному литью» Гиршович Н.Г. ред.

3. Машиностроение, 1978 г.

Размещено на Allbest.ru