Чугуны: классификация и свойства

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Чугуном принято называть железоуглеродистые сплавы, содержащие углерод при нормальных условиях кристаллизации выше предела растворимости в аустените и эвтектику в структуре. В соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов, чугуном являются сплавы, содержащие углерода более 2%. Эвтектика в структуре этих сплавов, в зависимости от условий её образования, может быть карбидной или графитной.

Приведённое определение, лежащее в основе классификации обычных железоуглеродистых сплавов, не всегда является достаточным.

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 дополнительным определениям. В частности, характерной особенностью чугуна являются лучшие литейные и худшие пластические свойства по сравнению, со сталью, что является следствием высокого содержания углерода (значительно большего предела растворимости в аустените). Общепринятые границы между чугуном и сталью при содержании углерода в 2% и более носят условный характер независимо от степени легирования и характера структуры.

Структура чугуна остаётся важнейшим классификационным признаком, так как она определяет его основные свойства. Структура графитизированных чугунов состоит из металлической основы, пронизанной графитными включениями. Последние очень благоприятно 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 металлической 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 марганца 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 - 300ч400°, повышение износостойкости, повышение прочности и т.д.

При среднем, повышенном и высоком легировании чугун приобретает специальные свойства, так как значительно меняется состав твёрдых растворов и карбидов. В этом случае наибольшее значение приобретает изменение характера металлической основы. Путём легирования можно получить непосредственно в литом состоянии мартенсит, игольчатый троостит и аустенит. Это повышает коррозионностойкость, жаростойкость и меняет магнитные свойства.

Влияние химических элементов на свойства чугуна.

В зависимости от содержания тех или иных легирующих элементов чугун приобретает определённые свойства:

Углерод - повышение его содержания в чугуне приводит к ухудшению свариваемости, порообразованию и снижению температуры плавления.

Кремний - затрудняет процесс сварки вследствие образования тугоплавких оксидов.

Марганец - при содержании свыше 1,5 % ухудшает свариваемость чугуна.

Магний - повышает прочность чугуна.

Хром - повышает кислотостойкость чугуна

Молибден - способствует улучшению механических свойств при динамических нагрузках.

Сера - вредная примесь; снижает прочность и способствует образованию горячих трещин при сварке. Её содержание не должно превышать 0,15%.

Фосфор - повышает жидкотекучесть и свариваемость чугуна, но в то же время приводит к возрастанию хрупкости и твёрдости. Его содержание не должно превышать 0,3%.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СТРУКТУРЕ И УСЛОВИЯМ ОБРАЗОВАНИЯ ГРАФИТА

По степени графитизации, формам графита и условиям их образования различают следующие типы чугунов:

а) белый,

б) половинчатый,

в) серый с пластинчатым графитом,

г) высокопрочный с шаровидным графитом и

д) ковкий.

Перечисленные названия нельзя считать достаточно удачными, поскольку они отражают только вид излома или некоторые свойства и совершенно не характеризуют вид структуры. Однако эти названия исторически сложились и их придерживаются.

Характер металлической основы чугуна определяется степенью графитизации, состоянием легирования и видом термической обработки.

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 ледебурита, а в значительно графитизированных чугунах ледебурита не должно быть.

Структура чугуна в одной отливке может быть различной и принадлежать к разным типам чугуна; иногда даже специально добиваются получения различных структур в разных слоях, например при производстве отбеленных прокатных валков и дробильных шаров. Наружные слои состоят из белого чугуна, переходные слои из половинчатого 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 твёрд, хрупок и очень трудно обрабатывается резцами (даже из твёрдых 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 вторичного цементита. В легированных или термообработанных чугунах вместо перлита может быть троостит, мартенсит или аустенит.

Отливки из белого чугуна из-за большой твёрдости и хрупкости имеют ограниченное применение. Они применяются как износостойкие, 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 затвердевания.

Структура половинчатого чугуна - ледебурит + перлит + графит. 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 кристаллического строения. Половинчатый чугун твёрд и хрупок; применение изделий из половинчатого чугуна ограничено. Чаще всего эта структура встречается в отбеленных отливках в качестве переходной зоны между отбеленным слоем и графитизированной частью.

в) Серый чугун (СЧ). Серый чугун наиболее распространённый машиностроительный материал. Главное отличие серого чугуна заключается в том, что графит в плоскости шлифа имеет пластинчатую форму (рис. 4). Когда пластинки очень дисперсны, графит называют дисперсным или точечным. Получение пластинчатой формы графита не требует термообработки или обязательного модифицирования.

Пластинчатый графит различают по степени изолированности, характеру расположения, форме и размерам пластинок

Рис. 4 - Пластинчатый графит (прямолинейный)

Рис. 5 - Пластинчатый графит, колониями большой степени изолированности

На рис. 5 показан пластинчатый графит, расположенный колониями большой степени изолированности, а на рис. 6 малой степени изолированности. Последний графит (дисперсный) расположен между дендритами и называется междендритным точечным. На рис. 7 показан междендритный пластинчатый графит, а на рис. 8 розеточный графит.

Рис. 6 - Пластинчатый графит, колониями малой степени изолированности	Рис. 7 - Междендритный графит

Рис. 8 - Розеточный графит	Рис. 9 - Завихрённый графит



Рис. 10 - Структура серого чугуна (сорбит, графит и фосфиды)	Рис. 11 - Перлито-ферритный серый чугун

Рис. 12 - Шаровидный графит	Рис. 13 - Перлитный высокопрочный



Рис. 14 - Перлито-ферритный высокопрочный чугун	Рис. 15 - Ферритный высокопрочный чугун

Графит на рис. 4 называется прямолинейным, или крупным: в отличие от завихрённого, показанного на рис. 9.

По преимущественной длине сечений на шлифе графитные включения делятся на десять групп, указанных ниже.

Группа	Длина в микронах	Группа	Длина в микронах
Гд 1 Гд 2 Гд 3 Гд 4 Гд 5	Менее 5 5ч10 10ч25 25ч40 40ч80	Гд 6 Гд 7 Гд 8 Гд 9 Гд 10	80ч150 150ч300 300ч500 500ч1000 Более 1000

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 металлической основы имеет низкую пластичность, большей частью стремятся к получению его с перлитной основой, поскольку перлит значительно прочнее и твёрже феррита. Снижение количества перлита и повышение, за счёт этого, количества феррита приводят к потере прочности и износостойкости 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). Принципиальное отличие высокопрочного чугуна от других видов чугуна заключается в шаровидной форме графита, (рис. 12), которая получается главным образом путём введения в жидкий чугун специальных 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). Путём 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 заключается в том, что графит в нем имеет хлопьевидную или шаровидную форму. Хлопьевидный графит бывает различной компактности и дисперсности (рис. 16 А, 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 увеличением количества перлита в структуре излом становится значительно светлее.

Отливки из ковкого чугуна бывают ограниченной толщины, обычно не более 40ч50 мм. Толщина отливок лимитируется трудностью получения сквозного отбеливания.

Чугун с 5-7% Si (силал) применяется в качестве жаростойкого материала. Чугун с 12-18% Si (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой чугун, легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Чугун с 19-25% Al (чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными чугунами жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили чугуны, легированные Cr (до 2,5%) и Ni (до 6%) - нихарды. Аустенитные никелевые чугуны, легированные Mn, Сu, Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СВОЙСТВАМ

Классифицировать чугуны можно по механическим и специальным свойствам.

По механическим свойствам чугунные отливки делят по:

а) твёрдости (НВ - твёрдость по Бринеллю);

б) прочности (ув - предел прочности при растяжении);

в) пластичности (д - относительное удлинение).

Очень удобным является следующее деление:

а) по твёрдости

Мягкие чугуны ЗВ до 149

Средней твёрдости НВ = 149- 197

Повышенной твёрдости ЗВ = 197 - 269

Твёрдые ЗВ выше 269

б) по прочности

Обыкновенной прочности ув до 20 кг/мм2

Повышенной прочности ув = 20 - 38 кг/мм2

Высокой прочности ув = 40 кг/мм2 и выше

Обыкновенной прочности бывают только серые чугуны. Повышенной прочности бывают серые и ковкие чугуны, высокой прочности ковкие чугуны и чугуны с шаровидным графитом.

в) по пластичности

Непластичные д до 1 %

Малопластичные д = 1-5%

Пластичные д = 5-10%

Повышенной пластичности д выше 10%

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО СПОСОБУ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЧУГУНА И ИХ ОБРАБОТКИ

Большое влияние на свойства чугуна оказывает плавильный агрегат (ваграночный чугун, электроплавильный чугун и т. п.), поскольку от этого зависит степень перегрева жидкого чугуна. Часто приходится встречаться с тем, что какой-нибудь один или несколько технологических факторов играют решающую роль в деле изменения свойств чугуна. Например, добавка стали в ваграночную шихту улучшает свойства чугуна. Такой чугун называют сталистым. Хорошие результаты достигаются модифицированием жидкого чугуна перед разливкой его в формы. В этом случае чугун называется модифицированным.

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 неё. По способу получения отливок чугунное литье можно разделить на кокильное (измельчение структуры за счёт ускоренного охлаждения), центробежное (плотная структура), армированное (упрочнение отливок) и т. п.

Значительное изменение свойств достигается термообработкой отливок. С помощью термической обработки можно изменить степень дисперсности металлической основы и её характер вплоть до превращения её в игольчато-трооститную и мартенситную. До некоторого 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 отожжённые, нормализованные, улучшенные, поверхностно-закалённые, азотированные и т.п.

6. КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ВИДАМ ОТЛИВОК И ОБЛАСТЯМ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

чугун излом отлив графит

Чугунные отливки по видам отливок и областям их применения можно делить на станочные, цилиндровые, автомобильные, подшипниковые, прокатные валки из отбеленного чугуна и т. п.

Из приведённых классификаций наиболее чёткой является классификация по структуре, наименее чёткой 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 классификации - 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), легирован ли и чем он легирован.



7. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЧУГУНА

Согласно ГОСТ 1412-85 серый чугун обозначают двумя заглавными буквами СЧ и через дефис проставляют два числа, первое из которых представляет собой значение предела прочности чугуна, в десятках МПа, при растяжении, а второе - при изгибе.

Пример. СЧ-15-32 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 150 МПа (15 кгс/мм2) и пределом прочности при изгибе 320 МПа (32 кгс/мм2).

Ковкий чугун обозначают заглавными буквами КЧ и через дефис проставляют два числа, первое из которых - значение предела прочности при растяжении, в десятках МПа, а второе - относительное удлинение, выраженное в процентах

Пример. КЧ-35-10 - ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 350 МПа (35 кгс/мм2) и относительным удлинением 10%.



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барташевич А.А. Материаловедение. - Ростов н/Д.: Феникс, 2008.

2. Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение для технических колледжей: Учебник. - М.: Дашков и Ко, 2008.

3. Заплатин В.Н. Справочное пособие по материаловедению (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. - М.: Академия, 2007.

4. Материаловедение: Учебник для ВУЗов. / Под ред. Арзамасова Б.Н. - М.: МГТУ им. Баумана, 2008.

5. Материаловедение: Учебник для СПО. / Адаскин А.М. и др. Под ред. Соломенцева Ю.М. - М.: Высш. шк., 2006.

6. Материаловедение: Учебник для СПО. / Под ред. Батиенко В.Т. - М.: Инфра-М, 2006.

7. Моряков О.С. Материаловедение: Учебник для СПО. - М.: Академия, 2008.

8. Основы материаловедения (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. / Заплатин В.Н. - М.: Академия, 2008.

9. Ржевская С.В. Материаловедение: Учебник для ВУЗов. - М.: Университетская книга Логос, 2006.

10. Солнцев Ю.П. Материаловедение: Учебник для СПО. - М.: Академия, 2008.

11. Солнцев Ю.П. Материаловедение: Учебник для СПО. - М.: Академия, 2007.

12. Справочник по конструкционным материалам. / Под ред. Арзамасова Б.Н. - М.: МГТУ им. Баумана, 2009.

13. Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник для СПО. - М.: Академия, 2006.

Размещено на Allbest.ru

...