Свойства и маркировка серого чугуна
ДИАГРАММА «ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД». ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЧУГУНОВ
Цель работы: изучить микроструктуру различных чугунов, их свойства и область применения.
Краткие теоретические сведения
Сплавы железа и углерода, содержащие более 2,14% углерода, называются чугунами. По сравнению со сталями чугуны имеют не только большее содержание углерода, но и примесей – марганца, кремния, серы и фосфора, а также более низкими механическими свойствами.
В целом, чугуны с графитом могут быть представлены как стали с графитными включениями той или иной формы. Именно поэтому чугуны обладают более низким комплексом механических свойств. Однако благодаря их высоким литейным свойствам, достаточной прочности, износостойкости и относительно малой стоимости, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.
Основным фактором, определяющим свойства, а следовательно, и область применения чугуна, является его структура.
В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод в чугуне, они делится на:
- белые - весь углерод связан в карбиды (цементит);
- чугуны с графитом – весь или часть углерода находятся в форме графита. К этим чугунам относят высокопрочный, серый, ковкий. Иногда отдельно упоминают серый чугун с мелкими, изогнутыми графитными пластинами, называя его чугун с вермикюлярным графитом.
- половинчатый чугун. В структуре этого чугуна содержатся как ледебурит, так и графитные включения.
|
|
|
Структура белого чугуна соответствует диаграмме равновесного состояния «железо - цементит» и образуется в результате ускоренного охлаждения сплава при литье.
Наличие в сплаве марганца облегчает образование цементита. Кремний препятствует образованию цементита и способствует графитизации чугуна. Поэтому в белом чугуне содержание кремния минимальное (0,7%), что благоприятствует образованию устойчивой цементитной структуры.
Белые чугуны по структуре делятся на:
1) доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода. Они состоят из перлита, ледебурита и вторичного цементита (рис. 1, а);
2) эвтектические, содержащие 4,3% углерода. Их структура – ледебурит;
3) заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода. Их структура состоит из ледебурита и первичного цементита (рис. 1, б).
Характерным признаком структуры белого чугуна является наличие эвтектики – ледебурита. Матричной фазой ледебурита является цементит (Fe3C). Его микротвердость колеблется в пределах 9500-11000 Н/мм2. Очевидно, что по этой причине все белые чугуны будут обладать высокой твердостью (НВ 450-550) и низкой пластичностью.
Для изготовления деталей машин белые чугуны непригодны.
|
|
|
Белые легированные чугуны (в большинстве случаев, высокохромистые) широко применяются для изготовления отливок, работающих в условиях абразивного износа: лопатки дробеметов, бронеплиты, рабочие колеса центробежных насосов и т.п.
Часто изготавливают отливки с отбеленным слоем в виде твердой корки на поверхности. Такая деталь обладает высокой износостойкостью и удовлетворительной прочностью. Классическим примером такого изделия являются прокатные валки.
Рисунок 1 – Схема микроструктуры белого доэвтектического (а) и заэвтектического (б) чугунов
Необходимо подчеркнуть важный вывод, который можно сделать из анализа диаграммы «железо – углерод»: из расплава одного и того же состава можно получить отливку со структурой как белого, так и серого чугуна. Очевидно, что увеличение скорости охлаждения при кристаллизации будет способствовать получению белого чугуна, поскольку графит просто не будет успевать образовываться в интервале между линиями ECF и E`C`F` (см. рис. 1 в работе 4). Подобным же образом влияет увеличение температуры расплава, поскольку при этом будут растворяться частички графита, которые могут служить зародышами для образующегося при кристаллизации графита.
|
|
|
Химический состав так же оказывает влияние на образование белого или серого чугуна. Карбидообразующие элементы (Mn, Cr, V, Mo и т.д.) будут способствовать отбелу чугуна. К элементам-графитизаторам относят: Si, Ni, Co, Cu, Al.
На рис. 2 приведена схема, показывающая структурный состав чугуна, в зависимости от содержания углерода и кремния при постоянной скорости охлаждения.
Рисунок 2 – Схема структурного состава отливки из чугуна, в зависимости от содержания углерода и кремния
В серых, высокопрочных и ковких чугунах весь углерод или его часть находится в свободном состоянии в виде графита. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием и высокие антифрикционные свойства.
Серые, высокопрочные и ковкие чугуны отличаются условиями образования графитных включений, их формой и механическими свойствами. В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок; в высокопрочных – в виде шаров; в ковких – в виде хлопьев (рис. 3).
По структуре металлической основы все чугуны делятся на:
1) перлитные, со структурой перлита и графита. Количество связанного углерода составляет 0,8%;
2) ферритно-перлитные, со структурой феррита, перлита и графита. Количество связанного углерода от 0,02-0,8%;
|
|
|
3) ферритные, со структурой феррита и графита. Весь углерод находится в виде графита.
Свойства чугунов зависят от свойств металлической основы и от количества, формы и характера распределения графитных включений.
Свойства металлической основы определяются ее структурой. С увеличением количества перлита твердость и прочность чугуна увеличиваются, а пластичность уменьшается.
Наличие графита снижает прочность и пластичность металлической основы. Чем больше графита и крупнее его пластинки, тем ниже механические свойства чугуна.
Свойства и маркировка серого чугуна
Серым называется чугун, в котором графит имеет пластинчатую форму. Серый чугун получается в отливке при медленном охлаждении. Содержание основных элементов в серых чугунах находится в пределах: 2,2÷3,7% С; 1÷3% Si; 0,2÷1,1% Mn; 0,02÷0,3% P и 0,02÷0,15% S. В небольших количествах могут содержатся Cr, Ni, Cu, которые попадают с рудой.
Рисунок 3 – Схема, показывающая возможные варианты структуры чугунов с графитом
Свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и формы графита. Прочность, твердость и износостойкость растут с увеличением количества перлита в металлической основе, которая по строению аналогична сталям.
Пластинчатый графит в сером чугуне играет роль надрезов или трещин, пронизывающих металлическую основу. По этой причине серые чугуны имеют низкие прочность и пластичность (δ = %5,0). Чем крупнее и прямоугольнее форма графитных включений, тем ниже прочность чугуна.
Основным показателем механических свойств серых чугунов, в соответствии с ГОСТ 1412-85, является прочность при статическом растяжении. Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение в МПа (Н/мм2) временного сопротивления при растяжении. Например, СЧ 10.
Выбор марки чугуна для конкретных условий работы определяется совокупностью технологических и механических свойств.
Ферритные серые чугуны СЧ 10, СЧ 15 предназначены для слабо и средненагруженных деталей (крышки, маховики, корпуса редукторов, подшипников, тормозные барабаны, диски сцепления и т. д.).
Ферритно-перлитные чугуны СЧ 20, СЧ 25 применяют для деталей, работающих при повышенных нагрузках (блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, станины станков и другие отливки).
Более высокими свойствами обладают перлитные чугуны группы СЧ 30, СЧ 35 благодаря мелким разобщенным графитным включениям. Они используются для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа (зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы, шпиндели и т. д.).
Таблица 1 – Механические свойства и структурный состав чугунов с графитом
Измельчение графитных включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием (0,3÷0,6% от массы шихты). Частицы модификатора в чугунном растворе служат центрами кристаллизации и обеспечивают мелкозернистую структуру чугуна.
Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!