Чугуны

Тема № 7

Чугуны

Белые чугуны

В структуре высокоуглеродистых сплавов, кристаллизующихся по метастабильной системе, нет свободного углерода. Излом их светлый, поэтому такие чугуны называются белыми.

Белые чугуны используются главным образом как передельные чугуны.

Доэвтектический белый чугун, содержащий 2,2 - 2,9%С используется для получения ковкого чугуна, эвтектический белый чугун (легкоплавкий; жидкотекучий) - для получения чугунной дроби, заэвтектический - очень твердый и износостойкий - для отливки шаров, шаровых мельниц.

Серые чугуны

Рекомендуемые материалы

Структурным признаком серого чугуна является обязательное присутствие графита в структуре свободного углерода - графита; который придает излому серый цвет.

Образование из жидкости аустенита и графита и дальнейший распад аустенита на феррит и графит соответствует минимальному значению свободной энергии, т.е. наиболее стабильному равновесию. При медленном охлаждении, когда кристаллизация проходит в интервале температур 1152-1147⁰ термодинамически более выгодно образование графита . В этом случае кристаллизация происходит по стабильной диаграмме.

При медленном охлаждении выделяющийся графит имеет форму слабо разветвленных розеток с пластиновидными лепестками (ведущая фаза). На нем кристаллизуется аустенит, возникает своеобразный бикристалл - аустенитно-графитная колония. Рост графитовых колоний продолжается до полного исчезновения жидкости.

В зависимости от разреза эвтектической колонии плоскостью шлифа графит иногда выглядит в виде хаотических изолированных пластинок (пластинчатый графит).

В результате первичной кристаллизации серого чугуна вне зависимости от содержания в нем углерода образуется структура А + Г. Окончательная структура чугуна формируется при перекристаллизации и не зависит от % С, а определяется условиями охлаждения.

Кристаллизация при различных условиях охлаждения в интервале температур от 1152 до 20⁰ С.

а) Очень медленное охлаждение до 20⁰ С (охлаждение средних отливок в литейной форме или очень крупных отливок на воздухе). Все превращения идут в соответствии со стабильной диаграммой. Выделяющийся углерод диффундирует к уже имеющимся графитным включениям или образует новые. При эвтектоидном превращении также из аустенита выделяется углерод и конечная структура чугуна Ф + Г - серый чугун на ферритной основе. Свойства низкие.

б) До 750-740⁰ С чугун охлаждается медленно (среднее и мелкое литье в литейной форме); а затем быстро (выбивка из формы и охлаждение на воздухе). В этом случае эвтектоидное превращение происходит по метастабильной диаграмме (As→ П) и образуется структура П+Г -серый чугун на перлитной основе. Прочностные свойства удовлетворительные.

в) При тех условиях (случай б) по различным причинам эвтектоидное превращение идет по стабильной и метастабильной диаграммам. В этом случае образуется структура Ф + П + Г - серый чугун на феррито-перлитной основе (графитные включения окружены ферритной оболочкой). Таким образом формируются различные типы чугунов.

Серый чугун обладает низким комплексом механических свойств: низкие прочностные свойства и практически нулевые пластические (главным образом из-за формы графитных включений ). Однако этот чугун дешев, обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой, хорошо гасит колебания (высокие демпфирующие свойства).

Высокопрочный чугун (ВЧ).

Получают его путем модифицирования серого чугуна редкоземельными металлами (Mg, Се) или их лигатурами. Под действием модификатора происходит сфероидизация графитных включений, что приводит к повышению прочности до 1000 МПа и появлению пластичности до 5-10%.

Модификатор обеспечивает глубокую десульфурацию и раскисление, а также выравнивание скорости роста графитных зародышей в различенных направлениях.

Шаровидная форма графита меньше ослабляет металлическую основу по сравнению с графитом в виде пластин, влияющих как острые надрезы.

Высокопрочный чугун также может быть на ферритно-перлитной и перлитной основе.

Ковкий чугун является старым машиностроительным материалом. Его получают из доэвтектического белого чугуна (2,2 - 3,0%С - рис.40) путем термической обработки. Отливки из белого чугуна подвергают графитизирующему отжигу.

При высоких температурах цементит метастабилен. После первой стадии графитизации получаем структуру А+Г. В зависимости от условий охлаждения можно получить структуру П + Г - перлитный ковкий чугун (повышенная прочность) до 450 МПа и пониженная пластичность , или Ф + Г - ферритный ковкий чугун (прочность 300 - 400 МПа, удлинение 6-12%).

Образующийся графит более компактный, чем в сером чугуне, его называют хлопьевидным графитом или углеродом отжига.

Серый чугун широко используется в станкостроении (станины, коробки, колонны и т.д.), т.к. хорошо работает на, сжатие. Высокопрочный чугун - в автостроении, дизелестроении для ряда ответственных изделий (колен, валы, распределительные валики, опоры подшипников и т.д.).

Рекомендуем посмотреть лекцию "11 Методики оценки риска".

Маркировка: СЧ-21 (предел прочности на растяжение в кг/мм). ВЧ - 60 - 5, 120 - 2 ( δ % ) КЧ 30 - 6; КЧ37-12 ( δ%).

Влияние примесей. Чугуны как и стали многокомпонентные системы. Примеси могут оказывать существенное влияние на структурообразование чугунов, особенно такие как Si, Mn, S, Р.

Кремний. Очень сильный графитизатор, т.е. в сильной степени способствует выделению углерода как из жидкой фазы так и из аусте-нита и разложению цементита. В литейных чугунах кремния 0,8 - 4,0%. Влияние кремния и углерода на структуру чугуна хорошо иллюстрирует структурная диаграмма (рис.42 ).

Марганец. Карбидообразующий элемент (Mп), препятствует выделению свободного углерода, т.е. способствует получению белого чугуна. Нейтрализует влияние серы, выводя ее из твердого раствора (MnS). Обычное содержание в С Ч - 0.5 - 0.8%.

Сера - придает чугуну, как и стали, красноломкость. - Содержание серы в сером чугуне не должно превышать 0,08%, в высокопрочном - <0.03%.

Фосфор - в чугуне иногда до 1%. Увеличивает жидкотекучесть, способствует хорошему заполнению формы.