Структура, свойства и применение чугунов

Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называются чугунами.

В зависимости от условий кристаллизации и последующей об­работки углерод в чугунах может находиться в виде цементита ли­бо в виде графита. В соответствии с этим различают две группы чугунов - белые и серые.

Белые чугуны по структуре могут состоять из перлита и леде­бурита (доэвтектические чугуны с содержанием углерода до 4,3%), ледебурита (эвтектический белый чугун) и ледебурита и це­ментита (заэвтектические белые чугуны, содержащие более 4,3% С).

Из-за присутствия в белых чугунах большого количества це­ментита они тверды и хрупки и для изготовления деталей машин практически не используются. Иногда на некоторых участках чугун­ных деталей (коренные шейки коленчатых валов, прокатные валки и т.д.) специально получают отбеленный поверхностный слой в це­лях повышения твердости и износостойкости.

Серые чугуны содержат большую часть углерода в виде графита. По форме графитовых включений они подразделяются на серые, ковкие и высокопрочные. Наличие графита в свободном состоянии приводит к уменьшению прочности, коэффициента трения и амплитуды резонан­сных колебаний (при этом гасится вибрация).

Серый чугун маркируется буквами: С - серый, Ч - чугун, например: СЧ10, СЧ15, СЧ18. Цифры обозначают предел прочности чугуна в кгс/мм². В сером чугуне ледебурит отсутствует, а углерод частично или пол­ностью находится в виде пластинчатого графита (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Серый чугун с пластинчатым графитом:

перлитоферритографитная микроструктура, х200

Основная метал­лическая матрица серого чугуна может состоять из феррита, смеси феррита и перлита или перлита. Соответственно этому подобные чу­гуны часто называются ферритными, ферритно-перлитными и перлитными. Серые Ф-П чугуны используют для изготовления деталей, испы­тывающих средние динамические нагрузки (блоки цилиндров двига­телей, головки цилиндров, корпуса гидронасосов и др.) и работа­ющих в условиях трения (гильзы цилиндров, барабаны сцепления и др.).

Перлитные серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при достаточно высоких динамических нагрузках и в ус­ловиях трения (шестерни, звездочки, храповики, шпиндели, поршне­вые кольца и др.).

Ковкий чугун отличается тем, что углерод в нем находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом:

ферритографитная микроструктура, х250

Ковкие чугу­ны получают путем специального отжига белого чугуна. В зависи­мости от режима отжига основная металлическая матрица может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Образующиеся участки графита имеют вид крупных пятнистых включений неправиль­ной формы с глубоко изрезанными границами.

Ковкий чугун маркируется буквами: К - ковкий, Ч - чугун, например: КЧ 30-6, КЧ 35-10. Первая цифра обозначает предел прочности чугуна в кгс/мм², вторая - относительное удлинение в %. Ферритно-перлитные и перлитные ковкие чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при высоких статических и дина­мических нагрузках и в тяжелых условиях износа (муфты, звездоч­ки и звенья приводных цепей, тормозные колодки, коленчатые валы, лопасти центробежных дробеметных барабанов и др.).

Высокопрочный чугун характеризуется тем, что углерод в нем в значительной степени или полностью находится в свободном со­стоянии в форме шаровидного графита (рис. 6.6).

Такие чугуны получают пу­тем добавки в жидкий чугун перед разливкой небольших количеств определенных элементов (Mg, Zr, Ge и др.), которые изменяют условия кристаллизации. Графит имеет почти правильную ша­ровидную форму с четко очерченными границами.

Рис. 6.6. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом:

перлитоферритографитная микроструктура, х200

Основная структу­ра обычно представляет собой перлит. Иногда вокруг графита на­блюдается оболочка феррита.

Высокопрочный чугун маркируется буквами: В - высокопрочный,

Ч - чугун, например: ВЧ 35, ВЧ 70. Цифра обозначает предел прочности чугуна в кгс/мм². Высокопрочные чугуны применяют для изготовления ответствен­ных деталей, испытывающих знакопеременные динамические нагрузки (коленчатые валы двигателей, кронштейны, шестерни, тормозные дис­ки, прокатные валки и др.).

Задание и методические рекомендации

1. Изучить диаграмму состояния «железо-цементит», на ее гра­фическом изображении обозначить области существования соответствующих структур и фазовый состав сплавов.

2. Указать значения линий и точек диаграммы.

3. Дать определение и характеристику свойств основных фаз и двухфазных структур железоуглеродистых сплавов.

4. Для заданного сплава построить кривую охлаждения и указать, какие превращения происходят при охлаждении.

5. Изучить под микроскопом или на компьютере микроструктуру сталей с различ­ным содержанием углерода. Зарисовать микроструктуру. В соответствии с диаграммой определить основные структурные составляющие и обозначить их на рисунках. Пользуясь справочными таблицами, указать основные механические характеристики сталей и их приме­нение.

6. По структуре отоженной стали определить процентное содержание углерода. Например, в доэвтектоидной стали содержится 20% перлита и, следовательно, 80% феррита (определяем на глаз под микроскопом или по микрофотографии). При приближенном расчете, не учитывая содержания углерода в феррите, считают, что весь углерод находится только в перлите. В этом случае количество углерода в стали определяется так:

100% перлита содержат 0,8% С, 20% перлита содержит х₁ % С. Тогда

х₁= = 0,16% С.

При более точном определении содержание углерода в стали, особенно в малоуглеродистой, необходимо учитывать углерод, содержащийся в феррите и в третичном цементите, который определяется следующим образом:

100% феррита содержат 0,025% С (при 727°С),

80% феррита содержат х₂% С. Тогда

х₂= = 0,02% С.

Содержание углерода в стали равно сумме: х₁+х₂.

Если сталь заэвтектоидная и ее структура содержит 95% перлита и 5% вторичного цементита, содержание углерода в стали определяется так:

1) 100% перлита содержат 0,8% С, 95% перлита содержат х₁ % С.

Тогда

х₁= = 0,76 % С;

2) 100% цементита содержат 6,67% С, 5% цементита содержат х₂% С. Тогда

х₂= = 0,33% С.

Содержание углерода в стали равно х₁+х₂.

7. Рассмотреть классификацию и способы производства различ­ных чугунов. Изучить под микроскопом или на компьютере структуру различных марок чугунов, зарисовать ее в таблице с обозначением основных фаз и структур. Указать основные механические характеристики и применение различных чугунов.

Контрольные вопросы

1. Какие фазы и сложные структуры образуются в же­лезоуглеродистых сплавах?

2. Как называются линии, точки и отдельные области диаграммы "железо-цементит"?

3. Как изменяется структура сталей в равновесном состоянии по мере увеличения содержания в ней углерода? Как классифицируются стали по структуре?

4. Как классифицируются стали по содержанию в них углерода?

Как они маркируются?

5. Как изменяются свойства сталей в зависимости от их структуры и содержания углерода? Указать области применения сталей с различным содер­жанием углерода.

6. Как изменяются свойства чугуна в зависимости от их структуры? Указать области применения серых, ковких и высоко­прочных чугунов.

Лабораторная работа № 7