Микроструктура чугунов

Белый чугун (БЧ). Микроструктурный анализ белых чугунов проводят, используя метастабильную диаграмму состояния системы железо - углерод.

Белый чугун по структуре делится на три вида (рис. 5.4):

- доэвтектический (содержит от 2,14 до 4,3 % углерода), состоит из перлита, ледебурита превращенного и цементита вто­ричного, который может кристаллизоваться в виде тонких плас­тинок или зёрен;

- эвтектический (содержит 4,3 % углерода), состоит из одной структур­ной составляющей—ледебурита превращенного;

- заэвтектический, со­держащий свыше 4,3% углерода, имеет структуру цементита первичного и ледебурита превращенного. Кристаллы первичного цементита имеют форму вытянутых плоских дендритов.

а) б) в)

Рис. 5.4. Микроструктуры белых чугунов: а) – доэвтектического;

б) – эвтектического; в) – заэвтектического

Серый чугун (СЧ) . Его получают в процессе выплавки за счет введения графитизирующей добавки кремния (рис. 5.2). Микроструктурный анализ серых чугунов проводят, используя стабильную диаграмму состояния системы железо - графит (пунктирные линии на рис. 5.1).

Серые чугуны разделяют по структуре металлической основы (рис. 5.5). В зависимости от полноты графитизации она может быть трех видов:

ферритная, когда графитизация прошла полностью;

перлитная, образующаяся, если эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной диаграммой;

феррито-перлитная, когда аустенит при эвтектоидной реакции частично распадается с образованием графита, а частично - с образованием перлита.

а) б) в)

Рис. 5.5. Микроструктуры серых чугунов: а) – ферритного;

б) – феррито-перлитного; в) – перлитного

Ковкий чугун (КЧ). Его получают путем отжига отливок из белого чугуна, который основан на том, что при по­вышенных температурах цементит становится неустойчивым и распадается с выделением графита. Сте­пень графитизации зависит от температуры и времени отжига, состава белого чугуна и других факторов.

Схема графитизирующего отжига показана на рис. 5.6, а на рис. 5.7 – три типа структур, образующихся в зависимости от полноты графитизации.

Длительная выдержка τ = 12...15 ч при температуре 950...1000 ^оС приводит к разложению цементита на аустенит и графит (первая стадия графитизации). Затем при охлаждении, переходя критическую температуру А₁, аустенит превращается в перлит. Дальнейшее охлаждение сохраняет структуру сплава, состоящую из перлита и графитовых включений хлопьевидной формы (рис. 5.7, в).

950…1000

720…740

τ, ч

Ц→А+Гр

П→А

Ц→Ф+Гр

20…25 12…15 6..12 25…30

П+Ц

П+Гр

П+Ф+Гр

А→П

Ф+Гр

А1

БЧ

КЧ

I стадия

II cтадия

t,оC

Рис. 5.6. График отжига белого чугуна для получения ковкого чугуна

Выдержка в течение 25...30 ч при температуре 720...740 ^оС приводит к распаду цементита перлита на феррит и графит (вторая стадия графитизации). По завершению процесса структура чугуна состоит из феррита и включений графита (рис. 5.7, а).

Если выдержку при температуре 720...740 ^оС сделать менее 25...30 ч, то часть перлита сохранится и отливка будет иметь феррито-перлитную структуру с включениями графита (рис. 5.7, б).

Образующийся в процессе отжига графит приобретает компактную, почти равноосную хлопьевидную форму с разорванными краями. Такая форма графитовых включений создает меньшую концентрацию напряжений по сравнению с пластинчатой формой графита серых чугунов, что повышает пластичность и прочность ковких чугунов.

Из ковких чугунов изготавливают детали, воспринимающие ударные и знакопеременные нагрузки.

а) б) в)

Рис. 5.7. Микроструктуры ковких чугунов: а) – ферритного;

б) – феррито-перлитного; в) – перлитного

Высокопрочный чугун (ВЧ). Высокопрочный чугун получают путем модифицирования жидкого расплава щелочными или, щелочноземельными металлами. Чаще для этого применяют магний в количестве 0,03—0,07%. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

Под действием модификаторов графит в процессе кристаллизации принимает шаровидную форму. Такой графит, называемый глобулярным, не создает концентрации напряжений и значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем включения графита другой формы. Высокопрочные чугуны по микроструктуре металлической основы также подразделяют на ферритный, феррито - перлитный и перлитный (рис. 5.8).

а) б) в)

Рис. 5.8 Микроструктуры высокопрочных чугунов: а – ферритного;

б – феррито-перлитного; в – перлитного

Особенности образования графитных включений шаро­видной формы заключаются в том, что при эвтектической кристаллизации, аустенит отлагается в виде оболочек на глобулах графита и изолиру­ет их от жидкой фазы. Это обеспечивает малую скорость их роста при непрерывном зарождении новых центров кристаллизации. Поэтому модифицированный магнием чугун содержит большое количество мелких включений графита.

Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ). Структура вермикулярных чугунов формируется под действием комплексного модифицирования алюминием и редкоземельными металлами. Графит приобретает вермикулярную (от лат. vermiculus «червячок») форму в виде мелких, червеобразных прожилок, не создающих высокой концентрации напряжений. По структуре металлической основы ЧВГ могут быть ферритными, феррито-перлитными и перлитными.

Вермикулярные чугуны занимают промежуточное положение между серыми и высокопрочными чугунами, свойства которых зависят от формы и размеров графитовых включений, показанных на рис. 5.9.

а) б) в)

Рис. 5.9 Графитовые включения различных видов (Î135, нетравлено):

а) – крупные пластинчатые в сером чугуне; б) – мелкие вермикулярные в ЧВГ;

в) – шаровидные в высокопрочном чугуне

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее и длиннее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы (рис.5.9, а) в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна вермикулярная форма (рис.5.9, б), а оптимальной является шаровидная форма графита (рис.5.9, в). Пластичность сплавов зависит от формы графита таким же образом. Относительное удлинение δ для серых чугунов составляет 0,5 %, для вермикулярных – до 10 %, для высокопрочных – до 15 %.

Наличие графита наиболее резко уменьшает сопротивление при жестких способах нагружения: удар, разрыв. Прочность на сжатие графитизированных чугунов снижается мало.