Микроструктура и свойства чугунов

Чугуны делят на две основные группы: белые и серые чугуны.

В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии, в виде химического соединения – цементита (карбид железа – Fe3C). Это твердая и хрупкая фаза, поэтому белые чугуны обладают высокой износостойкостью, плохо обрабатываются режущим инструментом, хрупки. Микроструктура белых чугунов, в зависимости от содержания углерода и температуры, определяется диаграммой состояния Fe – C (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Правая часть диаграммы состояния

Часто применяют половинчатые чугуны, в которых часть углерода находится в форме цементита, а часть в форме графита.

Рассмотрим образование структуры белого эвтектического чугуна при кристаллизации и изменение структуры при последующем охлаждении.

Чугун, содержащий 4,3% С, выше температуры 1147º С (точка С) представляет собой расплав (жидкость). При температуре 1147º С происходит кристаллизация с образованием одновременно двух твердых фаз: аустенит, содержащий 2,14% С (точка Е), и первичный цементит (6,67% С; точка F). Эти фазы формируют однородную механическую смесь – эвтектику, называемую ледебуритом.

При дальнейшем охлаждении из аустенита выделяется вторичный цементит, так как растворимость углерода в аустените уменьшается с понижением температуры в соответствии с линией ES. При достижении точки «f» (723º С) в аустените ледебурита содержится 0,8% С. Этот аустенит при данной температуре претерпевает эвтектоидное превращение с образованием перлита (механическая смесь феррита и цементита).

Таким образом, ниже 723º С ледебурит представляет собой однородную механическую смесь феррита и цементита (первичного и вторичного).

Рассмотренный процесс можно описать следующей реакцией:

Ж4,3%C → Л (Ц1 + А) → Л (Ц1 + А + Ц2) → Л (Ц1 + П + Ц2).

Например, в доэвтектическом чугуне с 3% углерода при охлаждении ниже ликвидуса (точка «а») из расплава выделяются кристаллы аустенита, содержащие менее 2,14% С и достигающие этого состава к концу кристаллизации. Расплав, не претерпевающий превращения, по мере протекания кристаллизации сплава постепенно обогащается углеродом в соответствии с линией ВС, достигая максимального уровня 4,3% при температуре 1147º С (точка С) и превращаясь при этом в ледебурит. При дальнейшем охлаждении доэвтектического чугуна аустенит и ледебурит претерпевают изменения по аналогии с чугуном эвтектического состава.

В целом превращения при охлаждении доэвтектического чугуна можно представить следующей реакцией:
1147º С 723º С

Ж → Ж + А → А + Л ( А + Ц1) + Ц2 → П + Л ( П + Ц2 + Ц1) + Ц2.

В общем случае белые чугуны обладают высокой твердостью, прочностью на сжатие. По этой причине они используются для изготовления направляющих металлорежущих и деревообрабатывающих станков; в бумагоделательном машиностроении – для изготовления каландровых валов.

Обладая хорошими литейными свойствами, эти чугуны с трудом поддаются механической обработки (кроме шлифования), горячая обработка давлением их затруднена, поэтому изделия из белых чугунов изготавливаются, главным образом, методом литья.
Структура и свойства серых чугунов
Цементит (Fe3C) является нестабильным соединением, поэтому при определенных условиях он распадается с образованием графита (одна из модификаций свободного углерода).

Образованию графита способствует наличие в составе чугуна некоторых дополнительных элементов, в первую очередь кремния. При содержании в чугуне 2% кремния распад цементита с образованием графита происходит уже в процессе охлаждения отливки. Легирующие элементы, способствующие образованию графита, называются графитизаторами. Кроме кремния, графитизаторами являются Ni, Co, Al, Cu.

Серые чугуны различаются по форме графита. Чугун с пластинчатой формой графита называют просто серым чугуном (рис. 5.2а). Если в чугун при выплавке добавить так называемые модификаторы (например, силико-кальций), то пластинки графита существенно уменьшают свои размеры, формирую структуру серого чугуна с мелкопластинчатым графитом.

Пластины графита, являясь своеобразными «трещинами», а, следовательно, концентраторами напряжений, уменьшают прочность и пластичность чугунов.

Рис. 5.2. Структура чугунов: - серый перлитный чугун (а);

- высокопрочный феррито-перлитный чугун (б);

- ковкий ферритный чугун (в)

Серые чугуны, как с грубопластинчатым, так и с мелкопластинчатым графитом, обладают хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются, гасят вибрацию, имеют высокие антифрикционные свойства.

Маркируется высокопрочный чугун следующим образом: ВЧ 45 (ВЧ – высокопрочный чугун, 45 –предел прочности на разрыв в кгс/мм² (450 МПа)).

Высокопрочный чугун используется при изготовлении сложных и ответственных деталей (например, коленчатых валов, шестерен автомобильных, тракторных и судовых двигателей). Это относительно дешевый и технологичный конструкционный материал.
Ковкий чугун
Производство ковкого чугуна начинается с получения отливки белого чугуна. Затем отливки подвергают продолжительному (60…80 ч) отжигу при температуре 900…1000º С, включающим медленное охлаждение до 700º С. При отжиге происходит распад цементита с образованием графита хлопьевидной формы и феррита (рис. 5.2в).

В зависимости от температуры и продолжительности отжига структура чугуна имеет ферритную, перлитную или феррито-перлитную основу. Наибольшее распространение имеет ферритный чугун.

Ковкие чугуны маркируются следующим образом: КЧ 35-10 (КЧ – ковкий чугун, 35 – предел прочности на разрыв в кгс/мм² (350 МПа), 10 – относительное удлинение в %).

Из ковких чугунов изготавливают детали: шестерни, червячные колеса, подшипники скольжения и т.п. Ковкий чугун имеет более высокий уровень пластических характеристик, чем высокопрочный чугун (отсюда название – ковкий), поэтому нередко при изготовлении изделий им успешно заменяют сталь.

Для повышения износостойкости белых чугунов вводят хром, который способствует повышению прочности карбидной фазы. При 5…8% Cr образуется карбид цементитного типа (Fe,Cr)3С, а при содержании более 10% Cr образуются сложные и твердые карбиды (Cr,Fe)7 С3 и (Cr,Fe)23 С6 . Кроме хрома в белые чугуны вводят в небольших количествах другие карбидообразующие элементы: марганец, молибден и др. Для придания чугуну большей вязкости в его состав вводят никель и медь.

Износостойкие чугуны обозначают буквами ИЧ. Кроме этого в марке указываются буквами (Х – хром, Н – никель, М – молибден, Г – марганец, Д – медь, Т – титан и т.п.) основные легирующие элементы и их содержание в процентах. Чугуны марок ИЧХ4Г7Д, ИЧХ12Г3М, ИЧХ15М3, ИЧХ28Н2 применяют для изготовления шаров и броневых плит мельниц, элементов конструкций пневмотранспорта, деталей пескометов, лопастей шнеков и др.

Антифрикционные чугуны получают на основе серых, ковких и высокопрочных чугунов. Эта группа чугунов в маркировке имеет букву А. Различные марки отличаются вариантом легирования и уровнем прочности контртела (стадь).

Серые антифрикционные чугуны: АСЧ-1 (с добавками хрома и никеля) и АСЧ-2 (с добавками хрома, никеля, титана и меди) предназначены для работы с термически обработанным (закалка, нормализация) контртелом; АСЧ-3 (с титаном и медью) предназначен для работы с незакаленным контртелом.

Антифрикционные легированные чугуны АКЧ-1(ковкий) и АВЧ-1 (высокопрочный) предназначены для работы с закаленным контртелом, а АКЧ-2 и АВЧ-2 – с незакаленным.

Жаростойкие чугуны (стойкие к окалинообразованию), содержащие в качестве основного легирующего элемента хром, а также кремний и алюминий, в маркировке имеют букву Ж. Хромистые чугуны, например, ЖЧХ-1,5, ЖЧХ-2,5, применяют для элементов конструкций, работающих до 650°С, а высокохромистые чугуны, например: ЖЧХ-30 (28…30% Cr), применяют для изготовления горелок, фурм, колосниковых решеток, работающих до 900°С.
ЗАДАНИЕ
1. Изучить и освоить теоретическую часть.

2. Познакомиться со структурой белых и серых чугунов по диаграмме железо – углерод.