Чугун свойства и применение – Чугун, его свойства. Влияние примесей на структуру и свойства чугуна. Виды чугуна, их свойства и область применения. Маркировка чугунов

Серый чугун: свойства, применение, виды, обработка

Серый чугун — это сплав железа с углеродом, который при охлаждении металла образуется в виде хлопьевидных или пластинчатых включений. Содержание углерода в сплаве превышает 2,14%, что выше нормальной растворимости. Этим сплав и отличается от стали, в которой углерод полностью растворен и отсутствует в виде отдельных включений, структура которых определяет их как графит.

Серый чугун

Основные характеристики

Серый чугун лежит в основе черной металлургии, поскольку получается в результате восстановления железных руд при помощи углеродного топлива (кокса). В результате, кроме химической реакции восстановления окислов железа, сплав дополнительно насыщается свободным углеродом.

Высокое содержание углерода в свободном состоянии определяет механические свойства серого чугуна. Одно из основных качеств, которые позволяют использовать серый чугун не только в качестве передельного металла, это его высокие литейные качества и малая усадка при застывании. Расплавленный металл имеет высокую текучесть, поэтому из него можно выполнять отливки сложной формы.

Плиты серого чугуна

Ограничение по использованию изделий из серого чугуна обусловлено тем, что он имеет низкую прочность на изгиб, высокую хрупкость. Вместе с тем прочность серого чугуна на сжатие очень высока.

Несмотря на высокую хрупкость, такая характеристика, как износостойкость чугуна, позволяет использовать его в изделиях, работающих в условиях трения. В данных условиях сильное влияние оказывают антифрикционные свойства сплава.

Наличие большого количества углерода снижает плотность серого чугуна по сравнению с большинством сортов стали и составляет от 6,8 до 7,3 т на м³.

Из-за наличия вкраплений углерода сварка серого чугуна практически невозможна. Существуют технологии сварки при наличии определенных условий. Это предварительный нагрев деталей, использование специальных высокоуглеродистых электродов, но все равно, структура металла шва сильно отличается от основного материала. Свариваемые детали должны медленно охлаждаться для устранения напряжений в зоне шва.

Химический состав и структура

В химический состав сплава, кроме железа и углерода, входит также некоторое содержание кремния. Свойства сплава зависят от условий охлаждения, поскольку время изменения температуры влияет на формирование внутренней структуры материала.

При медленном остывании образуются крупные кристаллы железа, и соединения металла с углеродом приобретают перлитную основу. Медленное остывание вызывает рост геометрических размеров не только кристаллов железа, но и включений углерода, поэтому, перлитный металл имеет высокую прочность, но повышенную хрупкость.

Микроструктура серого чугуна

В условиях быстрого охлаждения углерод не успевает сформировать крупные включения графита, поэтому сплав приобретает ферритную структуру.

Ферритный серый чугун имеет несколько меньшую хрупкость, чем перлитный.

Выбирая режим охлаждения литой заготовки, можно определенным образом влиять на итоговые свойства материала, в зависимости от предъявляемых требований.

Применение

Серый чугун широко применяется при литье изделий, для которых важна высокая прочность на сжатие. Это свойство важно, главным образом, при изготовлении литых станин инструментального парка. Применение материала ограничивается повышенной хрупкостью изделий при наличии значительных изгибающих усилий.

Изделие из серого чугуна

Ранее широко использовались хорошие литейные свойства материала при изготовлении различных изделий бытового и промышленного назначения. Разнообразная кухонная и бытовая утварь – чугунки, сковороды, утюги, изготовленная литьем при минимальной последующей обработке имела низкую себестоимость и легкость в производстве.

В настоящее время при помощи литья изготавливают также высоконагруженные элементы машин, где они не подвергаются изгибающим нагрузкам. Это поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания.

Детали высокой прочности, отлитые из серого чугуна, имеют минимальную стоимость и высокий срок службы. Без преувеличения можно сказать, что литые станины и корпуса станков являются практически вечными по сравнению с остальными элементами устройства.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 

stankiexpert.ru

Чугуны, их свойства и области применения

         Сплав железа с углеродом(>2,14%С) называется чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обуславливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цемента или графита. Цементит придает излому специфический белый светлый блеск, поэтому чугун называется белым. Графит придает излому чугуна серый цвет. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкой.

Структура и свойства чугунов

В микроструктуре чугуна следует различать металлическую основу и графитные включения.

В зависимости от углерода, связанного в цементит, различают несколько видов чугунов:

Белый Чугун – весь углерод находится в виде Fe3C. Структура чугуна – перлит и  ледебурит.

Половинчатый чугун – большая часть углерода (свыше 0,8%) находится в виде Fe3C.

Структура чугуна – перлит, ледебурит и пластичный графит.

Перлитный  серый чугун. Структура – перлит и пластинчатый графит.

В том чугуне 0,7 — 08%углерода, и он находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

Ферритно-перлитный серый чугун. Структура —  перлит, феррит и  пластичный графит. В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1% С.

Ферритный серый чугун. Структура – феррит и пластичный графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита.

Из структуры серых чугунов видно, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной  стали, доэвтиктоидной стали и железа. Следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали тем, что в чугунах имеются графитовые включения, что предопределяет их специфические свойства.

Металлическая основа в серых чугунах обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичности и вязкости чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный серый чугун.

 Графит в чугунах может быть следующих основных форм.

Пластичный графит. В обычном чугуне графит образуется в виде прожилок лепестков; такой графит называется пластичным.

Шаровидный графит. В высокопрочных чугунах, выплавленных с присадкой небольшого количества магния, графит преобразуется в шаровидную форму.

Вермикулярный графит. Пластичная форма графита ухудшает свойства чугуна, поэтому разработаны методы плавки или последующей обработки, при которых изменяется, форма графита и улучшаются свойства чугуна. В настоящее время получают серый чугун с волокнистой (червеобразной) формой графита. Такой графит получил название вермикулярного.

Хлопьевидный графит. Если при отливке получить белый чугун, а затем, используя неустойчивость, цементита, путем отжига его разложить, то образующийся графит приобретает равновесную форму. Такой графит наз. хлопьевидным или углеродом отжига. На практике чугуны с хлопьевидным графитом называют ковким чугуном.

Таким образом, чугун с пластинчатым графитом называют обычным серым чугуном, чугун с шаровидным и вермикулярным графитом – высокопрочным чугуном, чугун с хлопьевидным графитом – ковким чугуном.

Влияние примесей

Обычный промышленный чугун не  является двойным железоуглеродистым сплавом, а содержит те же примеси, что и углеродистые стали. Эти примеси существенно влияют главным образом на условия графитизации и, следовательно, на структуру  и свойства чугуна.

Количество марганца в чугуне не превышает 1,25-1,4%. Марганец препятствует процессу графитизации, то есть затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера – вредная примесь, ухудшающая механические и литейные свойства чугуна, поэтому ее содержание ограничивают до 0,1-0,12%. В сером чугуне сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их твердые растворы (FeS, Mn) S.

Содержание фосфора в сером чугуне – около 0,2%, допускается иногда – 0,5%. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики. Образование эвтектики улучшает литейные свойства чугуна (повышает жидкотекучесть), повышает общую твердость и износостойкость, однако увеличивает хрупкость чугуна.

Кремний – особенно сильно влияет на структуру чугуна, усиливая графитизацию. Содержание кремния в чугунах колеблется в широких пределах – от 0,03-0,5до 3-5%. Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре: от белого до ферритного (серого с пластинчатым графитом  или высокопрочного с шаровидным графитом).

Кроме  этих постоянных примесей в чугун часто вводят и другие элементы. Такие чугуны называются легированными.

Преимущественно чугун легируют хромом, никелем, медью, алюминием, титаном. Хромом препятствует графитизации чугуна, а медь и никель способствуют ей.

Серые чугуны

В  структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Наибольшее применение нашли доэвтектические группы, содержащие 2,4-3,8% С. Чем выше содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже содержание С, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В связи с этим количество углерода в чугуне обычно не превышает (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не меньше 2,4%.

Поскольку структура чугуна состоит из металлической основы и графита, то и свойства чугуна будут зависеть от свойств металлической основы и количества и характера графитных включений.

Графит по сравнению со сталью обладает ничтожно низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто за пустоты, трещины. Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, но испещренную большим количеством пустот  и трещин.

Чем больше объема занимают эти пустоты, тем ниже будут свойства чугуна. При  одинаковом объеме пустот, то есть количестве графита, свойства чугуна будут зависеть от его формы и расположения.

Чем меньше графитовых включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна. Чугун с мелкими и завихренными графитными включениями обладает более высокими свойствами.

Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от структуры чугуна в 3-5 раз больше, чем при растяжении, поэтому нужно использовать для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее значительно, чем при  растяжении, снижают прочность при изгибе, так как часть изделия при этом испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между пределом прочности на растяжение и пределом прочности на сжатие.

Твердость чугуна в зависимости от металлической основы равна 143-255 НВ.

Сказанное относится главным образом к серому чугуну с пластинчатыми включениями графита. По мере округления графитных включений их данное отрицательное влияние уменьшается.

Округлые включения шаровидного графита не создают резкой концентрации напряжений; такие включения не являются трещинами, и чугун с шаровидным графитом показывает значительно более высокую прочность при растяжении и изгибе, чем чугун с пластинчатым графитом. Отсюда и название чугуна с шаровидным графитом – высокопрочный чугун. Ковкий чугун с хлопьевидным графитом занимает промежуточное положение по прочности между обычным серым и высокопрочным чугуном.

Таким образом, прочность чугуна (в отношении нормальных напряжений) определяется строением металлической основы и формой графитных включений.

Благодаря наличию графита чугун имеет некоторые преимущества перед сталью:

— наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой;

— графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки;

 — наличие графитных включений быстро гасит вибрации и резонансные колебания;

— чугун почти не чувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т.д. Графит, нарушая оплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным ко всевозможным внешним концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т.д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность и в отливках простой формы или с ровной поверхностью, и в отливках сложной формы с надрезом или плохо обработанной поверхностью;

— следует также указать на превосходство чугуна перед сталью по литейным свойствам. Более низкая температура плавления и окончание кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают лучшую жидкотекучесть и заполняемость формы.

Указанные достоинства чугуна делают его ценными конструкционным материалом, широко применяемым для изготовления деталей машин, главным образом тогда, когда детали не испытывают значительных растягивающих и ударных нагрузок.

Серый чугун маркируется буквами С (серый) и Ч (чугун). После букв следуют цифры, указывающие среднее значение временного сопротивления при растяжении.

Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие группы.

Ферритные и ферритно-перлитные чугуны (СЧ10,СЧ15) имеют при растяжении Qв 10-15 кгс\мм2 (100-150МПа), при изгибе – 28-32 кгс/мм2(280-320 МПа). Их примерный состав: 3,5-3,7%С; 2,0-2,6%Si;0,5-0,8% Mn; <=0,3% Р;<=0,15% S. Структура чугуна – перлит, феррит и графит  грубый и средних размеров. Эти чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10-30мм.Так,чугун СЧ10 используют для изготовления строительных колон, фундаментных плит, а чугуны СЧ15 и СЧ18 – для литых малонагруженных деталей станков, автомобилей и тракторов, арматуры.

Перлитные чугуны (СЧ21, СЧ32, СЧ36, СЧ40) применяют для отливки  станин мощных станков и механизмов, поршней цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений (компрессорное, турбинное литье, дизельные цилиндры, блоки двигателей, детали металлургического оборудования). Структура этих чугунов – мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями. К перлитным чугунам относятся так называемые сталистые и  модифицированные чугуны.

Сталистые чугуны (СЧ24, СЧ28) получают выплавкой с добавлением в шихту 20-30%  стального лома;

Чугуны имеют пониженное содержание углерода, что обеспечивает получение более дисперсной перлитной основы с меньшим количеством графических включений. Содержание кремния в этих чугунах должно быть достаточным для предотвращения возможности отбеливания чугуна.

Модифицированные чугуны (СЧ30, СЧ36, СЧ40, СЧ45) получают добавлением в жидкий чугун перед разливкой специальных модификаторов. Модифицирование применяют для получения в крупных отливках с различной толщиной стенок перлитной основы с вкраплением небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины.

Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий небольшое количество кремния и повышенное количество марганца. Примерный состав чугуна до модификаций: половинчатый чугун, то есть ледебурит, перлит и графит (2,8-3,3% С; 1,0-1,5%Si; 0,8-1,2% Mn; не более 0,3%Р и 0,12%S).

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500-700С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при температуре отжига составляет 3-10ч.

Охлаждение после отжига медленное, вместе с печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние нагрузки снижаются на 80-90%. Иногда для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна – выдержка их на складе в течение 6-10 месяцев. Такая выдержка снижает напряжения на 40-50%.

Антифрикционные чугуны

Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазки. Эти чугуны должны обеспечивать низкое трение, то есть антифрикционность. Антифрикционность определяется формой графита и соотношением перлита и феррита в основе.

Антифрикционные чугуны с глобулярными графитом изготавливают двух марок: АЧВ-1 – с перлитной структурой и АЧВ-2 – с повышенным содержанием кремния и ферритно-перлитной структурой.

АЧВ-1 предназначен для работы в узлах трения с повышенными окружными скоростями в паре с закаленными или нормализованным валом. Чугун АЧВ-2 применяют в паре с нетермообработанным валом.

Перлитный чугун, содержащий повышенное количество фосфора (0,3-0,5%), используют для изготовления поршневых колец. Высокая износостойкость колец обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и фосфидной эвтектики при наличии пластинчатого графита.

Белый и отбеленные чугуны

Белый чугун вследствие присутствия в нем цементита обладает высокой твердостью, хрупок и не поддается обработке резанием, поэтому имеет  ограниченное применение.

 Отбеленными называются чугуны, в которых поверхностные слои имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а середина – структуру серого чугуна.

Отбел на некоторую глубину (10-30мм) является следствием быстрого охлаждения поверхности, возникающего в результате отливки чугуна в металлические формы (кокиль) или в песчаную форму.

Высокая твердость поверхности (НВ = 400-500)обуславливает хорошую сопротивляемость износу. Поэтому из отбеленного чугуна изготавливают прокатные валки листовых станов, колёса, шары  для мельниц.

Вследствие различной скорости охлаждения и получения разных структур отливка имеет большие внутренние напряжения, для снятия которых отливки подвергают термообработке, то есть их нагревают при 500-550 С.

Высокопрочные чугуны

Выше говорилось о том, какое большое значение для качества чугунов имеет форма и размер графитных включений.

Степень графитизации зависит от содержания графитизирующих примесей и скорости охлаждения.

Размер и форма графитных включений зависят от этих факторов, а также от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации. Наличие большого числа центров кристаллизации в виде различных частичек способствует образованию структуры мелкого графита.

Для этого в жидкий чугун перед разливкой его по формам вводят не большую добавку модификаторов. Чаще для этой цели применяют Mg ( 0,03- 0,07% ). В результате процесса кристаллизации графит принимает шаровидную форму. Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем пластинчатый. Шаровидный графит не является активным центром концентрации напряжений.

Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость.

Маркируют высокие чугуны буквами ВЧ, затем следуют цифры. Цифры показывают среднее значение временного сопротивления при растяжении ( кгс/мм): чугуны марок ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100, ВЧ120 имеют перлитную металлическую основу, ВЧ45 –  перлитно-ферритную, ВЧ38, ВЧ42 – ферритную.

Для указания формы графита иногда в маркировке ставят буквы ШГ (шаровидный графит) или ВГ ( вермикулярный графит). Например: ВЧШГ – высокопрочный чугун с шаровидным графитом, ВЧВГ – высокопрочный чугун с вермикулярным графитом.

Для снятия внутренних напряжений, повышения механических свойств чугуны подвергают термообработке.

Отливки из высокопрочных чугунов широко используют в различных отраслях: в автопромышленности и дизелестроении — для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров: в тяжелом машиностроении – для изготовления многих деталей прокатных станов, кузнечнопрессового оборудования ( например, для шабот-Молотов, траверс-прессов, прокатных валов): в химической и нефтехимической промышленности – для изготовления корпусов насосов, вентилей и т.д.

Ковкие чугуны

Ковкими называют чугун с хлопьевидным графитом, который получается из белого чугуна путем специального графитизирующего отжига – томления. Металлическая основа ковкого чугуна –феррит, реже – перлит. Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун, который применяют в машиностроении.

Химический состав белого чугуна, отжимаемого на ковкий чугун, выбирают в следующих переделах: 2,2-2,8% С; 0,6-1,4% Si; Mn<=0.4%; S<=0,1%; Р<=0,2%

Для ускорения отжига применяют различные меры: чугун модифицируют Алюминием (реже – бромом, висмутом и другими элементами), повышают температуру нагрева чугуна перед разливкой, применяют перед отжигом старение, чаще в процессе нагрева до температуры отжига при 350-400С повышают температуру стадии графитизации, но не выше 1080С.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности при растяжении, вторые – относительное удлинение. Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Ферритные чугуны КЧ37-12, КЧ35-10 используют для изготовления деталей, испытывающих высокие статические и динамические нагрузки (картеры, ступицы, крюки, скобы), КЧ30-6, КЧ33-8 –для изготовления менее ответственных деталей(головки, хомутики, гайки, фланцы, муфты).

 Твердость ферритного чугуна НВ = 163.

Перлитные чугуны КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3, КЧ63-2 обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами; НВ=240-270.

Из перлитного ковкого чугуна изготавливают вилки карданных валов, втулки, муфты, тормозные колодки. Ковкий чугун применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей – в отличие от ВЧ, который используют для деталей большого сечения.

Легированные чугуны

При легировании чугунов применяются те же элементы, что и при легировании стали (хром, никель, медь, титан, молибден и др.). Чугун с повышенным содержанием кремния (свыше 4%) и марганца (свыше2%) относится к легированным чугунам. В зависимости легирования различают низколегированные (с содержанием легирующих элементов до 1-3%), среднелегированные (3-10%) и высоколегированные чугуны (свыше 10%).

Маркировка легированных чугунов начинается с буквы Ч. Последующие буквы показывают наличие легирующих элементов. Цифры обозначают последовательно среднее содержание легирующих элементов в процентах. Буква III означает, что графит в чугуне имеет шаровидную форму.

Все легирующие элементы изменяют как процесс графитизации при эвтическом превращении, так и процесс формирования металлической основы при эвтектоидном превращении. Они увеличивают устойчивость жидкой фазы и аустенита, способствуя большей степени переохлаждения. Вследствие этого кристаллизация и формирование структуры металлической основы происходят в более благоприятных условиях для получения мелкого и среднего графита и более дисперсной основы. Правильно подбирая содержание основных и легирующих элементов, можно получить ферритную, перлитную, сорбитную, трооститную, мартенситную и аустенитную структуры металлической основы при определенных размерах, форме и распределении графита.

По  химическому составу различают несколько групп легированных чугунов: хромистые, кремнистые, алюминиевые, марганцевые и никелевые, а по условиям эксплуатации – жаростойкие, жаропрочные износостойкие, коррозиестойкие и немагнитные. При этом один и тот же легирующий элемент придает чугуну одновременно несколько специальных свойств.

Хромистые  чугуны применяют главным образом как жаростойкие, коррозиестойкие  и износостойкие материалы. Износостойкость чугуна определяется его структурой и твердостью, большая часть высокохромистых чугунов успешно работает в условиях ударного абразивного изнашивания и истирания.

Кремнистстые чугуны применяют главным образом как окалино- и коррозиестойкие материалы. Механические свойства кремнистых чугунов относительно низкие как при нормальных так и при повышенных температурах и понижаются с увеличением содержания кремния. С целью повышения механических свойств, кремнистые чугуны иногда легируют медью.

Литейные свойства низкокремнистых чугунов мало отличаются от свойства СЧ и ВЧШГ.

Алюминиевые чугуны применяют как жаростойкие и износостойкие материалы. Увеличение содержания АI до 12% приводит к непрерывному снижению прочности, которая в дальнейшем стабилизируется. Максимальную твердость имеют чугуны, содержащие 10-17% АI и свыше 26% АI. Наиболее технологичным является чугун, содержащий 19-25% АI(ЧЮ22), причем чугун с шаровидным графитом обладает повышенной прочностью и жаропрочностью.

Марганцевые чугуны применяют как немагнитные и износостойкие материалы. В марганцевых антифрикционных чугунах, как и в высоконикелевых, медленное охлаждение и отпуск способствуют выпадению большого количества карбидов и снижению легированности аустенита. В структуре антифрикционных марганцевых чугунов содержится 45-55% аустенита и 10-30% карбидов – в литом состоянии; 80-90% аустенита и 5-8%карбидов – после закалки. Именно поэтому твердость чугуна в незакаленном состоянии бывает выше, чем в закаленном (1800-2900 и 1400-1800МПа соответственно).

Никелевые чугуны –немагнитные, коррозиестойкие, жаропрочные и хладостойкие материалы. Прочность и твердость никелевых чугунов возрастает с увеличением содержания Ni, Cr. Аустенитный  чугун с ШГ обладает высокой жаропрочностью. Дополнительное легирование повышает жаропрочность. Чугун ЧН20ДГ является жаропрочным и хладостойким материалом.

Термообработка чугунов

Термическую обработку чугунов проводят с целью снятия внутренних напряжений, возникающих при литье и  вызывающих с течением времени изменения размеров и формы отливки, снижение твердости и улучшение обрабатываемости резанием, повышение механических свойств.

Различают несколько видов отжига чугунов.

1. Ожиг для снятия внутренних напряжений. Этому виду отжига подвергают чугуны при следующих температурах: серый чугун с пластинчатым графитом – при 55-570С; высокопрочный чугун с шаровидными графитом – при 550-650С; высоколегированный чугун (типа «кирезитс») –при 620-650 С. Скорость нагрева составляет примерно 70-100 град/ч, выдержка при температуре нагрева зависит от массы и конструкции от ливки и составляет от 1 до 8ч.

Охлаждение до 200 С медленное, со скоростью 20-50град/ч, что достигает охлаждением отливки вместе  с печью. Далее отливки охлаждаются на воздухе.

При этом отжиге не происходит фазовых превращений, снимаются внутренние напряжения, повышается вязкость, исключается коробление и образование трещин в процессе эксплуатации.

2. Смягчающий отжиг (отжиг графитизирующий низкотемпературный) проводят для улучшения обрабатываемости резанием и повышения пластичности. Его осуществляют продолжительность выдержкой при 680-700С(ниже точки Ас1) или медленным охлаждением отливок при 760-700С. Время выдержки должно быть достаточным для полного и требуемого частичного распада эвтектоидного цементита (для серых чугунов время выдержки 1-4ч, для ковких – до 60ч). Охлаждение медленное для деталей сложной конфигурации.

В результате этого отжига в структуре чугунов увеличивается количество феррита.

 3. Отжиг графитизирующий, в результате которого из белого чугуна получают ковкий чугун.

4.Нрмализация (серого и ковкого чугуна) при температуре 850-950С.

Время выдержки должно быть достаточным для насыщения аустенита углеродом и в зависимости от конфигурации изделий составляет от 1 до 3ч.

 Охлаждение ускоренное, чтобы аустенит смог превратиться в перлит, и чаще всего осуществляется на воздухе. Для деталей сложной формы охлаждение с температуры 600-550С должно быть замедленное, чтобы уменьшить величину термических напряжений.

В результате нормализации получается: перлит+графит – и повышается прочность и износостойкость.

После нормализации для снятия внутренних напряжений применяется высокий отпуск при 650-680С с выдержкой 1-1,5ч.

Закалка и отпуск чугунов. Для закалки чугун нагревают до 850-959С. Скорость нагрева изделий сложной формы меньше, чем изделий простой формы. Время выдержки обычно составляет от 1 до 3ч. Охлаждение осуществляют в воде или масле. При закалке аустенит превращается в неравновесные структуры: мартенсит или тростит+графит.

После  закалки проводят отпуск при температуре 200-600С. В результате повышаются твердость, прочность и износостойкость чугуна.

При изотермической закалке чугун нагревают так же, как и при обычной закалке, выдерживают от 10 до 90 мин и охлаждают в расплавленной соли при 200-400С. При этом происходит изотермический распад аустенита с образованием структуры: игольчатый троостит+графит.

В результате изотермической закалки повышаются твердость и прочность, но сохраняется пластичность.

Возможность поверхностная закалка кислородно-ацетиленовым пламенем,  токами высокой частоты или электролите. Температура нагрева -900-1000С. Охлаждение – в воде, масле или масленой эмульсии. При  поверхностной закалке в поверхностном слое образуются структуры: мартенсит+графит или троосмартенсит+графит. После отпуска при 200-600С и охлаждения на воздухе повышаются твердость, прочность и износостойкость поверхностного слоя при наличии мягкой сердцевины.

Старение чугунов. Старение применяют для стабилизации размеров отливок, предотвращения коробления и снятия внутренних напряжений.

Естественное старение осуществляют на открытом воздухе или в помещении. Изделия после литья выдерживаются в течении 6-15 месяцев. При естественном старении снижение напряжений в отливках составляет 3-10%.

 При вибрационном старении снижение напряжений достигает 10-15%. Во время вибрации в отливке возникают дополнительные временные напряжения, вызывающие локальные пластические деформации чугуна и таким образом повышающие стойкость к короблению.

 Старение методом статистической перегрузки отличается тем, что для создания дополнительных временных напряжений деталь подвергают воздействию статистических внешних нагрузок. При этом методе снижение напряжений достигает 1030%.

Старение методом термоударов (термоциклическре старение) осуществляют  путем быстрого нагрева и охлаждения всей детали или отдельных ее участков. Стойкость против коробления повышается за счет пластических деформаций, вызываемых временными температурными напряжениями. Общий уровень напряжений снижается на 10-20%. Термоциклическое старение осуществляются по следующему режиму: загрузка в печь и нагрев за 3-3.5ч до350С, выдержка 2-2,5ч, за тем резкое охлаждение (на воздухе), снова поверхностный нагрев (за 1-1,5ч) до 320С, выдержка 4-5ч, охлаждение вместе с печенью до 150-100С.

Искусственное старение осуществляют при повышенных температурах; длительность – несколько часов.

При искусственном старении отливки чугуна загружают в печь, нагретую до 100-200С, нагревают до температуры 555-570С со скоростью 30-60С/ч, выдерживают 3-5ч и охлаждают вместе с печенью со скоростью 20-40С/ч до температуры 150-200С, а затем охлаждают на воздухе. Обычно старение проводят после грубой механической обработки.

Список использованных источников и  литературы

1.Геллер Ю.А. Погодин-Алексеев Г.И., Рахштадт А.Г. Металловедение М., «Металлургия», 1967 404с.

2.Зуев В.М. Термическая обработка металлов. Учеб. для уч-ся нач. проф. образования — М.: Высш.шк., Academia.2002. 308с.

3.Металловедение и термическая обработка. Справочник под ред. Гудцов Н.Г. и др., М., Металлургиздат., 1956. 1204с.

4.Мозберг. Р.К. Материаловедение Под. ред. Н.Э.Струн. Изд.»Валгус», Таллин, 1976. 544с.

5.Полтавец В.В. Доменное производство. М., Металлургия чугуна. 2001. 476с.

material.osngrad.info

что полезно знать о качествах данного материала?

Чугун является сплавом из железа с углеродом. Углерод входит в состав сплава в пределах 2,14—6,67%. Чугун является недорогим машиностроительным материалом, что обладает отличными литейными характеристиками. Свойства чугуна позволяют ему служить сырьевым продуктом для выплавки стали, а также реализации других полезных задач.

Ближе к сути: описание материала, виды и области применения

Чугун вырабатывается посредством добываемой железной руды, посредством флюсов и топлива. Получение чугунов представляет собой достаточно сложный технологический процесс. Хим. процедура получения металлов состоит из нескольких стадий: восстановления железа, преобразования железа в чугун, а также шлакообразования. Свойства чугуна более наглядно и в деталях показывает курс химии.

Структура чугуна распределяет рассматриваемый материал на белый и черный чугун. Стоит отметить, что углерод, который содержит белый чугун, связан в химическое соединение карбид железа Fe3C – цементит. Относительно серых чугунов, — значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии, представляя собой графит.

Говоря относительно серых чугунов, стоит упомянуть, что они поддаются мех. обработке, а вот как белый чугун используется в качестве сырья для производства различных изделий довольно редко. Связано это с тем, что белый чугун обладает высокой твердостью, вследствие чего режущий инструментарий его обрабатывать не имеет фактической способности.

Белый чугун используется по большей части в качестве полупродукта для выработки ковких металлов. Полезно знать, что белый и серый чугун получают, опираясь на состав, а также скорость охлаждения чугунов. Отметим, что свойства чугуна позволяют ему использоваться как конструкционный материал в металлургической, машиностроительной отрасли, других видах промышленности. Связано подобное распространение рассматриваемого материала по причине многочисленных преимуществ, которыми облает чугун.

Положительные свойства чугуна наряду с незначительной стоимостью и отличными литейными характеристиками – это основные выгодные стороны большого списка преимуществ этого материала. Изделия, изготовленные из чугунов, обладают достаточной степенью прочности, износостойкости во время работы на трение, к тому же характеризуются менее значительной чувствительностью к концентраторам напряжений.

к меню ↑

О характеристиках

Свойства чугуна классифицируются по многим параметрам, о которых следует знать. Ниже следует рассмотреть полезные характеристики и параметры, которые имеет белый чугун.

Типы параметров:

• Физические свойства;
• Тепловой свойства;
• Механические свойства;
• Гидродинамические свойства;
• Технологические свойства;
• Химические свойства.

Внимания в первую очередь заслуживают основные свойства, которые имеет белый и серый материал. Поэтому целесообразной считается информация, дающие исчерпывающие ответы на вопросы относительно того, какими качествами обладает данный материал, чем полезен, из чего состоит?

Общие характеристики

Свойства материала определяют благодаря структуре металлической массы, составляющей основу материала, формой, количеством, расположением включений графита. Говоря о равновесном состоянии материала, структуру железоуглеродистых сплавов определяют посредством диаграммы.

Во время изменений состава меняются некоторые параметры:

• Количество скопление углерода в эвтектике;
• Эвтектическая температура;
• Количество скопления углерода в эвтектоиде;
• Эвтектоидная температура.

Положение критических точек определяется нагревом, то есть при охлаждении точки расположены ниже. Точно применяются для нелегированного чугуна преимущественного большинства марок материала упрощенные формулы.

Формулы:

• C = 4.3 — 0.3 (Si + P) — вхождение углерода в эвтектике;
• C = 0.8 — 0.15Si – вхождение углерода в эвтектоиде.

Ниже интересно разобраться с тем, какие основные свойства материала есть, их характерными параметрами и другой полезной информацией. Белый вариант металла обладает достаточной хрупкостью, твердостью, по причине чего недостаточно качественно поддается отливке. Вдобавок ко всему такой вид тяжело обрабатывается различными видами инструментов. Если говорить о машиностроительной отрасли, то для нее оптимальным образом подходит серый тип сырья.

Опираясь на химическую составляющую рассматриваемого промышленного сырья, металл может подразделяться на легированный, ферросплавный, специальный, ковкий, а также высокопрочный. Ковкий материал производится путем термообработки из белого сырья. Получил свое имя благодаря повышенной степени пластичности, вязкости. Стоит также отметить, что ковкий металл имеет высокую прочность при растяжении, к тому же готов похвастать высокой степенью сопротивления.

Высокопрочный материал производится за счет введения специализированных добавок в серый вариант металла. Применяется для производства ответственных изделий, тем самым отлично справляясь с ролью альтернативы стали. Маркировка рассматриваемого сырья производится буквами и числами.

к меню ↑

Физические и механические параметры

Удельный вес материала может меняться достаточно существенно в зависимости от числа связанного углерода, присутствия пористости. Полезно знать, что удельная масса жидких металлов при температуре плавления приравнивается 70,0±0,1 грамма на сантиметр квадратный. Данный показатель снижается по мере увеличения состава примесей. Обратимый коэффициент линейного расширения и структура чугунов – зависимые друг от друга понятия.

к меню ↑

Тепловые параметры

Тепловая емкость данного материала заданной структуры может быть определена, опираясь на правило смещения. Теплоемкость материала при достижении температурного предела, превышающего фазовые превращения, до температуры плавления, может приниматься как 0,18 кал/Го С (превышающих температурную отметку плавления металла -0,23+/—0,03 кал/Го С.

Объемная теплоемкость, что равняется произведению удельной теплоемкости на удельную массу, может приниматься для укрупненных расчетов. Теплопроводность не определяется по правилу смешения. Теплопроводность структурных составляющих материала, по мере возрастания уровня дисперсности, уменьшается. Стоит обратить внимание, что типичная величина теплопроводности чугунов зависит от влияния некоторых параметров.

к меню ↑

Механические параметры

Предел прочности материала во время растяжения может эффективно оцениваться по структуре материала соответственно определенным данным. Так, прочность структурных составляющих увеличивается постепенно, по мере возрастания уровня дисперсности. Величина, форма, количество, а также распределение графитных включений оказывают существенное влияние на предел прочности, при этом влияние это имеет большие пределы, нежели структура основной металлической массы.

Самое заметное уменьшение предела прочности наблюдается во время расположения графитных включений в качестве цепочки, что прерывает сплошность металлической массы. Наиболее значимая прочность получается в случае со сфероидальной формой графита. Данный показатель достигается за счет отсутствия тепловой обработки.

к меню ↑

Технологическая составляющая

Жидкотекучие свойства тесно сопряжены со свойствами материал, а также формой. Таким образом, рассматриваемый параметр определяется различными способами, однако, наиболее часто жидкотекучесть определяется длиной L заполненной пробы, и увеличивается по мере уменьшения вязкости, увеличении степени перегревания, уменьшении интервала затвердевания. Зависит жидкотекучесть от скрытой теплоты плавления, теплоемкости.

к меню ↑

Химические параметры

Свойства сопротивления материала под названием чугун зависимы от внешней среды и структуры чугунов. По убывающему электродному потенциалу составляющие структуры материала могут располагаться в последовательности следующего образца: графит – цементит, фосфидная эвтектика – феррит. Стоит отметить, что разность потенциалов, наблюдаемая между ферритом, а также графитом, колеблется около 0,56 в. Сопротивление коррозии снижается по уровню увеличения дисперсности структурных составляющих.

Свойства рассматриваемого материала позволяют ему использоваться во многих отраслях современной промышленности, по причине чего объясняется его популярность и широкое распространение.

Похожие статьи

goodsvarka.ru

Легированный чугун: марки, свойства и применение

Легированный чугун — это материал, который производится методом плавки в доменных печах. В нем может находиться разное количество углерода. В зависимости от количественного содержания этого вещества, выделяют два вида чугуна. Первый называют передельным, или белым, а второй — серым, или литейным.

Описание видов чугуна

Первый тип — это передельный чугун. Так называется материал, в котором углерод представлен в виде такого вещества, как цементит. В изломе он имеет белый цвет, откуда и пошло его название. Характеризуется такой чугун высокой твердостью и хрупкостью. Он очень плохо поддается механической обработке. При этом около 80 % всего выплавляемого чугуна является белым. Основное предназначение этого типа материала — это дальнейшая переплавка в сталь.

Серый легированный чугун — это металл, в котором углерод представлен в виде пластичного графита. В изломе его цвет — серый, что также определило его название. Хрупкость и твердость такого чугуна меньше, чем у белого, но при этом он намного лучше поддается механической обработке.

Свойства легированного чугуна этого типа состоят в следующем:

• Во-первых, он отлично сопротивляется нагрузкам сжимающего типа.
• Во-вторых, этот металл нечувствителен к дефектам поверхностного типа, а также отличается тем, что неплохо противостоит усталостному разрушению.

Однако литейный легированный чугун обладает достаточно слабой ударной вязкостью, а также низкой пластичностью. Из-за этих двух недостатков применять такой материал в конструкционных целях достаточно сложно.

Общее описание марок серого чугуна

На сегодняшний день существуют такие марки легированного чугуна серого типа: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18, СЧ 20 и еще несколько других. Буквы СЧ в маркировке обозначают, что это именно серый чугун, а следующие две цифры указывают на предельную нагрузку, которую может выдержать металл при растяжении. Предел прочности в таком случае измеряется в МПа.

Разновидности серого чугуна

Литейный легированный чугун имеет несколько подтипов. Одним из них стал ковкий чугун. Такое условное название получил материал, который отличается тем, что он более мягкий и вязкий, чем серый. Получают его из белого чугуна. Для этого используют процедуру отжига, которая длится достаточно долго. Маркировка здесь примерно такая же, к примеру КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 37-12. Буквы указывают на то, что этот чугун ковкий, а следующие две цифры определяют предел прочности на растяжение. А вот что касается последней одной или двух цифр, то они характеризуют максимальное относительное удлинение, которое измеряется в процентах.

Еще один подтип литейного легированного чугуна — модифицированный. Для того чтобы его получить, необходимо добавить к серому специальные элементы. Добавляются такие модификаторы до разливки вещества. В качестве добавок могут использовать алюминий, кремний, кальций и другие. Эти присадки значительно увеличивают количество центров кристаллизации. Другими словами, они способствуют значительному измельчению графита.

Благодаря таким добавкам специальный легированный чугун отличается более высокими прочностными характеристиками, меньшей хрупкостью, повышенной стойкостью к образованию трещин. Стоит добавить, что все лучшие сорта этого сплава получают именно из такого модифицированного материала.

Виды легированного сплава

Что означает легированный чугун? Легирование — это операция по введению в состав материала различных примесей, которые способны улучшить его характеристики. Для чугуна такими добавками стали титан, хром, ванадий и другие. Введение в состав легирующих элементов может увеличить такие характеристики, как прочность, твердость, износостойкость, стойкость к коррозии и множество других.

На сегодняшний день, в зависимости от количества легирующих элементов чугуна, можно выделить три его типа:

1. Если присадки содержатся в количестве до 2,5 % от всей массы, то это низколегированный чугун.
2. Среднелегированными называют те материалы, содержание веществ в которых находится в пределах от 2,5 до 10 %.
3. Последний тип — высоколегированные, если содержание модификаторов суммарно превышает 10 %.

Вещества для легирования, маркировка

По ГОСТу легированный чугун должен содержать определенное количество веществ для использования в определенной сфере. Кроме того, маркировка также является стандартной. К примеру, ЧН15Д7Х — это высокопрочный сплав, в котором содержится 15 % никеля, 7 % меди и примерно 1 % хрома. Как можно заметить, в маркировке легирующие элементы отмечаются одной буквой, после которой идет цифра, указывающая на количественное содержание добавки. Однако может быть и так, что цифра отсутствует, как после хрома. Это означает, что содержание вещества в составе — около 1 %.

Что касается изготовления такого чугуна, то обходится оно достаточно недорого. При этом конечный продукт обладает достаточно высокими эксплуатационными свойствами. Благодаря этим двум факторам область применения описываемого материала постоянно увеличивается.

Виды легированного сплава

Естественно, что добавление в состав какого-либо вещества будет увеличивать какую-либо определенную характеристику. Поэтому различают несколько классов легированных материалов.

Так, чугун может быть износостойким. Материал, относящийся к этой группе, отличается тем, что у него повышенная сопротивляемость к истиранию, которое возникает во время трения поверхности. К этой категории можно отнести антифрикционный и фрикционный чугун. Первый из названных отличается очень низким коэффициентом трения. Благодаря этому основное применение легированного чугуна названного вида — это производство таких деталей, как подшипники скольжения, вкладыши для них и прочие детали со схожими требованиями.

Фрикционный же материал, наоборот, характеризуется достаточно высоким коэффициентом трения, а потому чаще всего он применяется в производстве тормозных устройств для самых разных механизмов, оборудования и т. д.

Нержавеющий чугун

Многие знают о том, что существует металл, который называют нержавеющим. На самом деле, это не совсем точное определение. Просто такие сплавы отличаются тем, что стойкость к коррозии у них достаточно высокая. Наибольшее распространение названный чугун получил в кораблестроении. Если ввести в состав железа более 12 % хрома в качестве легирующего элемента и максимально снизить содержание углерода, то в результате получится именно такой сплав.

Наиболее распространенными его марками стали ЧНХТ, ЧН1ХМД, ЧН15Д7Х2. Они отличаются тем, что сохраняют высокую стойкость к коррозии даже в условиях агрессивной окружающей среды, имеют хорошую сопротивляемость к кавитации и износу в пароводяной среде.

Небольшой, но все же довольно востребованной группой является жаропрочный чугун. Основное преимущество материала заключается в том, что он достаточно плохо поддается окислению, а также отлично сохраняет свои качества в условиях повышенных температур.

Введение меди

В настоящее время все чаще и чаще начинают применять чугун с добавлением меди. Внедрение этой добавки в сплав значительно улучшает его литейные качества. Лучше всего это сказывается на жидкотекучести материала. Кроме этого, значительно уменьшается склонность к появлению трещин и усадочной пористости.

Внедрение 0,5 % Cu (меди) делает чугун достаточно пригодным, чтобы отливать из него такие детали, у которых толщина стенок будет составлять от 10 до 25 мм. Если необходимо увеличить толщину стенок у будущих элементов, то придется повышать и количественное содержание меди, а также ее комплексов. Тут стоит отметить, что эффект от добавления меди можно усилить, если в сплав ввести такие элементы, как сурьма или висмут.

Если же углеродный эквивалент будет увеличиваться, то влияние меди на кристаллизацию графита уменьшается. Легирование чугуна медью может также предотвратить отбеливание в поверхностных слоях, а также значительно повышает твердость к середине. Это довольно заметно при выплавке гильз цилиндров, головок блоков из чугуна и других элементов.

Комплексно-легированный чугун

Для того чтобы успешно выплавлять чугун, который можно использовать для отливки гильз цилиндров, необходимо использовать не только разнообразные ферросплавы, но и индукционную печь. Чтобы осуществлять отливку таких деталей, используется марка ИЧХН4, ЧН1ХМД и ЧНМШ и несколько других типов. Отличительная их особенность заключается в том, что выплавка всех деталей осуществляется в тонкостенный или массивный кокиль.

Игольчатая структура и высокопрочный материал

Небольшая разновидность серого чугуна, который принадлежит к группе износостойких, — это материал с игольчатой структурой. Степень легирования у такого материала достаточно низкая. Содержание в нем кремния и углерода также достаточно низкое. В данном случае количественное содержание таких веществ, как медь, молибден, никель и некоторых других модификаторов, увеличивается в зависимости от требуемой в результате толщины стенок, а также в зависимости от способа литья, который будет использоваться.

Еще одна разновидность — это высокопрочный материал. Это небольшая разновидность серого чугуна, который отличается содержанием шаровидного графита. Для того чтобы получить такую структуру, в сплав необходимо ввести магний, церий и висмут. Добавление именно этих трех легирующих элементов превращает пластичный графит литейного материала в шаровидный. Отличается такой вид тем, что его механические качества значительно выше, чем у других типов чугуна. На сегодняшний день выпускается примерно 10 разнообразных марок сплава названной категории. Такой материал можно отлично использовать в судостроении вместо ковкого типа. А наиболее распространенным видом высокопрочного чугуна является магниевый (с большим количеством магния в составе).

fb.ru

1.9 Структура, свойства и применение чугунов

Чугуны– это сплавы на основе железа, содержащие от 2 до 5 % углерода, а также марганец, кремний и вредные примеси. Это литейный и передельный материал.

Допустимые количества полезных и вредных примесей в чугунах примерно в 5-10 раз больше, чем в сталях.

В зависимости от того, в какой форме содержится углерод, различают следующие виды чугунов: белые, в которых весь углерод связан в карбид железа Fe₃C(рис. 12,а), серые с пластинчатым графитом (рис. 12,б), ковкие – с хлопьевидным графитом (рис. 12,в) и высокопрочные – с шаровидным графитом (рис. 12,г).

Рис.12 . Виды чугунов:

а– белый заэвтектический;б– серый;в– ковкий;г– высокопрочный

(б,в,г– структура металлической основы не показана)

Белые чугунысодержат углерод только в связанном виде – в виде цементита. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. В структуру любого белого чугуна входит эвтектика – ледебурит. В момент образования он состоит из аустенита и цементита, а при температуре ниже 727⁰C– из перлита и цементита.

Излом белого чугуна светлый, блестящий – «белый», отсюда и название. Твердость составляет 450-500HB, материал очень хрупкий и твердый. Резанием (лезвийным инструментом) не обрабатывается, для изготовления деталей не используется.

Применяют отбеленныечугунные детали, у которых сердцевина имеет структуру серого чугуна, а с поверхности есть слой белого чугуна толщиной 5-7 мм. Так можно изготавливать прокатные валки, тормозные колодки, шары мельниц для размола горных пород, лемехи плугов, зубья ковшей экскаваторов, доски в драгах, – то есть, изделия, от которых требуется высокая твердость и износостойкость поверхности.

Для получения структуры белого чугуна в отливке необходимо быстрое охлаждение, а также минимальное содержание кремния и присутствие марганца и хрома («отбеливающих» компонентов).

Главное назначение белого чугуна – передел в ковкий чугун.

Серые чугуны. В сером чугуне весь углерод или его часть находятся в свободном виде – в виде графита. Диаграмма состояния железо – цементит является метастабильной (неравновесной). При очень медленном охлаждении расплавленного чугуна реализуется стабильная, равновесная диаграмма железо – графит. Ее точки и линии смещены чуть влево и вверх.

а б

Рис.13 . Равновесная диаграмма состояния железо-графит (а)

и схема, иллюстрирующая вероятность образования графита и цементита (б)

Графит в сером чугуне – это кристаллы сложной формы – «розетки», растущие из одного центра в виде сильно искривленных лепестков (рис. 70, а). В плоскости шлифа графит виден как отдельные пластинки, прямолинейные или изогнутые, так как плоскость шлифа пересекает графитные лепестки. Такой графит называютпластинчатым.

Металлическая основа серого чугуна может быть ферритной, перлитной или смешанной – феррито-перлитной (рис. 14,б). Излом серого чугуна темно-серого цвета, а в ферритном чугуне, в котором весь углерод содержится в виде графита, – бархатно-черного.

Механические свойства серых чугунов зависят от структуры основы и от количества, формы и размеров графитовых включений. Перлитные серые чугуны тверже и прочнее, ферритные – наименее прочные, феррито-перлитные – имеют промежуточные характеристики. Графит играет роль надрезов, трещин в металлической основе. Прочность графита при растяжении несопоставима с прочностью металла, поэтому пластичность чугунов очень мала (δ ≤ 0,5%), а предел прочности при растяжении значительно ниже, чем у стали. Но на сжатие графит работает хорошо.

Серый чугун – самый дешевый литейный сплав. Имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку, что позволяет получать тонкостенные фасонные отливки. Хорошо обрабатывается резанием: дает мелкую сыпучую стружку, графит является твердой смазкой и уменьшает тем самым износ инструмента. Благодаря графиту, в сером чугуне быстро затухают механические колебания, в том числе звуковые, что позволяет уменьшить шум при работе оборудования. Чугун нечувствителен к надрезам на поверхности деталей (в отличие от стали).

Детали из чугуна изготавливают литьем с последующей обработкой резанием. Для получения структуры серого чугуна в отливке сплав должен содержать много кремния и углерода, но мало марганца, чтобы не образовался цементит.

ГОСТ 1412-85 включает 6 основных марок серого чугуна. Чугун – единственный сплав, в марке которого зашифрован не химический состав, а механические свойства. Например, марка СЧ12 означает: серый чугун с пределом прочности при растяжении 120 МПа (12 кг/мм²).

Серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих с небольшими нагрузками, в основном, на сжатие. Это могут быть колонны, опоры, корпуса, станины, крышки, суппорты, зубчатые колеса, канализационные трубы, ванны, батареи.

Высокопрочные чугуны. В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму. Они содержат 2,7-3,5 % углерода. Их модифицируют в ковше магнием (0,02-0,08 %). Модификатор не позволяет растущему кристаллу графита принять естественную форму розетки. Атомы магния образуют тонкий слой на поверхности зародыша графита, увеличивая его поверхностную энергию. Стремление системы к минимальной свободной энергии приводит к тому, что графит кристаллизуется в виде шариков (у шара поверхность при заданном объеме минимальна). Металлическая основа может быть такой же, как у серых чугунов (рис. 15).

Такой вид чугунов был создан с целью повышения механических свойства чугуна, сохранив его преимущества перед сталью. Предел прочности при растяжении _Ви относительное удлинение δ у высокопрочных чугунов выше, чем у серых, так как шаровидные включения графита – более мягкие концентраторы напряжения, чем пластинчатые (см. рис. ).

Маркировка высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85 аналогична маркировке серых. Например, ВЧ90 означает: высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 900 МПа (90 кг/мм²).

Такие чугуны выдерживают значительные растягивающие нагрузки, поэтому применяются для более ответственных деталей: кузнечно-прессового оборудования, станин прокатных станов, коленчатых валов автомобилей, поршней, вентилей, крыльчаток, распределительных валиков. Отливки из высокопрочного чугуна широко используются в автомобиле- и тракторостроении вместо более дорогих стальных поковок. Их можно подвергать упрочняющей термообработке. Есть смысл выплавлять легированные высокопрочные чугуны для особых условий эксплуатации – с повышенной вязкостью при отрицательных температурах, жаропрочные, коррозионно-стойкие.

Ковкие чугуны. В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит получается при отжиге белого доэвтектического чугуна с содержанием углерода 2,5-3 %. Его еще называют углеродом отжига.

При нагреве до температур, близких к солидусу, цементит в белом чугуне распадается на исходные компоненты: железо и углерод.

Fe₃C→Fe+C.

Режим отжига может быть различным. Во время выдержки при температуре 1000 ºCраспадается цементит эвтектики и получается перлитный ковкий чугун (рис. 16, режима). Если сделать отжиг в две стадии, с выдержкой вначале немного ниже 1147 ºC, а затем чуть ниже температуры перлитного превращения, то на первой стадии распадется цементит эвтектики, а на второй – цементит, входящий в перлит (рис.16, режимб). При таком режиме получается ферритный ковкий чугун, самый мягкий и пластичный (рис. 17,а). Отжиг на ковкий чугун – длительная процедура, он занимает до 70-80 часов. Поэтому ковкий чугун самый дорогой.

Рис. 17. Ферритный (а)и перлитный(б)ковкий чугун

Маркировка ковких чугунов по ГОСТ 1215-92 включает характеристику не только прочности, но и пластичности. Например, КЧ45-7 означает ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 450МПа (45 кг/мм²) и относительным удлинением 7%. Но несмотря на повышенную пластичность материала, название «ковкий» – условное, ковать его нельзя.

Ковкие чугуны применяют для мелких деталей, работающих с вибрациями, ударами: крюков, скоб, картеров, ступиц и т.д.

studfiles.net

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЧУГУНОВ

пластинчатая (пластичность при этом самая низкая), а наиболее благоприятная

– шаровидная форма включений, обеспечивающая максимальную пластичность (рис. 3). Это связано с тем, что графитовые включения играют роль трещин, пустот в чугуне и являются концентраторами напряжений. Чем более компактную форму имеют эти включения, тем более «мягкий» получается концентратор напряжений и тем меньше снижение механических свойств металла за счет графита.

Серый чугун получают при медленном охлаждении металла при литье изделий, а также при повышенном содержании кремния, углерода. Обозначается он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении σв в кг/мм2 (ГОСТ1412-85).Например, СЧ12

(σв = 12 кг/мм2). Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях.Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем специального отжига. Это длительная термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур950-1000°С и после определенной выдержки медленно охлаждается. При таком отжиге происходит графитизация цементита белого чугуна с образованием хлопьевидных включений графита. Обозначается ковкий чугун буквами КЧ, после которых следуют цифры, показывающие предел прочности при растяжении σв в кг/мм2 – первая цифра, и относительное удлинение δ в % – вторая цифра (ГОСТ 1215 в редакции 1992 г.). Например,

КЧ30-6(σв = 30 кг/мм2, δ = 6 %). Применяется этот чугун для изготовления деталей, работающих в более тяжелых условиях по сравнению с деталями из серого чугуна — при повышенных нагрузках, при знакопеременных и небольших ударных нагрузках.Например, картеры редукторов, коробок передач автомобилей, кронштейны рессор, различные крюки, фланцы и т.п.

Высокопрочный чугун получают путем модифицирования его при выплавке магнием или церием в количестве 0,05 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении σв (ГОСТ7293-85).Например, ВЧ 40 (δв = 40 кг/мм2). Применяется высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих в довольно сложных условиях при повышенном нагружении.Например, коленчатые и распределительные валы легковых автомобилей, прокатные валки, корпуса турбин, детали кузнечно-прессового оборудования и др.

Представляет интерес использование чугунов для деталей, работающих в специфических условиях (агрессивные среды, высокие температуры и др.). Для этого в чугуны вводят легирующие элементы, способствующие повышению необходимых свойств. Такие чугуны называют легированными или чугунами специального назначения. Они дешевле легированных сталей и вследствие лучших литейных свойств оказываются предпочтительнее для получения отливок.

studfiles.net

Ковкий чугун — характеристики, свойства и применение

Чугуны являются первоначальными продуктами черной металлургии. Они представляют железоуглеродистые сплавы, в которых содержание углерода более 2.14%. В состав входят также примеси из других элементов, влияющих на свойства сплавов. Изделия имеют несколько разновидностей, среди которых интересен ковкий чугун. Рассмотрим, как его получают, а также характеристики, маркировку и назначение.

Виды чугунов

Углерод присутствует в таком сплаве в виде:

• цементита;
• графита;
• графита + цементита.

Отливки, содержащие углерод в виде цементита, имеют характерный светлый отблеск и называются белыми.

Темный графит в сочетании с металлическим сплавом придает отливкам серую окраску. Конфигурация графитовых включений влияет на свойства поковок. Исходя из этих свойств, чугун подразделяют на:

• серый;
• ковкий;
• высокопрочный;
• особого назначения.

На фото изображены разные виды включений из графита. Они могут быть пластинчатыми, шаровидными или иметь форму хлопьев.

 

Ковкий чугун характеризуется графитными включениями в виде хлопьев.

Особенности производства ковкого чугуна

Углерод в этом виде чугуна присутствует в пределах от 2,4 до 2,8%. Также в него входят Si, Mn, S, P, количество которых зависит от необходимых свойств материала.

Ковкий чугун производится из отливок белой разновидности изделий. В них углерод полностью связан железом и представлен карбидом железа (цементитом Fe₃C). При отжиге заготовок при температуре 950-970^оС, добиваются освобождения графита из карбида железа и аустенита (А). В результате он кристаллизуется, образуя вид хлопьев. Окончательное формирование графитовых хлопьев в чугуне происходит в температурном интервале 760–720^оC, что продемонстрировано на диаграмме Fe–Fe₃C.

На ней: А – это аустенит, представляющий твердые внедрения атомов углерода в структуру ячейки железа; Г– это графит; Ц – это цементит; П – перлит, представляющий соединение феррита и цементита в эвтектоидной области при распаде аустенита.

Процесс термического отжига проводится в два этапа:

1. Сначала заготовки нагревают до 950–1000^оС и выдерживают в нагретом виде до окончания распада ледебурита (цементит + аустенит) на графит и аустенит.
2. Затем постепенно охлаждают заготовки до области температур 760–720^оС, где аустенит дает дополнительный цементит (вторичный), входящий в состав перлита. При дальнейшем охлаждении происходит распад перлита на феррит и графит.

Разновидности ковкого чугуна

Структурный состав чугунных отливок зависит от условий технологии отжига. Он бывает:

• ферритным;
• перлитным;
• ферритно-перлитным.

Ферритный вид изделий содержит феррит и хлопьевидный графит. Перлитный вид состоит из перлита и хлопьевидного графита. Ферритно-перлитный в своем составе имеет феррит, перлит и хлопья из графита.

Структура каждого вида изображена на схемах:

Чугун на основе перлита можно получить, если охлаждать отливку в зоне распада быстрее. Тогда, вместе с ферритом, в структуре будет находиться перлит. Он сохранится при дальнейшем, достаточно медленном, проведении охлаждения сплава ниже 727^оС.

Важно! Структура ковкого чугуна зависит от температурного режима обработки и входящих в состав легирующих элементов.

На практике, в основном, используют первые два вида литых заготовок (фото и схема приведены ниже).

Ферритный вид отливок (фото и схема)

Перлитный вид отливок (фото и схема)

Свойства ковких чугунов

Технические характеристики и свойства ковкого чугуна определяются содержанием углерода в виде графита, а также кремния. Для перлитного вида — еще хрома и марганца.

Структурное различие также отражается на свойствах изделий. Например, ферритный вид отливок имеет твердость меньше, чем перлитный, но зато он отличается большей пластичностью.

Хлопьевидные графитные включения придают изделиям высокую прочность при достаточно хорошей пластичности. Они способны поддаваться пластической деформации при температуре внутри помещений. Отсюда пошло их название «ковкие». Оно условно и не означает, что изделия из такого чугуна можно получать путем ковки. Для их изготовления применяют способ отливки деталей.

Одним из существенных преимуществ ковких заготовок является постоянство их свойств по всему поперечному сечению, а также отсутствие внутренних напряжений.

Физические и механические характеристики таких отливок находятся между подобными свойствами серых чугунов и стали. Они обладают:

• хорошей текучестью в жидком виде;
• свойством поглощения вибраций при периодически повторяющихся нагрузках;
• хорошей износостойкостью;
• стойкостью к коррозии, поэтому на них не действует влага, химические реактивы, в том числе топочный газ.
• высокой плотностью, например, заготовка, имеющая толщину 7-8 мм, способна выдержать давление при гидравлических испытаниях в пределах 40 атмосфер.

Это дает возможность использовать отливки для производства различных изделий в газовой и водопроводной сфере.

При низких температурах под действием динамических нагрузок материал может стать хрупким.

Маркировка чугуна

Изделия из ковкого чугуна имеют маркировку КЧ и последующие цифры. Первая пара цифр — это средний показатель временного сопротивление разрыву (предела прочности), уменьшенный на порядок, а вторая — процентный показатель относительного удлинения. Например, изделие марки КЧ 30-6 имеет временное сопротивление на разрыв σ_в =294 Н/мм², а относительное удлинение — δ=6%.

Согласно ГОСТ 1215–79 определено 11 видов ковкого чугуна.

В таблице отражены механические характеристики разных марок изделия.

Области применения

Ковкий чугун предназначен для использования:

• в машиностроительной отрасли для изготовления конструкций станков;
• для изготовления корпусов и комплектующих автомобилей;
• при производстве железнодорожных вагонов;
• в изготовлении оборудования для сельского хозяйства.

Несмотря на то, что перлитный чугун по своим характеристикам лучше, применяются в основном ферритные отливки, т. к. их производство обходится дешевле.

Перлитный вид отливок применяют в производстве деталей, испытывающих повышенные нагрузки. Например, из них производят автомобильные рессоры, комплектующие дизельных и других двигателей и т.д.

При наличии большого количества технологических преимуществ, ковкий чугун в основном применяют для изготовления литья с относительно тонкой стенкой в интервале от 3 мм до 40 мм.

Заключение

Эта статья дает общие понятия о производстве, свойствах, маркировке и применении ковкого чугуна. Расширить свои знания можно, посмотрев также видеоролик:

Если у вас есть по этой теме дополнительная информация, то вы также можете поделиться ей в комментариях к данной статье.

wikimetall.ru