Лекции по "Материаловеденю"

1) ферритные, со структурой  феррита и графита; количество  связанного углерода менее 0,025 %;

2) ферритно-перлитные,  со структурой феррита, перлита и графита; количество связанного углерода от 0,025 до 0,8 %;

3) перлитные, со структурой  перлита и графита; количество  связанного углерода от 0,025 до 0,8 %;

Следовательно, структура  этих чугунов отличается от структуры  стали только наличием свободного грaфитa.

Получение углерода в свободном  или связанном состоянии зависит  от процессов графитизации, т.е. условий образования графита. На процесс графитизации чугуна существенное влияние оказывают скорость охлаждения, количество присутствующих в нем примесей, легирующих элементов и центров кристаллизации (модификаторов). Увеличение скорости охлаждения способствует выделению углерода в связанном состоянии в виде цементита.

Все элементы, вводимые в чугун, делятся  на элементы, препятствующие графитизации (Мn, Cr, W, Mo, S, Р и др ), которые способствуют получению углерода в связанном состоянии в виде легированного цементита и других, карбидов и препятствуют распаду его при повышенных температурах, и на графитообразующие элементы (Si, С, Al, Ni, Cu и др.), которые способствуют получению углерода в свободном состоянии в виде графита. Примеси Мn, Si, S, Р, присутствующие в чугуне, главным образом и влияют на условия графитизации, а следовательно, на структуру и свойства чугуна.

Рис. 5.13 - Микроструктура серого чугуна. (х100):  графит и металлическая основа со структурой феррита  (а), перлита (б), перлита и феррита

Для того чтобы избежать отбела чугуна, детали тонкого сечения  отливают из чугуна с повышенным содержанием графитообразующих элементов (Si, С, Ni). Для отливок деталей крупного сечения можно применять чугун с меньшим содержанием этих элементов. Размер и форма выделившихся графитных включений зависят также от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации. Центрами кристаллизации могуг быть мельчайшие частички окислов. Воздействие на процесс графитизации с помощью образования дополнительных центров кристаллизации называется модифицированием. Модификаторы вводят в жидкий чугун перед его разливкой. Подбирая соответствующие модификаторы и их количество, можно не только измельчить графитные включения, но также изменить, форму образующегося графита - вместо пластинчатой формы получить шаровидную, то есть высокопрочный чугун.

Поскольку структура серых, высокопрочных и ковких чугунов состоит из металлической основы и графитных включений, то и свойства чугунов будут зависеть от свойств металлической основы и от количества, формы и характера распределения графитных включений. Свойства металлической основы, так же, как и у стали, будут зависеть от ее структуры. С увеличением количества перлита твердость и прочность на разрыв будут увеличиваться, а пластичность – уменьшаться. Графит обладает низкими механическими свойствами, а поэтому включения графита в чугуне можно рассматривать в первом приближении как пустоты различной формы, нарушающие цельность металлической основы (рис. 5.14).

а)                                      б)                                     в)

Рис. 5.14 - Микроструктуры графита: а) пластинчатый графит (серые  чугуны); б) шаровидный графит (высокопрочные  чугуны); в) хлопьевидный графит (ковкие чугуны)

Такие свойства чугуна, как твердость и предел прочности при сжатии, главным образом, зависят от строения металлической основы. Такие же свойства чугуна, как предел прочности на разрыв, изгиб, кручение, а также пластичность, во многом зависят от количества, размеров и формы графитных включений, и чем грубее его включения, тем хуже механические свойства чугуна. Особенно низкими свойствами обладает чугун, у которого графитные включения образуют замкнутый скелет.

Металлическая основа	Серый чугун А	Ковкий чугун Б	Высокопрочный чугун В
Феррит
Феррит + перлит
Перлит

Рис. 5.15 - Микроструктуры серых (А), ковких (Б), высокопрочных (В) чугунов (схемы).

По мере округления графитных  включении перечисленные выше свойства чугуна улучшаются, приближаясь к свойствам стали. Вот почему чугун с шаровидным графитом получил название высокопрочного. Кроме того, для улучшения свойств высокопрочного чугуна может быть применена та же термическая обработка, что и для стали. Термическая обработка для чугуна с пластинчатыми включениями графита почти не применяется.

Пластинчатые включения  графита в серых чугунок можно  рассматривать как трещины, надрезы, создающие большие концентрации напряжений в механической основе. Поэтому свойства этих чугунов сильно отличаются от свойств стали.

Чугун называют половинчатым, если количество связанного углерода будет составлять больше 1 %. Его структура  состоит из ледебурита, перлита и  графита.

Серые чугуны согласно требованиям  ГОСТ 1412 - 85 маркируются буквами СЧ. Цифры после букв указывают значение минимального временного сопротивления при растяжении (в МП ^. 10^-1). Марки серых чугунов СЧ10, СЧ15, CЧ18, СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Из них модифицированные СЧ18, СЧ21, СЧ24.

Пример - Расшифровка марки чугуна СЧ10: 10 - временное сопротивление при растяжении, то есть s_в = 100(10) МПа (кгс/мм²); для остальных аналогично.

Модифицированные чугуны получаются в том случае, если в  расплав серого чугуна с пониженным содержанием углерода перед разливкой  ввести модификаторы в количестве 0,3 - 04 % от массы жидкого чугуна. Модификаторами являются ферросилиций, силикокальций и др. Структура модифицированных чугунов будет состоять из мелких, равномерно расположенных в металлической основе включений графита. Маркируются модифицированные чугуны так же, как и серые (по ГОСТ 1412-85).

Серый чугун находит  применение в станкостроении (базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, станины, направляющие); в автостроении для изготовления блоков цилиндров, гильз, поршневых колец, распределительных валов, толкателей, седл клапанов, головок цилиндров, дисков сцепления. Серый чугун также широко применяется в электромашиностроении и для изготовления товаров массового потребления. Износостойкость изделий из серых чугунов можно повысить термической обработкой.

Высокопрочный чугун  получается из перлитного серого чугуна путем двойного модифицирования  добавкой в жидкий чугун незадолго  перед разливкой магния в количестве 0,03 – 0,07 % от массы чугуна и ферросилиция.

Магний способствует получению графита в форме шаров (глобулей), кроме того, он повышает прочность металлической основы. Маркируются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и последующими цифрами (ГОСТ 7293-85). Цифры марки показывают минимальное значение временного сопротивления при растяжении (в МПа ^. 10^-1).

Пример - Чугун марки ВЧ60 имеет временное сопротивление при растяжении s_в = 600 (60) МПа (кгс/мм²); Марки высокопрочных чугунов: ВЧ35, ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, BЧ80, ВЧ100.

Высокопрочный чугун  находит применение как новый  конструкционный материал и как заменитель углеродистой стали, ковкого и серого чугуна. Из высокопрочного чугуна изготовляют как мелкие тонкостенные отливки (поршневые кольца), так и отливки массой до 15 т (шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов). Из высокопрочного чугуна изготовляют отливки коленчатых валов массой от нескольких килограммов до 2...3 т взамен кованых валов из стали. Чугунные валы по сравнению со стальными имеют более высокую циклическую вязкость, малочувствительны к внешним концентраторам напряжений, имеют лучшие антифрикционные свойства и значительно дешевле стальных валов. Хорошие литейные свойства при достаточно высокой прочности и пластичности позволяют во многих случаях заменять стальное литье и прокат. При этом достигается снижение массы деталей на 8...10% и обеспечивается значительная экономия.

Применение высокопрочного чугуна взамен серого дает экономический  эффект в тех случаях, когда за счет более высокой прочности  снижается масса отливок или  обеспечивается возможность упрощения монтажных работ (например, монтаж трубопроводов сваркой). Из высокопрочного чугуна изготовляют трубы, валки прокатных станов, детали турбин, изложницы, суппорты, резцедержатели, планшайбы и другие детали станков.

Ковкие чугуны получаются путем специальною графитизирующего отжига (томления) белых доэвтектических чугунов, содержащих от 2,2 до 3,2 % углерода.

Для получения ковкого  чугуна необходимо отливки из малоуглеродистого  белого чугуна, содержащего не более 2,8 % углерода, медленно нагревать в течение 20 - 25 ч в нейтральной среде до температуры 950 –1000 ⁰С и при этой температуре длительно (10-15 ч) выдерживать (первая стадия графитнзаиии). Затем медленно охлаждать до температуры немного ниже эвтектоидного превращения (700 - 740 ⁰С - в зависимости от состава чугуна) и длительное время (около 30 ч) выдерживать при данной температуре (вторая стадия графитизации). Далее вести охлаждение на воздухе. При первой стадии графитизации цементит ледебурита и вторичный цементит распадаются с образованием аустенита и хлопьевидного.

При охлаждении от первой до второй стадии графитизации скорость охлаждения должна обеспечивать выделение  вторичного цементита из аустенита  и его распад на аустенит и графит.

При второй стадии графитизации цементит перлита распадается на феррит и графит. Структура после окончательной обработки будет состоять из феррита и хлопьевидного графита. Продолжительность всей термической обработки составляет 70 - 80 ч.

Ковкие чугуны маркируются  буквами КЧ с цифрами (ГОСТ 1215-79). Первые две цифры указывают временное сопротивление разрыву (в МП (кгс-мм²)), вторые цифры - относительное удлинение в процентах. Ферритный ковкий чугун имеет следующие марки (ГОСТ 26358-84): КЧ 37 -12 (362-12), КЧ35 - 10 (333-10), КЧЗЗ - 8 (323-8), КЧ 30 - 6 (294-6). Перлитный ковкий чугун: КЧ45 - 7; КЧ 50 - 5; КЧ 55 - 4; КЧ60 - 3; КЧ65 -3; КЧ70 – 2, КЧ80 – 1,5. Отливки из ковкого чугуна должны соответствовать ГОСТ 26358-84. Они хорошо сопротивляются ударам и вибрационным нагрузкам, хорошо обрабатываются резанием, обладают достаточной вязкостью.

5.6. Основы легирования стали

Легирующими элементами в стали являются элементы, специально вводимые в сталь с целью изменения  ее свойств. Сталь, в состав которой  введены легирующие элементы, называется легированной. К числу наиболее часто используемых специальных легирующих элементов относятся Сг, Ni, Mo, Ti, W, V, а также Мn и Si, если количество этих элементов в стали превосходит содержание их в углеродистой стали. Свойства легированных сталей в значительной степени определяются тем, какие фазы образуются при сплавлении легирующих элементов с железом и углеродом.

Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы. Многие легирующие элементы с углеродом  образуют карбиды.

В легированных сталях наряду с железом всегда присутствует углерод, с которым многие легирующие элементы могут вступать во взаимодействие и образовывать специальные карбиды.

Все легирующие элементы понижают содержание углерода в перлите. Легирующие элементы, кроме Ni и Mn, повышают температуру эвтектоидного превращения стали.

Влияние легирующих элементов на механические свойства феррита и стали в равновесном (отожженном) состоянии. Легирующие элементы в стали могут быть в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллических соединении. В легированных твердых растворах железа повышается предел текучести s_т, предела прочности s_в и твердости НВ. На рис. 5.17, а, б, в показано влияние различных легирующих элементов на прочность, пластичность и вязкость феррита. Особенно благоприятно влияние никеля на механические свойства феррита, так как никель одновременно повышает и сопротивление пластической деформации, и пластичность. Такое влияние никеля сохраняется и в сложнолегированных сталях, в состав которых входит этот элемент. Поэтому никель является ценным легирующим элементом в сталях.

Частицы карбидных или  интерметаллических соединений в структуре  стали механически тормозят перемещение  дислокации в твердом растворе. Если легирование сопровождается измельчением блочной структуры и уменьшением  величины зерна стали, то это приводит к увеличению сопротивления хрупкому разрушению. В большинстве случаев легирующие элементы при относительно небольшом количестве их в стали (конструкционная сталь) содействуют образованию мелкозернистого феррита и благодаря этому повышают сопротивление стали хрупкому разрушению. Исследованиями Е. М. Савицкого показано весьма благоприятное влияние на свойства сталей редкоземельных элементов (РЗМ) за счет измельчения зерна, очищения границ зерна от оксидов, сульфидов.

Легирующие элементы, упрочняя сталь, ухудшают обрабатываемость резанием, штампуемость; но положительно влияют на технологические свойства стали при термообработке.

Рис. 5.17 - Влияние легирующих элементов на относительное удлинение (а), ударную вязкость феррита (б), предел прочности при разрыве (в) (А. И. Гуляев, В. П. Емелина)

Главная трудность использования возможности улучшения механических свойств стали в равновесном состоянии легированием заключается в том, что достижение высокой прочности связано с применением элементов, ухудшающих вязкость стали. Введение же элементов, повышающих вязкость, не сопровождается существенным увеличением прочности. Поэтому возникает необходимость комбинированного легирования, т. е. введения элементов с противоположным влиянием. Однако и в этом случае не удается получить решительного улучшения свойств стали. Отсюда вытекает важный вывод: равновесное или близкое к нему состояние не отвечает предельному использованию всех резервов свойств легированных сталей. Поэтому детали, изготовляемые из легированных сталей, обязательно должны подвергаться термической обработке.