Получение и исследование физико-химических, химических и механических свойств сплава СЧ 15

 
   

Перед использованием шихтовые материалы  подвергают обработке: металлические (чушковые чугуны, лом и отходы собственного производства) измельчают и разрезают  на более мелкие части специальным  оборудованием (чушколомами, аллигаторными ножницами, копрами и др.), а крупные куски флюсов — в щековых дробилках и в шаровых мельницах. Для интенсификации горения кокса его перед использованием просеивают на специальных ситах — грохотах для отсеивания мелочи.

      2.1.Серый чугун. Свойства серого чугуна. Маркировка серых чугунов

 

      Чугуном называется сплав железа, углерода (более 2%) и других элементов (кремния, марганца, фосфора, серы и др.).

В чугуне углерод может находиться в химически связанном состоянии  в виде цементита (Fе3С) и в свободном  состоянии в виде включений графита. В зависимости от количества связанного углерода чугун подразделяют на серый, половинчатый и белый. В сером чугуне химически связанного углерода менее 0,8%, в половинчатом более 0,8%, в белом чугуне почти весь углерод находится в состоянии Fе3С.

     Серый чугун является самым дешевым из литейных сплавов. Его механические свойства зависят от величины зерна металла, от размеров и характера распределения включений графита, а также от соотношения между общим, связанным и свободным углеродом (графитом). В обычном сером чугуне графит кристаллизуется в виде пластинок, которые расчленяют основную металлическую массу и действуют как внутренние трещины. По этой причине серый чугун с пластинчатым графитом обладает низкой прочностью и малой пластичностью (до 0,3%). Однако наличие графита в чугуне придает ему меньшую чувствительность к внешним надрезам. Вследствие этого конструкционную прочность чугунной отливки незначительно снижает наличие острых углов, резких переходов, неметаллических включений, небольших газовых раковин и пор.

     Серый чугун обладает способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках. Это свойство называют циклической вязкостью. Благодаря высокой демпфирующей способности серый чугун является хорошим конструкционным материалом, которым во многих случаях можно заменить более дорогостоящую сталь, например при изготовлении коленчатых валов. Серый чугун имеет хорошие литейные свойства. Кроме того, отдельные марки серого чугуна обладают достаточно высокой прочностью и износостойкостью. Все это обусловливает широкое применение серого чугуна для изготовления разнообразных машиностроительных деталей.

    Те или иные свойства отливки или отдельных ее частей зависят от структуры чугуна.

Микроструктура чугуна. Чугунные отливки  могут иметь следующие структурные  составляющие: феррит, перлит, ледебурит, фосфидную эвтектику и графит.

     По микроструктуре чугуны подразделяют на белый (рис.2.1, I), в котором имеется ледебуритный цементит и перлит; серый перлитный чугун с перлитом и графитом (рис.2.1, III); серый ферритный чугун с ферритом и графитом (рис.2.1, V). Кроме основных видов чугуна, применяют чугуны с промежуточными микроструктурами: половинчатый, в котором содержится перлит, ледебурит и графит (рис.2.1, II); перлитно-ферритный с ферритом, перлитом и графитом (рис.2.1, IV).

 

 

Рис.2.1.Схемы микроструктур чугуна: 1 – перлит; 2 – графит; 3 – шаровидный графит; 4 – феррит; 5 – цементит

 

       В обычном сером чугуне графит имеет пластинчатое строение (рис.2.1, V), а в высокопрочном чугуне – шаровидную форму (рис.2.1, IV).

      Механические свойства чугуна обусловлены его микроструктурой. По общесоюзному стандарту имеется 11 марок серого чугуна: СЧ 00, СЧ 12-28, СЧ 15-32, СЧ 18-36, СЧ 21-40, СЧ 24-44, СЧ 28-48, СЧ 32-52, СЧ 36-56, СЧ 40-60, СЧ 44-64 (буквы СЧ означают серый чугун, первое число – минимальный предел прочности при растяжении, второе число – минимальный предел прочности при изгибе).

   Чугуны СЧ 00 и СЧ 12-28 имеют ферритную структуру; начиная с СЧ 24-44 до СЧ 44-64 – перлитную структуру, а остальные – ферритно-перлитную структуру.

    На образование той или иной микроструктуры оказывает влияние химический состав чугуна и скорость охлаждения отливки.

В сером чугуне обычно содержится 2,9-3,6% С; 1,5-3,5% Si; 0,4 – 1% Mn; 0,2-0,6% Р; 0,03-0,12% S; в легированном чугуне содержатся и другие элементы. Углерод и кремний способствуют выделению графита; хром, сера и частично марганец – образованию цементита.

    Скорость охлаждения отливки влияет на образование той или иной структуры чугуна. С увеличением скорости охлаждения отливки повышается содержание в чугуне  цементита; с уменьшением скорости охлаждения отливки увеличивается содержание в чугуне графита (Fe3С = 3Fe + С).              

     Поэтому отливки со стенками разной толщины и с различной скоростью охлаждения при одном и том же химическом составе имеют разную микроструктуру, а следовательно, и механическую прочность. В зонах отливки, где металл охлаждается с большей скоростью, например, около поверхности, образуется более мелкое зерно и выделяется более мелкий графит, а, следовательно, они имеют более высокие механические свойства, а в средней зоне, охлаждаемой с меньшей скоростью, образуется более крупное зерно.

 

Риc. 2.2. График совместного влияния суммы углерода и кремния и толщины стенки отливки на микроструктуру чугуна

 

     Совместное влияние углерода, кремния и скорости охлаждения на структуру чугуна видно из диаграммы, показанной на рис.5. На диаграмме по оси ординат дано содержание в чугуне суммы углерода и кремния, а на оси абсцисс толщина стенок отливки, характеризующая скорость охлаждения.

Диаграмма сплошными линиями делится  на пять зон: I – белый чугун; II –  половинчатый чугун; III – серый чугун  со структурой перлит + графит; IV – серый  со структурой перлит + + феррит + графит; V – серый со структурой феррит + графит.

     Эта диаграмма имеет большое практическое применение. Она показывает, что в отливках со стенками различной толщины, например в клинообразной отливке, образуются различные микроструктуры чугуна (в тонкой части может образоваться белый чугун, а в толстостенной части – ферритный чугун), а, следовательно, отливка характеризуется различными механическими свойствами.

     На механические свойства чугуна также оказывает влияние строение графита. Минимальную прочность имеет чугун с пластинчатым строением графита, максимальную – с шаровидным. Для повышения качества отливку иногда подвергают термической обработке: отжигу для удаления отбеленного слоя (структуры белого чугуна), отпуску для снятия внутренних напряжений. Повышение прочности серого чугуна возможно легированием и модифицированием.

         

 

 

  2.2.Диаграмма состояния железо – углерод.

 

      В результате превращения углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в элементарном состоянии в форме графита. Жидкая фаза, аустенит и феррит могут находиться в равновесии и с графитом.

Диаграмма состояния железо – графит показана штриховыми линиями на рис.2.3. Линии диаграммы находятся выше линий диаграммы железо – цементит. Температуры эвтектического и эвтектоидного преврашений,соответственно, 1153^oС и 738^oС. Точки C, E, S – сдвинуты влево, и находятся при концентрации углерода 4,24, 2,11 и 0,7 %, соответственно.

 

 

Рис.2.3. Диаграмма  состояния железо – углерод: сплошные линии – цементитная система; пунктирные – графитная

 

     При высоких температурах цементит разлагается с выделением графита, поэтому диаграмма состояния железо – цементит является метастабильной, а диаграмма железо – графит – стабильной. Процесс образования графита в сплавах железа с углеродом называется графитизацией.

  Процесс графитизации.

 

Графит – это  полиморфная модификация углерода. Так как графит содержит 100% углерода, а цементит – 6,67 %, то жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем к графиту. Следовательно, образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, чем графита.

С другой стороны, при нагреве цементит разлагается на железо и углерод. Следовательно, графит является более  стабильной фазой, чем цементит.

 

  Возможны два пути образования графита в чугуне.

1. При благоприятных условиях (наличие в жидкой фазе готовых центров кристаллизации графита и очень медленное охлаждение) происходит непосредственное образование графита из жидкой фазы.
2. При разложении ранее образовавшегося цементита. При температурах выше 738^oС цементит разлагается на смесь аустенита и графита по схеме

При температурах ниже 738^oС разложение цементита осуществляется по схеме:

При малых скоростях охлаждение степень разложения цементита больше.

Графитизацию из жидкой фазы, а также от распада цементита первичного и цементита, входящего в состав эвтектики, называют первичной стадией графитизации.

Выделение вторичного графита из аустенита называют промежуточной стадией графитизации.

Образование эвтектоидного графита, а также графита, образовавшегося в результате цементита, входящего в состав перлита, называют вторичной стадией графитизации.

Структура чугунов  зависит от степени графитизации, т.е. от того, сколько углерода находится в связанном состоянии.

 

 

Рис.2.4. Схема образования структур при графитизации

     Выдержка при температуре больше 738^oС приводит к графитизации избыточного нерастворившегося цементита. Если процесс завершить полностью, то при высокой температуре структура будет состоять из аустенита и графита, а после охлаждения – из перлита и графита.

При незавершенности процесса первичной  графитизации, выше температуры 738^oС структура состоит из аустенита, графита и цементита, а ниже этой температуры – из перлита, графита и цементита.

При переходе через критическую  точку превращения аустенита  в перлит, и выдержке при температуре  ниже критической приведет к распаду  цементита, входящего в состав перлита (вторичная графитизация). Если процесс завершен полностью то структура состоит из феррита и графита, при незавершенности процесса – из перлита, феррита и графита.  

  Строение, свойства, классификация и маркировка серых чугунов. 

Из  рассмотрения структур чугунов можно  заключить, что их металлическая  основа похожа на структуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали или технического железа. Отличаются от стали только наличием графитовых включений, определяющих специальные свойства чугунов.

В зависимости от формы графита  и условий его образования  различают следующие группы чугунов: серый – с пластинчатым графитом; высокопрочный – с шаровидным графитом; ковкий – с хлопьевидным графитом.

 

Схемы микроструктур чугуна в зависимости  от металлической основы и формы  графитовых включений представлены на рис.2.5.

 

 

 

Рис.2.5. Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической  основы и формы графитовых включений  

      Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

 

 

      Влияние состава чугуна на процесс графитизации.

      Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна. Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено – 0,08…0,12 %. Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание – 0,3…0,8 %. 

 

     Влияние графита на механические свойства отливок.

 

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

Наличие графита наиболее резко  снижает сопротивление при жестких  способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало. 

Положительные стороны наличия графита:

• графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;
• чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;
• из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;
• детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);
• чугун значительно дешевле стали;
• производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.