Материал: Potekhin - Metallovedeniye 2019

Электронный архив УГЛТУ

7. МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ

Чугун – сплав железа с углеродом (обычно2,14 6,67 %), содержащий примеси, в первую очередь фосфор и серу в несколько больших количествах, чем содержит сталь.

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

В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии, в виде химического соединения – цементита (карбид железа – Fe3C). Это твердая и хрупкая фаза, поэтому белые чугуны обладают высокой износостойкостью, плохо обрабатываются режущим инструментом, хрупки. Микроструктура белых чугунов, в зависимости от содержания углерода и температуры, определяется диаграммой состояния Fe – C (рис. 35).

Рис. 35. Правая часть диаграммы состояния

В серых чугунах основная часть углерода находится в свободном состоянии – в виде графита. Излом серых чугунов имеет серый цвет – результат малой отражательной способности черных графитовых включений.

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

Как видно из диаграммы состояния системы Fe – C (рис. 35), чугуны имеют более низкую температуру плавления, чем стали, поэтому имеют хорошие литейные свойства.

44

Электронный архив УГЛТУ

7.1. Структура и свойства белых чугунов

Чугун, содержащий 4,3 % углерода, называется эвтектическим (легкоплавким). Соответственно чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % С называются доэвтектическими, а с содержанием от 4,3 до 6,67 % С – заэв-

тектическими (рис. 36).

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

Чугун, содержащий 4,3 % С, при температуре выше 1147 ºС (точка С), представляет собой расплав (жидкость). При температуре 1147 ºС начинается кристаллизация с образованием одновременно двух твердых фаз: аустенита, содержащего 2,14 % С (точка Е), и первичного цементита (6,67 % С; точка f). Эти фазы формируют однородную механическую смесь – эвтектику, называемую ледебуритом.

При дальнейшем охлаждении из аустенита выделяется вторичный цементит, так как растворимость углерода в аустените уменьшается с понижением температуры в соответствии с линией ES. При достижении точки f (727 ºС) в аустените ледебурита содержится 0,8 % С. Этот аустенит при данной температуре претерпевает эвтектоидное превращение с образованием перлита (механическая смесь феррита и цементита).

Таким образом, при 727 ºС ледебурит представляет собой однородную механическую смесь феррита и цементита (первичного и вторичного).

Рис. 36. Микроструктура белых чугунов:

а– доэвтектический (3,5 % С); б – эвтектический (4,3 % С);

в– заэвтектический (5,4 % С)

45

Электронный архив УГЛТУ

Рассмотренный процесс можно описать следующей реакцией:

В отличие от эвтектического, доэвтектический и заэвтектический чугуны кристаллизуются в интервале температур (ВС – ЕС) и (СD – CF) соответственно. Например, в доэвтектическом чугуне с 3% углерода при охлаждении ниже ликвидуса (точка а) из расплава выделяются кристаллы аустенита, содержащие менее 2,14 % С и достигающие этого состава к концу кристаллизации. Расплав, не претерпевающий превращения, по мере протекания кристаллизации сплава постепенно обогащается углеродом в соответствии с линией ВС, достигая максимального уровня 4,3 % при температуре 1147 ºС (точка С) и превращаясь при этом в ледебурит. При дальнейшем охлаждении доэвтектического чугуна аустенит и ледебурит претерпевают изменения по аналогии с чугуном эвтектического состава. В целом превращения при охлаждении доэвтектического чугуна можно представить следующей реакцией:

Следует обратить внимание еще раз на то, что фазовый состав любого чугуна при эвтектическом превращении (1147 °С, ECF) изменяется согласно: L → А + Ц2, а при эвтектоидном превращении (727 °С, СК) реали-

зуется процесс: А → Ф + Ц3.

Свойства белых чугунов во многом определяются содержанием в них углерода. Чем больше этого элемента в составе чугуна, тем выше его твердость.

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

Обладая хорошими литейными свойствами, эти чугуны с трудом поддаются механической обработке (кроме шлифования), горячая обработка их давлением затруднена, поэтому изделия из белых чугунов изготавливаются главным образом методом литья.

7.2. Структура и свойства серых чугунов

Цементит (Fe3C) является нестабильным соединением, поэтому при определенных условиях он распадается с образованием графита (одна из модификаций свободного углерода).

46

Электронный архив УГЛТУ

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

Серые чугуны различаются по форме графита. Чугун с пластинчатой формой графита называют просто серым чугуном (рис. 37, а). Если в чугун при выплавке добавить так называемые модификаторы (например, силикокальций, церий), то пластинки графита существенно уменьшают свои размеры, формируя структуру серого чугуна с мелкопластинчатым графитом, такой чугун имеет повышенную прочность.

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

Рис. 37. Структура чугунов:

а– серый чугун с крупнопластинчатым графитом; б – модифицированный серый чугун

смелкопластинчатым графитом; в – высокопрочный феррито-перлитный чугун

сшаровидным графитом (модифицирован магнием); г – ковкий ферритный чугун

схлопьевидным графитом

Маркируются чугуны буквами и цифрами, например, СЧ 25, что означает: серый чугун с временным сопротивлением разрыву (предел прочности – σВ) 250 МПа (25 кгс/мм²).

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

47

Электронный архив УГЛТУ

7.3. Высокопрочный чугун

При добавлении в расплавленный чугун магния и церия (активные мо-

дификаторы) графит приобретает глобулярную форму (рис. 37, в). Ша-

ровидная форма графита благоприятнее пластинчатой, так как не является концентратором напряжений. Чугун с такой структурой значительно прочнее серого чугуна, поэтому его называют высокопрочным. Высокопрочный чугун при сравнительно высокой прочности обладает неплохой пластичностью и вязкостью.

Маркируется высокопрочный чугун следующим образом: ВЧ 45 (ВЧ – высокопрочный чугун, 45 – предел прочности на разрыв в кгс/мм² (450 МПа). Химический состав такого чугуна соответствует: C – 3,0-4,0%; Si – 2,5-3,8%; Mn – 0,2-0,7%; Mg – 0,02-0,08%; S < 0,02%; P < 0,1%. Высо-

копрочный чугун используется при изготовлении сложных и ответственных деталей (например, коленчатых валов, шестерен автомобильных, тракторных и судовых двигателей). Это относительно дешевый и технологичный конструкционный материал.

7.4. Ковкий чугун

Производство ковкого чугуна начинается с производства отливок из белого чугуна. Далее производят одноили двухстадийный отжиг по схеме представленной на рис. 38.

Рис. 38. Режимы графитизирующего отжига белого чугуна:

а– эвтектический белый чугун; б – перлито-ферритный ковкий чугун;

в– ферритный ковкий чугун

48