Лабораторная работа № 9. Изучение зависимости между структурой и свойствами чугунов

Цель работы: изучение микроструктуры чугунов разных марок, их свойств и области применения.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода. В машиностроении чугун является одним из основных литейных материалов, что объясняется, прежде всего, его хорошими литейными и прочностными свойствами. Он не подвергается обработке давлением. Главным фактором, определяющим свойства, а, следовательно, и область использования чугуна, является его структура.

По структуре чугуны делят на белые (БЧ), серые (СЧ), ковкие (КЧ) и высокопрочные (ВЧ).

Основной особенностью белых чугунов является то, что в них углерод связан в химическое соединение – цементит (Fe₃C). Структура белых чугунов описывается метастабильной диаграммой Fe–Fe₃C (рисунок 9.1).

C

Рисунок 9.1 – Диаграмма Fe–C

(сплошные линии – диаграмма «Fe–Fe₃C», штриховые – «Fe – графит»)

Белые чугуны подразделяются на доэвтектические (С = 2,14–4,3 %), эвтектические (С = 4,3 %) и заэвтектические (С = 4,3–6,67 %).

Высокая твердость и хрупкость цементита определяют свойства белого чугуна и не позволяют использовать его в качестве конструкционного материала.

В сером, ковком и высокопрочном чугунах весь углерод или часть его выделяется в виде графита. Причем в сером чугуне графит имеет пластинчатую форму, в ковком – хлопьевидную и в высокопрочном шаровидную (рисунок 9.2). Включения графита располагаются в металлической основе, которая в зависимости от условий получения материала может быть ферритной, перлитной или ферритно-перлитной. Схема структуры этих материалов приведена на рисунке 9.3.

а – пластинчатая в сером; б – хлопьевидная в ковком; в – шаровидная в высо­копрочном

Рисунок 9.2 – Форма графитных включений в чугуне

Рисунок 9.3 – Классификация чугуна по структуре металлической основы и форме графитных включений

Установлено, что чем больше углерода и кремния в сплаве и чем ниже скорость его охлаждения, тем выше вероятность кристаллизации по диаграмме стабильного равновесия с образованием графитной эвтектики по схеме Ж_(С’) ® А_(Е’) + Г.

Обычно в серых чугунах содержится 3,0...3,7 % С; 1,2...2,6 % Si. Высокое содержание кремния в сером чугуне объясняется тем, что кремний является сильным графитообразующим элементом. Растворяясь в аустените, кремний способствует уменьшению растворимости углерода в нем, в результате жидкая фаза обогащается углеродом, и процесс образования графита облегчается.

При конструировании деталей машин следует учитывать, что серые чугуны работают на сжатие лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны к надрезам при циклическом нагружении, хорошо поглощают колебания при вибрациях, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита, хорошо обрабатываются резанием, дешевы и просты в изготовлении.

Отливки изготавливают из чугуна следующих марок: СЧ10…СЧ35. Цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении s_В, кгс/мм². Чугун СЧ10 – ферритный, СЧ15, СЧ18, СЧ20 – ферритно-перлитные, начиная с СЧ25 – перлитные.

Из ферритно-перлитных чугунов в автомобилестроении изготавливают тормозные барабаны, крышки и др.; из перлитных – блоки цилиндров, гильзы цилиндров, маховики и др. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы, шпиндельные бабки, и др).

Высокопрочный чугун получают модифицированием (микролегированием) жидкого чугуна присадками (0,1...0,5 % магния от массы чугуна, 0,2…0,3 % церия, иттрия). Модифицирование приводит к образованию графита шаровидной формы, негативное влияние которого на прочность материала значительно ниже, чем пластинчатого графита, так как концентрация напряжений в зоне надреза металлической основы графитовыми включениями обратно пропорциональна радиусу скругления (рисунок 9.4).

Рисунок 9.4 – Влияние формы надреза металлической основы на величину

растягивающих напряжений

Химический состав высокопрочного чугуна (2,7...3,7 % С; 0,5...3,8 % Si) выбирается в зависимости от толщины стенки отливки (чем тоньше стенка, тем больше скорость охлаждения, тем больше углерода и кремния во избежание образования цементита).

Отливки изготавливают из высокопрочного чугуна следующих марок: ВЧ35 …ВЧ100 (цифры соответствуют пределу прочности при растяжении s_В, кгс/мм²). Высокопрочный чугун широко применяется в практике взамен стального литья, поковок, штамповок, обеспечивая надежность и долговечность изделий в различных режимах эксплуатации. Отличительные особенности ВЧ в сравнении со сталью – более высокое отношение предела текучести к пределу прочности при растяжении, равное 0,70–0,80 (против 0,50–0,55 для стали); низкая чувствительность к концентраторам напряжений; повышенная (до 3,5 раз) циклическая вязкость и другие – позволяют считать этот конструкционный материал более эффективным, чем сталь, особенно в условиях действия динамических нагрузок. Широкое использование ВЧ в деталях машин наряду с их надежностью является мощным резервом снижения расхода материалов, себестоимости изделий и улучшения показателей их работы. В мировой практике ВЧ применяют для литья блоков цилиндров, шатунов, головок блоков, тормозных барабанов, дисков сцепления, суппортов тормозных систем, поршневых колец, коленчатых и распределительных валов, деталей трансмиссии, зубчатых колес и ряда других деталей. Столь широкое применение ВЧ обусловлено уникальным сочетанием физико-механических и литейных свойств, превосходящих свойства многих сталей. Например, стоимость коленчатого вала, изготовленного из ВЧ в 2 раза меньше, при 2-3 кратном увеличении срока службы.

Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна. Рекомендуемый химический состав сплава следующий: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Si; 0,3...1,0 % Мn. При таком составе сплава и ускоренном охлаждении в отливке формируется структура белого доэвтектического чугуна (П + Л + Ц_II). После охлаждения отливку подвергают графитизирующему отжигу, в процессе которого неустойчивая фаза – цементит – распадается с образованием графита хлопьевидной формы. Отжиг состоит из двух стадий (рисунок 9.5). Первая осуществляется выше температуры точки Ас₁ при t ≈ 1000 °С. Длительность первой стадии отжига должна обеспечить полный распад цементита, входящего в состав ледебурита, на аустенит и графит. Металлическая основа чугуна формируется на второй стадии отжига при эвтектоидном превращении.

В случае непрерывного охлаждения отливки в области эвтектоидной температуры аустенит распадается на перлит пластинчатый. Получается ковкий чугун с перлитной металлической основой. Он обладает высокими твердостью (230...300 НВ) и прочностью (s_В = 650...800 МПа) в сочетании с небольшой пластичностью (d = 3,0...1,5 %). Для повышения пластичности при сохранении высокой прочности проводится непродолжительная (2–4 ч) изотермическая выдержка чугуна при температурах 690…650 °С. Это вторая стадия отжига, представляющая собой в данном случае отжиг на зернистый перлит. Перлит пластинчатый переходит в перлит зернистый путем сфероидизации (округления) пластин цементита.

Наряду с ковким чугуном, имеющим перлитную основу, широко распространен в машиностроении ферритный ковкий чугун, характеризующийся высокой пластичностью (d = 10...12 %) и относительно низкой прочностью (s_В = 370...300 МПа). Ферритная основа чугуна образуется в процессе длительной изотермической выдержки (≈ 30 ч) при 720...700 °С. Здесь цементит, входящий в состав перлита распадается на Ф + Г.

Рисунок 9.5 – График отжига белого чугуна на ковкий

Выпускаются следующие марки ковких чугунов: КЧЗ0–12, КЧ80–1,5. Первые две цифры соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении s_В, кгс/мм², цифры после тире – относительному удлинению d, %. Марки, имеющие повышенные значения d, относятся к ферритным чугунам, с низкими значениями – к перлитным.

Перечень литых изделий из КЧ весьма разнообразен (пробки, гайки, втулки, фланцы, кронштейны, ступицы, тормозные колодки, коленчатые валы и др.). Существенным недостатком технологического процесса получения КЧ является длительный отжиг отливок и ограничение толщины их стенок (до 50 мм).

Контрольные вопросы

1. Перечислить преимущества чугунов перед сталями..

2. Дать определение фазам, присутствующим в чугунах и указать содержание углерода в них.

3. Дать классификацию чугунов, описать процесс их структурообразования.

4. Изучить маркировку чугунов и указать области применения перечисленных марок:

СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ28, СЧ3О, СЧ35;

КЧЗ0–12, КЧ35-10, КЧ45-7, КЧ50-5, КЧ60-3, КЧ80–1,5;

ВЧ40, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ120.