Микроструктура, свойства и маркировка углеродистых сталей и чугунов

Углеродистые стали – это сплавы железа и углерода, содержащие не более 2,14 % углерода. Кроме этого стали содержат примеси: постоянные и случайные. К постоянным примесям относят марганец (до 0,8 %), кремний (до 0,4 %), серу (до 0,05 %), фосфор (до 0,04 %) и газы: азот, кислород и водород (тысячные доли процента). Их наличие обусловлено технологическими особенностями производства стали (марганец, кремний) или невозможностью полного удаления из металла (сера, фосфор, газы). Случайные примеси (хром, никель, медь и др.) попадают в сталь из-за того, что они содержатся в рудах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства.

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с повышенным (более 2,14% С) содержанием углерода. Повышенное количество углерода в составе чугунов приводит либо к образованию в структуре сплава твердой и хрупкой эвтектики в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃C, либо к появлению свободного углерода в виде графита в результате процесса графитизации (таблица 1).

Образование кристаллов графита (графитизации чугуна) зависит в основном от двух условий: скорости охлаждения и наличия в чугуне «графитизирующих» примесей Si, Ni, Al и др. препятствуют графитизации быстрое охлаждение и наличие карбидообразующих примесей Mn, Cr и др., а также серы. Для расчета шихты при выплавке чугуна пользуются структурными диаграммами, простейшие из которых представлены на рисунке 1, а, б.

Так как графит содержит 100% углерода, а цементит всего 6,67%, то следует заключить, что жидкая фаза и аустенит по составу более близки к цементиту, чем графиту, и по этому образование цементита из жидкой фазы и аустенита должно протекать легче, что и наблюдается по диаграмме Fe-Fe₃C.

Из диаграммы рисунка 1 следует, что в зависимости от скорости охлаждения и содержания углерода и кремния можно получить чугуны разных структурных классов.

Серые чугуны с пластинчатым графитом регламентируются ГОТС 1412-85. Они маркируется буквами СЧ и цифрами, например: СЧ25. Цифры указывают что прочность на растяжение этого чугуна не менее 250МПа (25кгс/мм²).

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом по ГОСТ 7293-85 маркируются буквами ВЧ и цифрами, значения цифр то же что и у серого чугуна. Например, ВЧ60 имеет σ_в≥600МПа (60кгс/мм²).

Рисунок-1 Структурная диаграмма чугунов:

а- в зависимости от соотношения углерода и кремния;

в- в зависимости от суммарного содержания C + Si и от толщины стенки детали

I – белые чугуны, структура П+Л;

II_а – половинчатые чугуны, структура П+Г+Л;

II – серые перлитные чугуны, структура П+Г;

II_b – серые феррито-перлитные чугуны, структура Ф+П+Г;

III – серые ферритные чугуны, структура Ф+Г.

Ковкие чугуны с хлопьевидным графитом по ГОСТ 1215-79 маркируются буквами КЧ и двумя группами цифр. Первая группа цифр показывает временное сопротивление растяжению, вторая группа цифр обозначает относительное удлинение. Например, КЧ37-12 имеет σ_в≥370 МПа (37 кгс/мм²) и δ≥12%.

Серые чугуны – широко применяемые конструкционные материалы, обладающие хорошими технологическими свойствами, хорошо работают на сжатые, изгиб, обладают антифрикционными свойствами, гасят вибрации. Примеры применения чугунов различных марок даны в Приложении 1, а их свойства – в Приложении 2.