Классификация чугунов

Структура и свойства черных металлов и их сплавов.

Чугуны представляют сплавы железа и углерода и отличаются от сталей более высоким содержанием углерода.

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, в которых может содержаться от 2,14 (точка Е на диаграмме железо – углерод) до 6,67 % С (при такой концентрации образуется карбид железа – цементит). В чугунах при первичной кристаллизации возможно протекание эвтектической реакции при температуре 1147^оС. Поэтому чугуны обладают хорошей жидкотекучестью и используются как литейный материал.

Классификация чугунов

Чугуны можно классифицировать по различным признакам:

- по содержанию углерода;

- по состоянию углерода;

- по наличию легирующих элементов и другим.

По содержанию углерода чугуны делят на доэвтектические содержащие от 2,14 до 4,3% С, эвтектический, в котором углерода содержится 4,3% и заэвтектические, содержащие углерода более 4,3%.

Углерод в чугунах может находиться как в свободном состоянии – в виде графита, так и в связанном – в виде цементита. Выделение углерода в виде графита называют графитизацией. По состоянию углерода чугуны делят на белые и графитизированные.

В белых чугунах углерод находится в связанном состоянии – в виде цементита Fe₃C. Наличие большого количества цементита и отсутствие выделений графита делают излом таких чугунов светлым как у стали, поэтому они и получили название белые. Структура эвтектического белого чугуна состоит из эвтектики, называемой в честь немецкого учёного Ледебура - ледебуритом. Ледебурит в момент образования представляет гетерогенную смесь аустенита и цементита, в которой цементит является матричной фазой. При охлаждении ниже температуры эвтектоидного превращения аустенит преобразуется в перлит. Таким образом, при комнатной температуре ледебурит представляет смесь колоний перлита и цементита. Под микроскопом он выглядит в виде множества тёмных пятен перлита на светлом фоне цементита.

В структуре доэвтектического белого чугуна кроме ледебурита присутствуют весьма крупные колонии перлита, образовавшиеся на месте кристаллов аустенита, выделение которых предшествовало эвтектической реакции. В расположении этих крупных перлитных колоний можно заметить некоторую закономерность, свидетельствующую о дендритном строении первичных кристаллов аустенита.

В отличие от доэвтектического в заэвтектическом белом чугуне на фоне ледебурита наблюдаются крупные светлые кристаллиты цементита первичного, имеющие обычно игольчатую форму.

	Доэвтектический белый чугун
	Эвтектический белый чугун. Ледебурит (перлит в цементите)
	Заэвтектический белый чугун. Цементит первичный и ледебурит

Рисунок 1 - Схемы структур белых чугунов

Рисунок 2 - Микроструктура доэвтектического белого чугуна

Темные участки- это перлит. Светлый фон – цементит. Крупные колонии перлита окружены цементитом вторичным, который выделился из зёрен аустенита в процессе охлаждения в интервале от 1147^оС до 727^оС. Закономерное расположение этих перлитных колоний указывает на дендртное строение кристаллов аустенита, выделившихся из жидкой фазы при первичной кристаллизации чугуна.

Белые чугуны из-за большого количества твёрдой и хрупкой фазы – цементита тверды и хрупки, очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они для изготовления деталей машин почти не применяются.

Обычно детали машин делают из графитизированных чугунов, в которых углерода в связанном состоянии (в виде цементита) не более 0,8%.

Остальное количество углерода в графитизированных чугунах присутствует в свободном виде – в виде кристаллитов графита. При разрушении чугуна свободный углерод обнажается в изломах и придаёт им серую матовую окраску, устраняет металлический блеск. Поэтому графитизированные чугуны получили название – серые.

Кристаллиты графита в графитизированных чугунах могут иметь различную геометрическую форму: пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную и шаровидную. Металлическая основа чугунов тоже бывает различной: перлитной, перлитно-ферритной и ферритной.

Структура металлической основы, форма выделений графита, его количество размеры и расположение оказывают большое влияние на свойства чугуна. С увеличением доли перлита в металлической основе возрастают твердость, износостойкость, прочность, снижается пластичность.

Формой графита в большей степени определяются показатели пластичности. Схемы различных структур графитизированных чугунов представлены на рисунке 4.

Металлическая основа	Форма графитных включений
Пластинчатая	Вермикулярная	Хлопьевидная	Шаровидная
Феррит					твердость
Феррит + перлит
Перлит
	направление возрастания пластичности

Рисунок 3 - Схемы структур графитизированных чугунов

Для деталей машин используют обычно доэвтектические графитизированные чугуны, в которых количество углерода в виде карбида Fe₃C (цементита) находится не более 0,8%. Остальное количество углерода в них находится в виде свободного графита. Свободный углерод обнажается в изломах и придает их серую матовую окраску, поэтому такие чугуны называют серыми.

Формирование структуры чугуна существенно зависит от химического состава и скорости охлаждения.

Для образования зародышей цементита требуется меньше энергии, чем для образования зародышей графита. Поэтому в обычных условиях, несмотря на то, что графит является более устойчивой фазой, чем цементит, при первичной кристаллизации из жидкого чугуна выделяется эвтектика ледебуритная (смесь аустенита с цементитом), а не графитная (аустенит +графит).

Технические чугуны в своем составе кроме железа и углерода содержит 1-2% кремния, а так же марганец, серу и фосфор. Наличие кремния и снижение скорости охлаждения облегчают процесс графитизации.

Металлическая основа графитизированных чугунов эвтектоидного превращения состоит из феррита и перлита в разных пропорциях и может быть перлитной, ферритно–перлитной, или только ферритной (рисунок 4).

Графит хрупок и непрочен, и присутствуя в чугуне, ослабляет его металлическую основу. Его включения можно рассматривать как пустоты, вблизи которых в металлической основе под нагрузкой происходит концентрация напряжений. Эта концентрация определяется геометрической формой дефектов – графитовых включений и может быть количественно оценена коэффициентом концентрации напряжений

k ;

где: l – длина дефекта (наибольший размер);

r – радиус закругления в вершине дефекта.

Кристаллы графита в чугунах могут иметь, в зависимость от условий образования, пластинчатую, хлопьевидную, вермикулярную и шаровидную форму. Форма выделений графита, его количество, размеры и расположение, а также его строение металлической основы оказывают большое влияние на свойства чугунов. Показатели прочности, твердость, износостойкость возрастают с увеличением доли перлита в металлической основе, а показатели пластичности определяются главным образом формой графитовых включений.

По форме графитовых кристаллитов чугуны разделяются на серые, ковкие, высокопрочные и чугуны с вермикулярным графитом. В обычных серых чугунах графит выделяется при первичной кристаллизации отливок при их медленном охлаждении. Выделения графита вырастают в окружении жидкой фазы и приобретают форму искривленных пластинок. На фотографии структуры они выглядят в виде длинных криволинейных темных полос.

Пластинчатые выделения ослабляют чугун в наибольшей степени. Чугун с такими выделениями даже при пластинчатой ферритной основе разрушается хрупко. Относительное удлинение после разрушения около 0,5%. Особенно ослабленным оказывается чугун, в котором выделения графита образуют замкнутый скелет. Серые чугуны технологичнее и дешевле сталей, поэтому широко используются для изготовления многих деталей, особенно при эксплуатации сжимающие нагрузки.

Ковкий чугун получают путем длительного отжига отливок со структурой белого чугуна. При отжиге цементит Fe₃C разлагается на Fe и C и выделяющийся графит приобретает компактную хлопьевидную форму. Чугун с таким графитом проявляет пластичность (относительное удлинение от 2 до 12%) и применяется для тонкостенных деталей подвергаемых даже динамическим нагрузкам.

Еще компактней выделения графита в высокомолекулярных чугунах, в которых, используя модифицирование церием или магнием, удается получить непосредственно при первичной кристаллизации шарообразные кристаллиты графита. Высокопрочный чугун широко используется взамен литых стальных заготовок, особенно для деталей сложной конфигурации.

Половинчатые чугуны. Половинчатыми называют графитизированные чугуны, в которых наряду с графитом присутствуют признаки ледебурита или цементита вторичного, рисунок 4. В этом случае количество углероды в связанном состоянии превышает 0,8%.

Рисунок 4 - Чугун половинчатый

Половинчатые чугуны более твердые и износостойкие, но и более хрупкие, чем перлитные серые. Они трудно обрабатываются лезвийным инструментом и применяются лишь в особых случаях. Чаще половинчатость расценивается как литейный брак. На рисунке 9 видны на светло-сером фоне металлической основы черные выделения глобулярного графита и светлые продолговатые кристаллиты цементита. Шлиф не травлен.

В технических чугунах с повышенным содержанием фосфора может наблюдаться фосфидная эвтектика Fe₃P-Fe, располагающиеся обычно в виде небольших островков между колониями перлита. Фосфидная эвтектика улучшает жидкотекучесть чугуна и повышает его износостойкость.

Чугун с вермикулярным графитом, получают благодаря регламентированному модифицированию силикокалицием, церием, магнием или магнийцериевой и другими лигатурами. Вермикулярный графит отличается от пластинчатого меньшей степенью неравномерности, меньшими размерами и округлой формой кромок. По механическим свойствам он занимает промежуточное положение между серым и высокопрочным.

Специальные чугуны. Для придания чугунным деталям более высоких механических свойств используют чугуны, легированные хромом, никелем, ванадием и другими элементами. Легирование в сочетании с термической обработкой расширяет рамки изменения структуры и свойств чугунов и области применения этих технологических сплавов.

Структура и свойства цветных металлов и их сплавов.