книги / Чугуны. Структура и термическая обработка

3

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроение широко использует в качестве конструкционных материалов железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны), причем более технологичным и дешевым литейным материалом является чугун.

Значительное повышение свойств чугуна и получение чугунов с особыми свойствами обусловлены главным образом формой и распределением графита в структуре чугуна.

Изменяя структуру чугунов за счет различного химического состава, условий кристаллизации и термической обработки, можно получить весьма широкий диапазон физических, механических и служебных свойств. Специальные легированные чугуны хорошо работают при высоких температурах как жаростойкий и жаропрочный материал, обладают хорошим сопротивлением коррозии. В электротехнической промышленности применяют немагнитные аустенитные чугуны. Антифрикционные чугуны применяют для деталей узлов трения (подшипники скольжения, втулки, вкладыши и т.п.) и рекомендуют для работы с деталями, имеющими высокую твердость, например стали после упрочняющей термической обработки.

Таким образом, вопросы структурообразования и формирования свойств чугунов требуют внимательного изучения.

Пособие составлено на основе специальной научно-техни- ческой и справочной литературы с использованием действующих стандартов, соответствующих международной системе стандартов ИСО, и предназначено для студентов дневного и заочного отделений, обучающихся по направлению 22.03.02 «Металлургия». Пособие может быть полезно для работников термических производств металлургических и машиностроительных предприятий, встречающихся с обработкой чугунных отливок.

4

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ

Чугун – это литейный многокомпонентный сплав железа с углеродом и кремнием, с примесями серы, фосфора и магния. В специальных чугунах используют легирующие элементы Cr, Ni, Mn, Cu, Si, Mo, Al и др. Характерная структурная особенность нелегированных чугунов – наличие эвтектики (ледебурит), образующейся в железоуглеродистых сплавах при затвердевании в полностью равновесных условиях. Диаграммы состояния таких сплавов приведены на рис. 1. Как видно из рисунка, в системе Fe–C существует две высокоуглеродистых фазы: графит (стабильная фаза) и цементит (метастабильная фаза), и соответственно построены две диаграммы фазового равновесия: стабильная в системе Fe–Г (см. рис. 1, б) и метастабильная Fe–Ц (см. рис. 1, а). Область чугунов на диаграмме лежит правее точек Е и Е . В соответствии с диаграммой, чугуны с содержанием С = 4,3…4,4 % называются эвтектическими, при содержании углерода 2,0 % С 4,34 % – доэвтектическими, с С 4,38 % – заэвтектическими. Если структура чугунов формируется в соответствии с метастабильной диаграммой Fe–Fe3C и весь углерод находится в связанном состоянии, чугун называется белым. Белый чугун – это высокотвердый, труднообрабатываемый резанием материал, который используют для получения других чугунов.

На рис. 2 приведены структуры белых чугунов, а на рис. 3 – общая классификация чугунов 1, 2 .

Свободный углерод – графит – снижает механические свойства чугуна при растяжении и практически не влияет на прочность при сжатии. Возможные формы графита в чугуне показаны на рис. 4. Графитные включения хорошо видны на нетравленом шлифе 1 .

5

Выделение свободного графита в структуре чугуна обеспечивают двумя способами:

подбором химического состава и условий охлаждения при затвердевании отливки;

проведением графитизирующего отжига.

Выделение графита обусловлено нестабильностью карбида Fe3C при атмосферном давлении. Этот процесс называется графитизацией. Процесс графитизации протекает тем полнее, чем медленнее охлаждается отливка и чем больше в чугуне содержание углерода и кремния. Графитизации способствуют также Al, Ni, Cu.

При медленном охлаждении отливки цементит, выделяющийся из жидкости и из твердого раствора (аустенита), распадается с образованием графита. При температуре выше 727 С распад идет по реакции Fe3C Fe (C) + C(графит), т.е. Ц А + Г. При температуре ниже 727 С распад идет по реакции Fe3C Fe (C) + C(графит), т.е. Ц Ф + Г.

По форме включений графита чугуны делят следующим образом:

чугуны с пластинчатым графитом (ЧПГ), или серые чугуны (СЧ) (см. рис. 4, а);

чугуны с хлопьевидным графитом (ЧХГ), т.е. ковкие чугуны (КЧ) (см. рис. 4, б);

чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ), т.е. высокопрочные чугуны (ВЧ) (см. рис. 4, в).

К высокопрочным также относятся чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) (см. рис. 4, г).

Форма и размеры графита существенно влияют на износостойкость чугунов. Крупные включения уменьшают износ сильнее, чем мелкие точечные. Хлопьевидный графит снижает износостойкость, однако обеспечивает хорошие антифрикционные свойства при высоких скоростях и температурах.

Чугуны, в структуре которых наряду с графитом присутствует и ледебурит (П + Ц), называются половинчатыми. Они

8

имеют повышенную твердость, плохо обрабатываются резанием и могут применяться только после графитизирующего отжига, который исправляет этот литейный брак.

Структура металлической основы чугуна зависит как от химического состава, так и от условий охлаждения и толщины стенки отливки. Влияние этих факторов хорошо видно на рис. 5

1, 3 .

Рис. 5. Структурные диаграммы Маурера (а) и Грейнера – Клингенштейна (б): I – область белых чугунов, II – половинчатых, III – перлитных серых, IV – перлито-ферритных серых,

V – ферритных серых; Т – толщина стенки, мм

Следовательно, структура металлической основы чугуна повторяет структуру стали. И.Н. Богачев, изучая и развивая металлографию чугуна, отмечает, что чугун можно рассматривать как сталь, металлическая основа которой пронизана включениями графита. По образному выражению А.П. Гуляева, «чугун – это сталь, испорченная графитом», т.е. испещренная большим количеством пустот и трещин 4, 5 .

Условное изображение структуры металлической основы чугуна, формы графита и примеры марок чугунов приведены на рис. 6.

Оценку микроструктуры чугуна проводят в соответствии с ГОСТ 3443–87 «Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры».

9