Реферат по искусству на тему «Чугуны. Строение, свойства, классификация чугунов»

Введение Чугуны являются важнейшим материалом современной техники. Благодаря высоким технологическим свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне они нашли широкое применение в транспортном, гражданском и промышленном строительстве. На основе анализа диаграммы состояния «железо — цементит» (Fe – Fе3С) на лабораторных занятиях исследуются фазы, структурные составляющие, микроструктура доэвтектических, эвтектических и заэвтектических белых чугунов, изучаются механические свойства чугунов (статическая прочность, твёрдость, пластичность и ударная вязкость), устанавливаетсят связь между содержанием, структурой углерода и механическими свойствами чугунов.

1. Чугуны

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14% . В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун. Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20% всех выплавляемых чугунов используются для изготовления отливок. Строительные и машиностроительные чугуны относятся к литейным сплавам. Широкое распространение отливок из чугуна объясняется его высокими литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью и малой усадкой, что позволяет получать качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок. Изделия, полученные из чугунных отливок значительно дешевле, чем детали изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок. Из-за большого количества цементита белые чугуны очень тверды (НВ 450-550) и хрупки. Поэтому для изготовления деталей машин и элементов конструкций они не используются. В промышленности и строительстве широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых углерод частично или полностью находится в виде графита. Наличие графита в них обеспечивает пониженную твёрдость, хорошую обрабатываемость резанием и высокие антифрикционные свойства благодаря низкому коэффициенту трения. Вместе с тем, включения графита вызывают снижение прочности и пластичности, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Наиболее сильно прочность снижается при растягивающих нагрузках и относительно мало — при сжимающих. Диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов Начало изучения диаграммы состояния сплавов «железоуглерод» было положено в 1868 году Черновым Д.К — русским учёным в области металлургии и металловедения в результате открытия критических точек в стали. Имеются две диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов: метастабильная, характеризующая превращения в системе «железо — карбид железа»(Fe — Fe3C), и стабильная с превращениямив системе «железо — графит». Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояния Fe -Fe3C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe3C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe -Г (железо — графит) (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита). На представленных диаграммах ( рис.З) большинство линий не совпадают. В системе Fe -Г графитная эвтектика содержит 4,26% и образуется при 1153° С. Эвтектоидное превращение протекает при 738°С. Пользование диаграммами Fe -Г и Fe -Fe3C принципиально не отличаются друг от друга. Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого сплава ниже 1147° С происходит образование цементита. Для сталей превращения при кристаллизации совершаютсяв соответствии с метастабильной диаграммой. В чугунах превращения при первичной кристаллизации часто идут по стабильной диаграмме, а при дальнейшем охлаждении в твёрдом состоянии — по метастабильной. Диаграмма состояния «железо — карбид железа» имеет главное значение, так как для большинства сплавов превращения реалиизуются по этой диаграмме. Поскольку карбид железа представляет собой цементит (Fe3C), то метастабильную диаграмму железоуглеродистых сплавов называют цементитной диаграммой, т.е. диаграммой состояния системы «железо — цементит» (Fe — Fe3C). Цементитная диаграмма является основой для выбора режимов термической обработки сталей и чугунов. Поэтому при изучении её необходимо не только запомнить как выглядит эта диаграмма, но глубоко понять сущность всех превращений, которые происходят при нагреве и охлаждении сплавов железа с углеродом разного состава и характеризуются этой диаграммой.

2. Классификация чугунов

Чугуны представлены в современной технике и строительстве большим числом марок (составов) и классифицируются по следующим основным признакам. 1. По способу производства — на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун (для изготовления отливок).К передельным чугунам относят белый чугун, к литейным — серый, высокопрочный и ковкий. 2. По состоянию углерода ( химически связанный или структурно свободный) — на белый, серый и половинчатый чугун; В белом чугуне ( такое название он получил по цвету излома) углерод химически связан с железом в виде цементита (Fe3C). Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и плохой обрабатываемостью резанием. Основная масса белого чугуна идёт на переделку в сталь. В сером чугуне (серый излом) углерод находится в свободном состоянии в виде графитовых включений. Серый чугун отличается от белого меньшей твёрдостью и хрупкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. Хорошие литейные свойства серого чугуна играют важную роль при получении отливок Половинчатый (отбеленный) чугун занимает промежуточное положение между белыми и серыми чугунами. Углерод содержится в нём частично в свободном состоянии в виде графита и частично в связанном — в виде цементита (более .0,8%). Такой чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита, обладает высокой износостойкостью, но плохо обрабатывается резанием. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки). 3. По Форме графитных включений (рис.1) — на чугун с пластинчатым графитом (серый чугун), чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун), чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун) и чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом.4. По типу структуры металлической основы (рис.2) — на ферритный, перлитный и ферритно-перлитный чугун; 5. По назначению — на конструкционный чугун общего назначения (серый, высокопрочный, ковкий) и чугун со специальными свойствами (антифрикционный, износотойкий коррозионностойкий, жаростойкий, жаропрочный); специальные чугуны являются, как правило, легированными. 6. По химическому составу — на легированный и нелегированный чугун; 7. По технологии получения — на обычный чугун (немодифицированный) и модифицированный чугун. Модифицирование — это введение в расплав чугуна в небольших количествах специальных добавок — модификаторов, которые способствуют измельчению пластинок графита или получению графита в форме шара. В результате модифицирования механические свойства чугуна улучшаются: возрастает прочность, пластичность и вязкость.

3 Структура, свойства, марки

3.1. Передельные белые чугуны

Белыми (передельными) называются чугуны, в которых углерод практически полностью находится в связанном состоянии в виде цементита. Цементит (Ц) — сложная структурная составляющая, химическое соединение, карбид железа Fe3Cc содержанием углерода 6,67%. Имеет сложную ромбическую решётку. Цементит очень твёрд (НВ 800) и хрупок (ан = 0). При высоких температурах он неустойчив и разлагается на графит и аустенит, поэтому температура плавления цементита точно не определена и принимается равной 1600°С. При охлаждении меняется лишь форма и размер его кристаллов, что отражается на свойствах сплавов. Из-за большого количества цементита белый чугун имеет высокую твёрдость (НВ 450-550) и прочность, плохо обрабатывается резанием, хрупок. Используется в качестве передельного на сталь и ковкий чугун. Для изготовления деталей машин и элементов конструкций не применяется. Белые чугуны получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1147° С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe3C, а не графит. Структура и фазовый состав белых чугунов представлены на метастабильной диаграмме системы Fe — Fe3C (рис.4 и 5), получившей название цементитной диаграммы. На диаграмме представлены две основные составные части: область сталей (0,02 — 2,14% углерода) и область белых чугунов (2,14 — 6,67% углерода). Сплавы, содержащие менее 0,02% углерода представляют собой техническое железо. При охлаждения железоуглеродистых сплавов в них происходят два важнейших превращения: эвтектическое и эвтектоидное. При температуре 1147°С (линия ECF) в сплавах с концентрацией углерода 2,14 — 6,67% происходит эвтектическое превращение.В процессе превращения жидкий раствор (Ж) затвердевает в виде механической смеси кристаллов аустенита и цементита, которая называется ледебуритом. Во всех сплавах системы с концентрацией углерода более 0,02% при температуре 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение, заключающееся в распаде аустенита на дисперсную механическую смесь чередующихся пластинок феррита и цементита, которая называется перлитом. По микроструктуре белые чугуны разделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические (рис.6). Доэвтектическими называют чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%. Их структура перлит+цементит+ледебурит перлитовый. Эвтектические — это чугуны, содержащие 4,3% углерода и состоящие из эвтектики — ледебурита перлитового. Заэвтектические — чугуны с содержанием углерода Затвердевание доэвтектических чугунов начинается ниже линии ликвидуса АС с кристаллизации аустенита. По мере кристаллизации аустенита жидкий раствор обогащается углеродом и при температуре 1147° С, когда концентрация углерода в жидком сплаве достигнет 4,3%, затвердевание доэвтектических чугунов заканчивается на прямолинейном участке линии соли дуса ЕС одновременной кристаллизацией аустенита и цементита с образованием ледебурита. Fe — Fe3C (с распределением фаз) Ледебурит (Л) — сложная структурная составляющая, эвтектическая смесь кристаллов аустенита и цементита с содержанием углерода 4,3%. Ледебурит образуется при температуре 1147°С только в белых чугунах в результате превращения жидкого сплава в эвтектику. Названа структура в честь немецкого учёного АЛедебура. Чугун, содержащий 4,3% углерода, затвердевает при постоянной температуре 1147° С с образованием эвтектики, состоящей из предельно насыщенного углеродом аустенита (2,14%) и цементита. Такой чугун называется эвтектическим. Затвердевание заэвтектических чугунов, содержащих от 4,3 до 6,67% углерода, начинается на линии ликвидуса CD кристаллизацией из жидкого сплава тонких пластинчатых кристаллов первичного цемента. При этом с понижением температуры состав жидкости меняется — уменьшается содержание углерода по линии ликвидуса DC. При температуре 1147° С концентрация углерода в жидком сплаве достигнет 4,3% и он затвердевает с образованием эвтектики — ледебурита. Дальнейшие превращения в железоуглеродистых сплавах ниже линии солидуса AECF, т.е. когда сплавы находятся в твёрдом состоянии обусловлены полиморфизмом железа и изменением растворимости углерода в y-Fe и a-Fe при понижении температуры. При температуре 1147° С (линия солидуса ECF) жидкая составляющая всех чугунов кристаллизуется с образованием эвтектики (ледебурита). При этой температуре структура чугунов следующая: доэвтектического — аустенит + ледебурит; эвтектического — ледебурит; заэвтектического — ледебурит + цементит первичный. При дальнейшем понижении температуры в интервале 1147 — 727° С доэвтектические чугуны имеют структуру: аустенит + цементит вторичный + ледебурит. Появление вторичного цементита обусловлено его выделением из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в у-модификации железа (по линии ES от 2,14 до 0,8%) при понижении температуры. В этом же температурном интервале структура эвтектических сплавов — ледебурит, заэвтектических — ледебурит + цементит первичный. На линии перлитовых превращений при 727° С аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается и образуется перлит. Поэтому ниже 727° С (линии PSK) ледебурит представляющий собой уже смесь цементита и перлита, получил название ледебурит перлитовый (Лп). В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита является причиной его большой твёрдости (НВ > 600) и хрупкости.

4.2. ЛИТЕЙНЫЕ ЧУГУНЫ

В зависимости от формы графитных включений (рис.7) литейные чугуны разделяют на следующие виды: 1) Чугун с пластинчатым графитом (серый чугун); 2) Чугун с шаровидным графитом (высокопрочный; чугун) 3) Чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун); 4) Чугун с вермикулярным графитом.

4.2.1. СЕРЫЕ ЧУГУНЫ

Серым называют чугун, в котором графит преимущественно имеет форму слегка изогнутых пластинок или разветвлённых розеток с пластинчатыми лепестками (рис.7). Более точное название серого чугуна которое закреплено ГОСТом 1412-85 — чугун с пластинчатым графитом. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала. Наличие графита определяет существенные достоинства серого чугуна: высокие литейные свойства (хорошая жидкотекучесть и малая усадка), хорошая обрабатываемость резанием, так как графит делает стружку ломкой, высокие демпфирующие и антифрикционные свойства. Происхождение графита в серых чугунах Графит является характерной структурной составляющей серых чугунов, наличие его определяет тёмный серый цвет излома. Поэтому этот чугун и получил название серого. Графитизация — это процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твёрдой фазы. Графитизация чугуна и её полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров кристаллизации. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации. Графит в серых чугунах получается в результате распада цементита, образующегося при затвердевании сплавов по цементитной диаграмме состояния системы Ре3С — С, а также путём непосредственного выделения из жидкого или твёрдого раствора (аустенита или феррита). При высоких температурах цементит распадается по реакции Ре3С -3Fe + С (графит). Чем выше температура и меньше скорость охлаждения, тем больше образуется графита в чугуне. Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает присутствие в чугуне кремния, который является необходимым компонентом серых чугунов . При одинаковой скорости охлаждения и прочих равных условиях количество образующегося графита тем больше, чем выше в чугунах содержание кремния. Меняя содержание кремния можно получать чугуны с различной структурой и свойствами Углерод также способствует графитообразованию: чем его больше, тем больше при прочих равных условиях в серых чугунах графита. Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна даёт структурная диаграмма чугунов (рис.8). В чугунах с высоким содержанием кремния при медленном охлаждении отливки первичная кристаллизация происходит по стабильной диаграмме железо-углерод (графит), т.е. в этом случае графит появляется непосредственно из жидкой фазы. С увеличением скорости охлаждения создаются условия для первичной кристаллизации по метастабильной диаграмме железо-цементит и графит образуется вследствие распада цементита при дальнейшем охлаждению. Иногда ледебурит не разлагается и остаётся в структуре (получается отбел). Вторичная кристаллизация преимущественно протекает в соответствии с метастабильной диаграммой, вторичный цементит и цементит перлита могут сохраниться или графитизироваться в зависимости от содержания кремния и скорости охлаждения. Серые чугуны образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита., а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8%. Промышленные чугуны содержат (2,0 -4,5)% уг¬ лерода, (1-3,5)% кремния, (0,5-1,0)% марганца, до 0,3 % фосфора, до 0,2% серы. Классификация и структура серых чугунов Серые чугуны подразделяют по структуре металлической основы и по размерам, форме и расположению графитных включений. По структуре металлической основы различают серые чугуны:(рис.9): 1) на ферритной основе (со структурой феррит + графит)); 2) на ферритно-перлитной основе (феррит + перлит + графит); 3) на перлитной основе (перлит + графит). Количество химически связанного углерода в серых чугунах не превышает 2%, поэтому их металлическая основа аналогична сталям доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной. Металлическая основа может быть перлитной, когда 0,8% углерода находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; ферритно-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8% углерода; ферритной, когда углерод находится практически полностью в виде графита. Следовательно, серый чугун можно рассматривать как структуру, состоящую из сталистой механической основы с рассеянными в ней графитными включениями (рис.10). Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе. Тем самым чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. По размерам. Форме и расположению графита различают чугуны с крупными, средними и мелкими графитовыми включениями; с прямолинейными и завихренными включениями; с равномерным, гнездовым и эвтектическим расположением графита. Марки, свойства и применение серых чугунов ГОСТ 1412-85 предусматривает следующие марки чугуна с пластинчатым графитом (серого чугуна): СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 25,СЧ 30, СЧ 35. 25. По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24. Условное обозначение марки включает буквы СЧ — серый чугун и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления (прочности)при растяжении в МПа-10’1. В таблицах 1 и 2 приведены прочность, химический состав и физические свойства чугунов с пластинчатым графитом. Серые чугуны — это сплавы сложного состава, содержащие помимо железа и углерода кремний, марганец и неизбежные примеси: серу и фосфор. Химический состав серых чугунов колеблется в следующих пределах: (3,2-3,8)% углерода, 1-5% кремния, (0,5-0,8)% марганца, (0,2-0,4)% фосфора, до 0,12% серы. Иногда в чугуне присутствуют в небольшом количестве медь, никель, хром, которые попадают из руды. Механические свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и количества, а также формы и размеров графитовых включений. Металлическая основа чугуна аналогична по строению и близка по свойствам стали. Зависимость свойств серого чугуна от структуры значительно сложнее, чем в стали, так как серые чугуны состоят из металлической основы и включений графита, вкраплённых в эту основу Для характеристики структуры серого чугуна необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы. Графитные включения лучше определять на нетравлёных шлифах. Можно качественно оценить влияние графитных включений на механические свойства серого чугуна. Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической основе. Оценку графитовых включений дают по типовой шкале ГОСТ 3443-57. При одинаковом характере графитовых включений чугун с преобладающим количеством перлита (перлитовый чугун) обладает более высокими механическими свойствами, чем чугун с преобладающим количеством феррита (ферритный чугун). Графит имеет ничтожно низкую прочность, поэтому полости, занятые графитом, часто рассматривают как надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительно снижают его прочность и пластичность. Относительное удлинение серых чугунов при растяжении примерно равно 0,5%. Чем больше в структуре присутствует графита и чем крупнее его включения, тем ниже механические свойства. Благодаря включениям графита чугун отличается высокой демпфирующей способностью, т.е. способностью материала гасить возникающую в нём вибрацию. Решающее значение для уровня демпфирующих свойств чугуна имеют количество, форма и распределение графита в чугуне. Наибольшей демпфирующей способностью обладают чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 10 и СЧ 15, которые имеют в своей структуре максимальное количество графита. Графит делает стружку ломкой, благодаря чему серый чугун хорошо обрабатывается резанием. Лучшими литейными свойствами (большой жидкотекучестью, меньшей усадкой из-за увеличения удельного объёма при образовании графита) обладают чугуны низких марок (СЧ 10, СЧ 15). Но всё же наиболее широко в машиностроении используют более прочные чугуны марок СЧ 2 0 — С Ч 35. Отливки из чугуна с пластинчатым графитом, как правило подвергаются термической обработке, — чаще всего, отжигу при 450 — 600° С для уменьшения литейных напряжений , всегда возникающих при фасонном литье. Серый перлитный чугун в отливках отличается наибольшей прочностью и хорошей обрабатываемостью. Ферритноперлитный по сравнению с перлитным обладает меньшей прочностью, но лучшей обрабатываемостью. Ферритный чугун самый непрочный и легко обрабатывается резанием. На долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится 80% общего производства чугунных отливок. Пластины графита с острыми краями уменьшают живое сечение металлической матрицы и ,главное, являются внутрен¬ними концентраторами напряжений, способствующими зарождению и развитию трещин. Пластины графита сильно снижают прочность т пластичность чугуна при растяжении Относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом , как правило, не превышает 0,5 -1 ,0 % и стандартом не гарантируются.. На прочность при сжатии включения графита влияют значительно слабее, поэтому чугун особенно выгодно использовать для изготовления деталей, работающих на сжатие. Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений и резким переходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам, и другим неровностям поверхности отливки. Серый чугун — наиболее широко применяемый вид чугунов (машиностроение, сантехника, строительные изделия). Для деталей из серого чугуна характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагруженны и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрации деталей ( в 2-4 раза выше, чем у стали. Важная конструкционная особенность серого чугуна — более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна. Серый перлитный чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и других нагруженных деталей двигателей, станин и т.д.. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритноперлитной металлической основой. Выбор марки чугунов для конкретных условий работы обусловливается совокупностью технологических и механических свойств. Ферритные серы е чугуны СЧ10, СЧ15, СЧ18 предназначены для слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, диски сцепления и др. Феррито перлитные СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоков цилиндров, картеров двигателя, поршней цилиндров, барабанов сцепления и др. Перлитные серы е модифицированные чугуны СЧЗО, СЧ35, СЧ40, СЧ45 обладают наиболее высокими механическими свойствами и их используют для изготовления гильз цилиндров, распределительных валов и др.

4.2.2. Высокопрочные серые чугуны

Высокопрочными называются чугуны, в структуре которых имеется графит шаровидной формы. Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого чугуна присадками магния или цезия При введении в чугун перед разливкой около 0,5% магния графит кристаллизуется в шаровидной форме. Этот процесс называется модифицированием. Шаровидный графит в меньшей степени, чем пластинчатый, ослабляет сечение металлической матрицы и и не является таким сильным концентратором напряжений. Это обстоятельство позволяет придавать чугунам высокую прочность, пластичность и повышенную ударную вязкость. У чугунов с чисто перлитной структурой свойства приближаются к свойствам углеродистых сталей. В случае ферритной матрицы обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. По структуре высокопрочный чугун может быть ферритным, ферритно-перлитным или перлитным. Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита. Перлитовый чугун в основном состоит из сорбитообразного или пластинчатого перлита и шаровидного графита. На рис.11 приведена микроструктура высокопрочного чугуна марки ВЧ 60 на ферритно-перлитной металлической основе. Глобулярные включения графита (чёрный), окружённые слоем феррита (светлый) в тёмной перлитной матрице. Модифицирование проведено магнием. Высокопрочные чугуны применяются для отливки деталей ответственного назначения, для замены стальных литых и кованых деталей из ковкого и обычного серого чугуна коленчатых валов, валков прокатных станов, подшипников скольжения, шаботов, молотов, деталей вентилей, компрессоров.

4.2.3. Ковкие чугуны

Ковким называется чугун с хлопьевидным графитом, получаемый из белого чугуна в результате специального графитообразующего отжига (томления). Термин «ковкий чугун» является условным и характеризует пластические, а не технологические свойства чугуна, так как изделия из него, как и из других чугунов получают литьём, а не ковкой. Получение ковкого чугуна Процесс получения отливок из ковкого чугуна включает две операции: — Получение фасонных отливок из белого чугуна; — Графитизирующий отжиг полученных отливок с целью распада цементита белого чугуна и образования графита хлопьевидной формы. В результате отжига из хрупкого и твёрдого белого чугуна получается более пластичный и менее хрупкий ковкий чугун. Ковкий чугун получают длительным нагревом (томлением) в печи при 950-1000°С отливок из белого чугуна с умеренным количеством кремния (0,6-1,4)%. Отливают преимущественно мелкие изделия сложной формы. Отжиг проводят в две стадии — на каждой из них до полного распада ледебурита (1 стадия), аустенита и цементита (2 стадия) и образования феррита и графита (рис.12). Графит выделяется в виде скоплений округлой хлопьевидной формы, придающих чугуну высокую пластичность. Излом его бархатисто-чёрный. Если охлаждение ускорить, то образуется ковкий чугун с перлитной основой, снижающей 36 пластичность и придающий излому светлый (сталистый) вид. Эти изолированные включения графита меньше разобщают металлическую основу и чугун получает способность пластически деформироваться в холодном состоянии. Графитизирующий отжиг является продолжительной и дорогой операцией. Длительность отжига (несколько десятков часов) является существенным недостатком технологического процесса получения ковкого чугуна. Микроструктура ковкого чугуна В зависимости от состава микроструктуры металлической основы ковкий чугун делят на ферритный (Ф) и перлитный (П) классы (рис 13). Марки, механические свойства и применение ковких чугунов ГОСТ 1215-79 устанавливает 11 марок ковкого чугуна. Он регламентирует механические свойства ковкого чугуна (временное сопротивление при растяжении, относительное удлинение, твёрдость). Отливки изготовляют из ковкого чугуна следующих марок: КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12 — ферритного класса, характеризующегося ферритной или ферритно-перлитной структурой металлической основы и КЧ 45-7; КЧ 50-5; КЧ 55-4; КЧ 60-3; КЧ 65-3; КЧ 70-2; КЧ 80-1,5 — перлитного класса (в основном с перлитной структурой металлической основы). По своим литейным и механическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. По сравнению со сталью ковкий чугун — более дешёвый, имеетлучшие литейные свойства, повышенную демпфирующую способность, меньшую чувствительность к надрезам. Отливки из ковкого чугуна в результате отжига почти полностью свободны от остаточных напряжений. По сравнению с серым чугуном ковкий чугун более пластичный, вязкий и прочный. Серьёзным конкурентом ковкого чугуна является высокопрочный чугун, у которого высокие механические свойства могут быть получены при менее сложных технологических процессах. Для повышения механических свойств (твёрдости, износостойкости и прочности) ковкий чугун подвергают нормализации или закалке с высоким отпуском для получения зернистого перлита. Обычный состав ковкого чугуна (2,4 -2,8)% углерода, (0,8-1,4)% кремния, менее 1,0% марганца, до 0,2% фосфора, до 0,1% серы. Ковкие чугуны состоят из тех же структурных составляющих (феррит, перлит и графит), что и серые чугуны, но в отличии от них обладают большей пластичностью. Ферритный чугун обладает более высокой пластичностью, чем перлитный, но более высокая твёрдость перлитного чугуна обеспечивает лучшую стойкость против износа. Хлопьевидный графит по сравнению с пластинчатым графитом серого чугуна в меньшей степени расчленяет металлическую основу, повышая прочность, пластичность и вязкость отливок. В зависимости от структуры металлической основы (матрицы) различают ферритный и перлитный ковкий чугун. Ферритный чугун более мягкий и пластичный, перлитный — более прочный и хрупкий и изностойкий. На практике чаще получают отливки из ферритного чугуна. Ферритный ковкий чугун называется чёрносердечным, так как его излом имеет бархатисто-чёрный цвет из-за наличия большого количества графита. 40 Перлитный чугун с небольшим количеством графита имеет светлый блестящий излом и поэтому называется белосердечным. По своим механическим свойствам ковкие чугуны занимают промежуточное положение между сталями и серыми чугунами. Из ковкого чугуна изготавливают некоторые строительные детали, например кронштейны и фитинги (соединительные части для трубопроводов). Ковкий чугун широко применяют в машиностроении, в частности при изготовлении некоторых деталей сельскохозяйственных машин, автомобилей, судов. Из него изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжёлых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготавливать детали водо-, газапроводных установок, хорошие литейные свойства исходного белого чугуна — отливки сложной формы. 5. Применение чугунных изделий в строительстве Чугунные изделия получили широкое распространение в современном гражданском, промышленном, сельскохозяйственном и транспортном строительстве. Среди них в первую очередь следует назвать санитарнотехнические изделия и оборудование, например, отопительные радиаторы, ванны, мойки, вентили. Чугунные трубы применяют для стояков санитарно-технических кабин, канализационных сетей, для отвода промышленных вод. К весьма распространённым строительным изделиям из чугуна относят люки колодцев, трубы водопроводные и канализационные, фасонные изделия к ним, чугунная запорная арматура, плитки для полов. В помещениях, где полы выдерживают большие ударные нагрузки, для их покрытия используют гладкие и рифлёные чугунные дырчатые и штампованные плиты. Чугунные плиты с опорными выступами предназначены для горячих цехов (кузнечных, сталеплавильных, литейных, прокатных). Их приме¬няют в залах, где пол нагревается до температуры (1000-1400)° С (остывание на полу раскалённых металлических болванок и деталей, попадание расплавленного металла в виде брызг). Чугунные литые изделия изготавливают различными способами, среди которых наиболее простым является литьё в формы. Прогрессивные формы литья чугуна — под давлением и центробежный. В строительстве находят применение все виды рассмотренных чугунов с графитным включением. Серые чугуны используются в строительных конструкциях, работающих на статическую сжимающую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, опорные плиты под фермы, балки, арки канализационные трубы, люки,). Их используют для литья печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники, решётки), а также архитектурно- художественных изделий. Высокопрочные и ковкие чугуны, обладающие повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью, используют в конструкциях, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промышленных зданий, фундаменты тяжёлого кузнечно-прессвого оборудования, под ферменные опоры железнодорожных и автодорожных мостов, тюбинги для крепления ответственных транспортных тоннелей под землёй, в горах. Широко используются конструкции чугунных обделок перегонных, станционных и эскалаторных тоннелей отечественного метрополитенамз рядового сеого чугунв марки СЧ 20 и чугуна повышенной прочности марки СЧ 35. Повсеместно применяются чугунные обделки в особо тяжёлых инженерно-геологических условиях заложения тоннелей. Практически единственным недостатком чугунных обделок принято считать их большую металлоёмкость т, вследствие этого — относительно высокую стоимость. В отечественном метростроении эксплуатируются чугунные тюбинги диаметром (5,5-6,0)м шириной кольца (0,75-1,0)м и массой (б-8)т. Классический тюбинг — сегмент кольца круговой тоннельной обделки, имеет С или Е-образное поперечное сечение, отливается из серого чугуна марки С 20 и работает в кольце на внецентренное сжатие. Обделкой в сложных горно-геологических условиях служат чугунные тюбинги, в более благоприятных условиях блоки или тюбинги сборного железобетона, который в несколько раз дешевле. Выбор материала — чугуна или железобетона — зависит от степени обводненности грунта. Чугунные тюбинги водонепроницаемы в отличие от железобетона.