Какие свойства чугуну придает углерод в виде структуры свободного графита кратко

Обновлено: 05.07.2024

свойства чугунов зависят от количества графита и его вида. : пластинчатый, шарообразный, хлопьеобразны.

В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.

Серый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается) . Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число — предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число — относительное удлинение (в процентах) , характеризующее пластичность чугуна.

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей).

Микроструктура чугунов (табл. 1) зависит от скорости охлаждения металла: при быстром охлаждении будет белый чугун (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита), а при медленном охлаждении будет серый чугун (углерод находится в виде графита).

Табл. 1. Марки и механические свойства чугуна разлиных типов.

Группа	Марка чугуна	σВ, МПа	НВ	δ
серые	СЧ10	100	120. 150
СЧ15	150	130. 241
.	.	.
СЧ35	350	179. 290
Высокопрочные	ВЧ35	350	140. 170	22
ВЧ40	400	140. 202	15
.	.	.	.
ВЧ100	1000	270. 360	2
Ковкие	КЧ30-6	300	163	6
КЧ33-8	330	163	8
КЧ37-12	370	163	12
.	.	.	.
КЧ63-2	630	269	2

Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5 % Si.

Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна.

Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна.

Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%.

Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 2).

В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных - шаровидную, а в ковких - хлопьевидную.П римеры обозначения чугунов:

Формирование структуры чугуна происходит при затвердевании отливки. Основными факторами, влияющими на структурообразование чугуна, являются его химический состав (см. табл. ниже) и скорость охлаждения отливки в форме.

Табл. 2 - Влияние химических элементов на свойства чугуна

Небольшие количества множества элементов могут попасть в состав литейного чугуна и оказывать заметное воздействие на структуру и свойства отливок. Добавки некоторых из этих элементов производят специально, в то время как другие представляют собой примеси, привнесенные в металл из шихты. Некоторые из этих элементов оказывают положительное воздействие, особенно в сером чугуне, в то время как другие оказывают отрицательное воздействие и попадания их с расплав следует избегать. В таблице перечислены обычные источники этих элементов, часто встречающиеся уровни их содержания и основное воздействие на чугун. Результаты применения некоторых элементов в качестве основных легирующих (например, хром), в таблице не указаны.

Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси ( Si, Mn, P, S) , а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Чугун — важнейший первичный продукт чёрной металлургии (см. также Доменное производство), используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Чугун вторичной плавки - один из основных конструкционных материалов; Применяется как литейный сплав. Широкому использованию чугуна в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые чугуны лишь немногим уступают углеродистой стали; см. Модифицированный чугун>. В современном машиностроении на долю деталей из чугуна приходится около 75% от общей массы отливок.

Углерод оказывает большое влияние на свойства чугунов. Он может находиться в чугуне в виде цементита или графита или одновременно в виде цементита и графита. Чугун, в котором практически ,весь углерод находится в виде цементита, называется белым, а если в виде графита—серым чугуном.

Содержание углерода и форма выделения графита в серых чугунах также оказывают значительное влияние на их свойства. Поскольку графит обладает весьма малой прочностью, то в первом приближении графитовые включения в микроструктуре чугуна можно считать пустотами. Чем больше углерода в чугуне в виде графита, тем больший объем будут занимать пустоты и тем, следовательно, ниже механические свойства чугуна.

Кремний способствует графитизации чугуна и, следовательно, оказывает особенно большое влияние на его свойства. В чугунах обычно содержится 1,2. 3,5% Si. Изменяя суммарное содержание углерода и кремния в чугуне, можно при прочих равных условиях получить различную структуру и свойства чугуна.

Марганецпрепятствует процессу графитизации и повышает способность чугуна к сохранению углерода в форме цементита, образуя карбиды. В чугунах содержится 1 . 1,5 % Мn.

Сера является вредной примесью; она ухудшает литейные свойства (понижает жидкотекучесть) и способствует отбеливанию чугуна. Содержание серы в чугуне для мелкого литья допускается не выше 0,08%, для крупного литья—не выше 0,10. 0,12 %. Вредное влияние серы на свойства чугуна в значительной степени нейтрализуется марганцем, образующим химическое соединение МnS, большая часть которого переходит в шлак.

Фосфор увеличивает жидкотекучесть чугуна благодаря образованию легкоплавкой тройной эвтектики Fе_зР—FезС—Fе₇, имеющей температуру плавления 950 °С. После затвердевания фосфитная эвтектика повышает твердость и износостойкость чугуна. Фосфор в чугунах содержится до 0,5 %.

Кроме постоянных примесей, в чугун вводят специальные добавки для придания чугунам определенных свойств. Иногда чугуны выплавляют в доменных печах из руд, содержащих хром, никель и другие легирующие компоненты. Такие чугуны называют природнолегированными. Влияние легирующих элементов на свойства чугунов определяется главным образом их отношением к углероду. Графитообразующие элементы способствуют получению хорошо обрабатываемых чугунов, а карбидообразующие—получению отбеленных чугунов, плохо поддающихся обработке режущим инструментом.

Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода больше 2,14 %.

Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси оказывают существенное влияние на формирование структуры сплава, а следовательно, и на механические, физические и другие свойства чугуна.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплавах, различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны. По химическому составу чугун делится на углеродистый и легированный.

Белыми называют чугуны в которых углерод находится преимущественно в связанном состоянии в виде цементита Fe3С (очень небольшое количество углерода находится в составе твердого раствора). Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме Fe-С, подразделяются на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость 450…550 НВ, хрупкие и практически не поддаются обработке резанием, поэтому в качестве конструкционных материалов практически не применяются. Их можно применять для деталей, от которых требуется высокая износостойкость поверхности. Например, изготавливают шары шаровой мельницы для размола руды и минералов.

Белые чугуны являются передельными и из них получают сталь и ковкий чугун.

Серыми называют чугуны, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинок графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Он растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения графитных лепестков. В изломе эти чугуны имеют серый цвет. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей, его количеством, формой и размерами включений.

Графит имеет низкую прочность, и его можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности металлической основы. С увеличением содержания углерода больше выделений графита и меньше механическая прочность чугуна. Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, хрупкий, но обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой при кристаллизации, легко обрабатывается резанием, хорошими антифрикционными свойствами (графит выполняет роль смазки), поглощает вибрацию, малочувствителен к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам).

Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6…7,4 г/см 3 и зависит от количества углерода, степени графитизации и количественного соотношения структурных составляющих.

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0…700 0 С равна 16 кал/(г∙ 0 С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙ 0 С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0…100 0 С можно принять (10…11)∙10 6 см/(см∙ 0 С), а в интервале температур 100…700 0 С он равен 14∙10 6 см/(см∙ 0 С).

Основными элементами в чугунах являются Fe-C-Si и постоянными примесями — Мn, Р, S. Кремний обладает сильным графитизирующим действием, марганец затрудняет графитизацию. Сера является вредной примесью, ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Фосфор является в чугунах полезной примесью, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Чаще всего содержание фосфора находится в пределах 0,2…0,5 %. Для отливок, от которых требуется высокая износостойкость, содержание фосфора допускается 0,7 %, а для художественного литья — до 1 %.

Наглядное представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дает структурная диаграмма (толщина стенки отливки 50 мм), приведенная на рисунок 37.

I- белый чугун; II- половинчатый чугун; III- серый чугун на перлитной основе; IV- серый чугун на ферритно-перлитной основе; V- серый чугун на ферритной основе

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм 2

Ферритные чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ18 применяются для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки. Например, фундаментные плиты, крышки, фланцы, рамы двигателей, компрессоров, шиберы и заслонки печей, корпусы фильтров и масленок, маховики, корпуса редукторов, насосов, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Структура серых чугунов приведена на рисунок 38.

Феррито-перлитные чугуны марок СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках. Например, головки цилиндров, поршни, втулки для поршневых колец паровых цилиндров, колеса центробежных насосов, станины станков, зубчатые колеса, диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки турбин.

Перлитные чугуны марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Мелкие разобщенные графитовые включения меньше снижают прочность чугунов. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием, алюминием или феррокальцием (0,3…0,6 % от массы шихты). Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке: для снятия внутренних напряжений — отжиг I рода (560 0 С), нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других изделий перлитные чугуны подвергают азотированию.

Ковкими называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Термин ”ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья, и указывает на повышенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4…2,9 % С; 1,0…1,6 % Si; 0,2…1,0 % Мn; до 0,18 % Р и до 0,2 % S.

Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо по двум причинам. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме (с этой же целью толщина стенки отливки не должна превышать 50 мм).

Ковкий чугун получают из белого путем отжига, который продолжается иногда до 5 суток. По структуре металлической основы (рисунок 39), которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводится по режиму 1 (рисунок 40), обеспечивающему графитизацию всех видов цемента белого чугуна.

а – ферритного; б – перлитного

Рисунок 40 – Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отливки из белого чугуна загружают в металлические ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно нагревают до температуры 950…1000 0 С. В процессе продолжительной (10…15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита.

К концу первой стадии чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига (А + Г). Затем температуру медленно снижают до 720…740 0 С. При этом происходит вторая стадия графитизации.

В процессе выдержки (25…30 ч) распадается цементит перлита:

и образуется ковкий чугун на ферритной основе.

Перлитный чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 40). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 0 С. Аустенит превращается в перлит (А -> П), а графит сохраняется в структуре. Получается ковкий чугун на перлитной основе.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10 -1 МПа) и относительное удлинение в процентах. Марки ковкого чугуна:

КЧ-30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12 — ферритные;
КЧ 45-7; КЧ 60-3; КЧ 80-1,5 — перлитные.

Из этих чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок, корпуса вентилей, кранов, задвижек.

Высокопрочными называют чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02…0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чистым магнием сопровождается значительным пироэффектом, применяют сплав магния с никелем.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0…3,6 % С; 1,1…1,9 % Si;. 0,3…0,7 % Мn;. до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы чугун может быть ферритным или перлитным (рисунок 41).

а- ферритного; б- перлитного

Шаровидный графит — менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый или хлопьевидный графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью, сохраняют свою прочность до 500 0 С (обычный чугун до 400 0 С). Они маркируются буквами ВЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм 2 (10 -1 МПа). Марки высокопрочного чугуна:

ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 50 — ферритные;
ВЧ 60, ВЧ 80; ВЧ 120 — перлитные.

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Например, корпуса паровых турбин, насосов, вентилей, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок; для повышения прочности — закалку и отпуск при 500…600 0 С; для увеличения пластичности — отжиг.

Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.

Читайте также: