Влияние углерода и примесей на свойства чугунов

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.

Марганец препятствует 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.

Классификация и маркировка сталей.

В современной металлургии стали выплавляют главным образом из чугуна и стального лома.

По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) сталь называется кислородно-конверторной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; сталь при этом называется соответственно основной или кислой (напр., кислая мартеновская сталь).

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистая сталь наряду с Fе и С содержит Мn (0,1—1,0%) и Si (до 0,4%), а также вредные примеси — S и Р; эти элементы попадают в cталь в связи с технологией её изготовления (главным образом из шихтовых материалов). В зависимости от содержания стали различают:

- низкоуглеродистую (до 0,25% С),

- среднеуглеродистую (0,25—0,6% С) и

- высокоуглеродистую (более 0,6% С) С.

В состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят т. н. легирующие элементы (Сг, Ni, Мо, W, V, Т1, Nb, Zr, Со и др.), которые намеренно вводят в С. для улучшения её технологических и эксплуатационных характеристик или для придания ей особых свойств; легирующими элементами могут служить также Мn (при содержании более 1%) и Si (более 0,8%).

По степени легирования (т. e. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают:

- низколегированные (менее 2,5%),

- среднелегированные (2,5—10%) и

- высоколегированные (более 10%) стали.

Легированные С. часто называются по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая).

По назначению стали делят на следующие основные группы:

- конструкционные,

- инструментальные и

- стали с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные С. могут быть как углеродистыми (до 0,7% С), так и легированными (основные легирующие элементы — Сг и Ni). Название конструкционной С. может отражать её непосредственное назначение (котельная, клапанная рессорно-пружинная, судостроительная, орудийная, снарядная, броневая и т.д.

Инструментальные стали служат для изготовлений резцов, фрез, штампов, калибров и др. режущего, ударно-штампового и мерительного инструмента. Стали этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,8—1,3% С) или легированными (главным образом Сг, Мn, Si, W, Мо, V). Среди инструментальных сталей широкое распространение получила быстрорежущая сталь.

К сталям с особыми физическим и химическим свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, стали для постоянных магнитов и др. Для многих сталей этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.

По качеству стали обычно подразделяют на:

- обыкновенные (рядовые),

- качественные,

- высококачественные и

- особо высококачественные.

Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и Р) и неметаллических включений. Так, в некоторых сталях обыкновенного качества допускается содержание S до 0,055— 0,06% и Р до 0,05—0,07% (исключение составляет автоматная сталь, содержащая дo 0,3% S и до

0,16% Р), в качественных — не более 0,035% каждого из этих элементов, в высококачественных — не более 0,025%, в особо высококачественных— менее 0,015% S.

Сера снижает механические свойства стали, является причиной красноломкости, т. е. хрупкости в горячем состоянии, фосфор усиливает хладноломкость — хрупкость при пониженных температурах.

По характеру застывания металла в изложнице различают:

- спокойную,

- полуспокойную и

- кипящую сталь.

Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из стали кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной стали в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода — сталь как бы «кипит». Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталями. Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки стали определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.

Маркировка сталей.

Единой мировой системы маркировки стали не существует. Проведена большая работа по унификации обозначений различных марок стали, что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях.

Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (СтО, Ст1, Ст2 и т.д.).

Качественные углеродистые стали маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание С в сотых долях процента 05, 08, 10, 25, 40 и т.д.

Спокойную сталь иногда дополнительно обозначают буквами - сп, полуспокойную сталь - пс, кипящую —кп, (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп).

Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание Мn (например, 14Г, 18Г).

Автоматные стали маркируются буквой А (А12, АЗ0 и т.д.),

углеродистые инструментальные стали — буквой У (У8, У10, У12 и т.д. — здесь цифры означают содержание С в десятых долях процента).

Обозначение марки легированной стали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. В России приняты единые условные обозначения химического состава стали.: алюминий — Ю, бор — Р, ванадий — Ф, вольфрам

— В, кобальт — К, кремний — С, марганец — Г, медь — Д, молибден — М, никель — Н, ниобий — Б, титан — Т, углерод — У, фосфор — П, хром — X, цирконий — Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание С (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой,— его среднее содержание. Например, сталь марки 3Х13 содержит 0,3% С и 13% Сг, сталь марки 2Х17Н2 — 0,2% С, 17% Сг и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, сталь марки 12ХНЗА содержит менее 1,5% Сг. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш — особо высококачественной.

Обозначение марки некоторых легированных сталей включает букву, указывающую на назначение стали (например, ШХ9 — шарикоподшипниковая сталь с 0,9—1,2% Сr; ЭЗ — электротехническая сталь с 3%Si). Стали, проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод «Электросталь», ДИ (завод «Днепроспецсталь «) или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268).

Классификация и свойства чугуна.

Чугун, получаемый в доменных печах, подразделяется на:

- передельный чугун, используемый для передела в сталь, и

- литейный чугун, служащий одним из основных компонентов шихты в чугунолитейном производстве.

До 70-х гг. 20 в. в доменных печах иногда выплавляли т. н. зеркальный чугун (10—25% Мn), применявшийся в качестве раскислителя при выплавке стали и для получения специальных видов чугуна. При использовании для выплавки чугуна железных руд, содержащих Сг, Ni, Тi и др. легирующие элементы, получают т. н. приорднолегированные чугуны. При производстве отливок в чугунолитейных цехах чугуны подразделяют: - в зависимости от степени графитизации, обусловливающей вид излома,: — на серый, - белый и половинчатый (или отбелённый);

в зависимости от формы включений графита — на чугуны:

с пластинчатым, щаровидным (высокопрочный чугун), вермикулярным и хлопьевидным (ковкий Ч.) графитом;

Рис. 7.3. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме графитовых включений

в зависимости от характера металлической основы — на перлитный, ферритный, перлитно-ферритный, аустенитный, бейнитный и мартенситный;

в зависимости от назначения – на конструкционный и чугун со специальными свойствами;

по химическому составу — на легированне и нелегированные.

Серый чугун — наиболее широко применяемый вид Ч. (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого Ч. характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2—4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого Ч. — 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.

Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый Ч. имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый Ч. с ферритно-перлитной металлической основой.

Белый чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fе₃С (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном чугуне). Кристаллизация белых чугунов происходит по

метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый Ч. вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого Ч. карбидообразующими элементами (Сг, W, Мо и др.) повышает его износостойкость.

Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки).

Ковким называется чугун в отливках, изготовленных из белого Ч. и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Ковкий Ч. обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, удовлетворительно работает при низких температурах. Механические свойства ковкого Ч. определяются структурой металлической основы, количеством и степенью компактности включений графита. Металлическая основа ковкого Ч в зависимости от типа термообработки может быть ферритной, ферритно-перлитнои и перлитной. Наиболее высокими свойствами обладает ковкий Ч., имеющий матрицу со структурой зернистого перлита; им можно заменять литую или кованую сталь. В тех случаях, когда требуется повышенная пластичность применяют ферритный ковкий Ч.

Для интенсификации процесса графитизации при термообработке ковкий чугун модифицируют Те, В, Мg и др. элементами.

Ковкий чугун используют в основном автомобиле-, тракторо-, сельхозмашиностроении. Наблюдается тенденция (особенно в автомобилестроении) к замене ковкого Ч. высокопрочным с шаровидным графитом с целью повышения прочности отливок, уменьшения длительности технологического цикла и упрощения технологии изготовления.

Высокопрочный чугун, характеризующийся шаровидной или близкой к ней формой включений графита, получают модифицированием жидкого

чугуна присадками Мg, Се, Y, Са и некоторых др. элементов (в чистом виде или в составе сплавов). Щаровидный графит в наименьшей степени

ослабляет металлическую матрицу, что приводит к резкому повышению механических свойств чугуна с чисто перлитной или бейнитной структурой, приближая их свойства к свойствам углеродистых сталей. При чисто ферритной матрице (в литом или термообработанном состоянии) обеспечивается повышенный уровень пластичности. Высокопрочный Ч. обладает хорошими литейными и технологическими свойствами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием), но по значению сосредоточенной объёмной усадки приближается к стали. Такой Ч. применяется для замены стальных литых и кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и т.д.), а также деталей из ковкого или обычного серого Ч.

Высокопрочные чугуны, имеющие включения т. н. вермикулярного_графита (при рассмотрении в оптическом микроскопе — утолщённые изогнутые пластины со скруглёнными краями), по свойствам занимают промежуточное положение между Ч. с шаровидным и Ч, с пластинчатым графитом. Этот Ч. обладает хорошими технологическими свойствами при небольшой объёмной усадке и высокой теплопроводностью (почти такой же, как у серого Ч.). Ч. с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении и других областях машиностроения.

Легированные чугуны.

Для улучшения прочностных, эксплуатационных характеристик или придания Ч. особых свойств (износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д.) в его состав вводят легирующие элементы (Ni, Сг, Сu, А1, Тi, W, V, Мо и др.). Легирующими элементами могут служить также Мn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%.

Легированные Ч. классифицируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д.

По степени легирования различают:

- низколегированные (суммарное количество легирующих элементов

< 2,5%);

- среднелегированные (2,5—10%) и

- высоколегированные (> 10%).

Низколегированные Ч. имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелетрованные — обычно мартенситную, высоколегированные – в большинстве случаев аустенитную или ферритную.

Чугуны с 5-7% Si (силал) применяются в качестве жаростойкого материала. Чугуны с 12-18% Si обладают высокой коррозионной

Стойкостью в растворах солей, кислот (кромё соляной) и щелочей. Такой Ч., легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Ч. С 19—25% А1(чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными Ч. жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких, наибольшее распространение получили чугуны, легирован ные Cr (до 2.5%), и Ni (до 6%) – нихарды. Аустенитные никелевые чугуны, легированные Mn. Cu. Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.

Маркировка чугунов.

По принятой в России маркировке обозначения марок доменных Ч. содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение Ч.:

П - передельный для кислородно-конверторного мартеновского производства и

Л — литейный для чугунолитейного производства.

Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличие от Ч., выплавленного на древесном угле. С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в Ч. ЛК5 содержится меньше кремния, чем в Ч. ЛК4). Каждая марка Ч. в зависимости от содержания Мn,Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки Ч. литейного производства, как правило обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна:.

СЧ — серый Ч., ВЧ — высокопрочный, КЧ – ковкий; для антифрикционного чугуна в начале марки указывается буква А_(АСЧ, АВЧ, АКЧ).

Цифры в обозначении марок нелегированного Ч. указывают его механические свойства. Для серых Ч. приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм²), например СЧ21-40.

Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют

предел прочности при растяжении (в кгс/мм²) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2.

Обозначение марок легированных Ч. состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав Ч., и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей (см. Сталь). Пример обозначения легированных чугунов: ЧН19XЗ — Ч., содержащий ~19% Ni и ~3% Сг. Если в легированном Ч. регламентируется шаровидная форма графита, в конце марки добавляется буква Ш (Ч Н 19ХЗШ).

Вариант 2

ЧУГУН

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ

Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому. Для оценки этого применяют два показателя:

Степень эвтектичности Sэ — отношение концентрации углерода С в чугуне к его концентрации в эвтектике с учетом влияния кремния и фосфора:

Sэ = C / 4,26 – 0,3(Si + P)

где 4,26 — концентрация углерода в эвтектике системы «железо — графит» (см. рис. 7.1.), Si и Р — содержание этих элементов в чугуне, %.

Углеродный эквивалент определяется как:

Сэк = С + 0,3(Si + Р)

Чугуны подразделяются на:

- доэвтектические (Sэ< 1, Сэk< 4,2-4,3),

- эвтектические (Sэ = 1, Сэк = 4,2-4,3) и

- заэвтектические (Sэ ^> 1, Сэk ^> 4,2-4,3).

Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному (рис. 7.1): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fе—FезС (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде FезС), либо в соответствии со стабильней диаграммой Fе—С (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).

На представленных диаграммах (рис.7.1) кроме общих линии АС, АЕ, GS остальные линии не совпадают. В системе Fе—С графитная эвтектика (аустенит—графит) содержит 4,26 % С и образуется при 1 153 ° С. По линии Е'S' в интервале температур 1 153-738 ° С выделяется вторичный графит. Эвтектоидное превращение протекает при 738 ° С с образованием эвтектоида (феррит + графит). Пользование диаграммами Fе—С и Fе—FезС принципиально не отличается друг от друга.

Диаграмма состояния?.

Вероятность образования цементита из жидкой фазы значительно выше, чем графита. Любой процесс определяется термодинамическими и кинетическими условиями протекания. Движущей силой процесса графитизации является стремление системы уменьшить запас свободной энергии. Цементит термодинамически менее устойчивая фаза, чем графит. Однако разница между температурами образования цементита и графита невелика, и при сравнительно небольшом переохлаждении будет происходить кристаллизация цементита, а не графита.

Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже

1 147 ° С происходит образование цементита..

Дата добавления: 2014-01-07