Цель работы: изучение микроструктуры чугунов разных марок, установление зависимости между структурой и механическими свойствами чугунов.
Приборы и оборудование: набор микрошлифов лабораторной коллекции чугунов, металлографические микроскопы с набором объективов и окуляров, реактивы для выявления микроструктуры.
Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. В машиностроении чугун является одним из основных литейных материалов, что объясняется прежде всего его хорошими литейными и прочностными свойствами. Он не подвергается обработке давлением. Главным фактором, определяющим свойства, а, следовательно, и область применения чугуна, является его структура, которая может быть разнообразной.
По структуре чугуны делят на белые (БЧ), серые (СЧ), ковкие (КЧ), высокопрочные (ВЧ).
Белые чугуны.Белым называется чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe3C, который придает излому чугуна белый блестящий цвет.
Фазовые превращения в этих чугунах протекают согласно метастабильной диаграмме Fе-Fe3С (см. рис. 30). По структуре белые чугуны делятся на следующие виды:
а) доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% С. Они состоят из перлита, ледебурита и вторичного цементита, выделяющегося из зерен аустенита в интервале температур от 1147°С (линия ЕС) до 727°С (линия SК). Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита и может быть не виден на микрошлифе как самостоятельная структурная составляющая (рис. 33, а);
б) эвтектические, содержащие 4,3% С. Они состоят из эвтектики – ледебурита, представляющего собой механическую смесь цементита и перлита (рис. 33, б);
в) заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% С. Они состоят из первичного цементита, выделяющегося в виде крупных пластин и ледебурита (рис. 33, в).
а б в
Рис. 33. Структура белого чугуна:
а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического
В микроструктуре белого чугуна содержится много цементита, поэтому он очень тверд и хрупок, но хорошо сопротивляется износу. Он почти не поддается обработке резанием (за исключением абразивного), поэтому белые чугуны не находят непосредственного применения в машиностроении, их используют редко, только для изготовления деталей, работающих в условиях повышенного абразивного изнашивания (детали гидромашин, пескометов и др.). Будучи главным продуктом доменной плавки, этот чугун используется в металлургии для передела в сталь (передельный чугун). В незначительном количестве белый чугун применяется также для получения ковкого чугуна.
Серые чугуны.Серым называется чугун, в котором углерод находится в виде графита, имеющего форму слегка изогнутых пластин или чешуек, или разветвленных розеток с пластинчатыми лепестками. Вследствие большого количества графита в структуре такой чугун в изломе имеет серый цвет.
Содержание углерода в серых чугунах обычно колеблется в пределах 2,5...4%, при этом до 0,83% углерода находится в химически связанном с железом состоянии. Серый чугун помимо железа и углерода содержит также кремний, марганец, серу, фосфор и т.д.
Кремний способствует процессу графитизации, уменьшает усадку, кремний входит в состав феррита, образуя с α-железом твердый раствор замещения.
Марганец увеличивает склонность чугуна к сохранению цементита, а, следовательно, и увеличивает твердость чугуна.
Сера – вредная примесь чугунов, она повышает их твердость и хрупкость в 5–6 раз больше, чем Mn и значительно ухудшает литейные свойства.
Фосфор в небольших количествах в чугунах является полезной примесью (в отличие от сталей), улучшает литейные свойства серого чугуна, так как фосфор образует эвтектику Fe + Fe2P, плавящуюся при температуре 983°С, что ценно для производства тонкостенного литья. Химический состав серых чугунов: 2,5…4% С; 1,0…4,8% Si; 0,5…0,7% Mn; до 0,12% S; 0,2…0,5% P.
По структуре металлической основы серые чугуны подразделяют в основном на следующие группы:
1. Перлитные. Структура П + ПГ (пластинчатый графит), металлическая основа – П, а количество связанного углерода (Fe3C) равно эвтектоидной концентрации 0,8% (рис. 34, а).
2. Ферритно-перлитные. Структура Ф + П + ПГ, металлическая основа их состоит из Ф + П, а количество Fe3C меньше эвтектоидной концентрации (рис. 34, б).
3. Ферритные. Структура Ф + ПГ. Основа их состоит из Ф, а Fe3C = 0 (рис. 34, в).
а б в
Рис. 34. Структура серого чугуна:
а – перлитного; б – ферритно-перлитного; в – ферритного
Механические свойства чугуна зависит от свойства металлической основы, количества и размеров графитных включений. При конструировании деталей машин следует учитывать, что серые чугуны работают на сжатие лучше, чем на растяжение. Они мало чувствительны к надрезам при циклическом нагружении, хорошо поглощают колебания при вибрациях, обладают высокими антифрикционными свойствами из-за смазывающей способности графита. Серые чугуны хорошо обрабатываются резанием, дешевы и просты в изготовлении. Наряду с этими положительными свойствами они имеют сравнительно невысокую прочность и чрезвычайно низкую пластичность.
Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, показывающей уменьшенное в 10 раз значение (в мегапаскалях) временного сопротивления при растяжении (см.табл. 8).
Прочность чугуна существенно зависит от толщины стенки отливки. Указанное в марке значение σв соответствует отливкам с толщиной стенки 15 мм. При увеличении толщины стенки от 15 до 150 мм прочность и твердость чугуна уменьшаются почти в два раза.
Графит, ухудшая механические свойства, в то же время придает чугунам ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смягчающее действие и, следовательно, повышает износостойкость чугунов, придает им демпфирующую способность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугунов к дефектам поверхности. Благодаря этому сопротивления усталости чугунных и стальных деталей соизмеримы.
Согласно ГОСТ 1412-85 отливки изготавливают из серого чугуна следующих марок: СЧ10, СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ35. Цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (σв, кгс/мм2). Чугун СЧ10 – ферритный, а начиная с СЧ25 и более – перлитные, промежуточные – ферритно-перлитные.
Из ферритных чугунов изготавливают в основном неответственные детали, к которым предъявляются главным образом требования хорошей обрабатываемости резанием, а не прочности, например, плиты, грузы, корыта, крышки, кожухи и др.
Из ферритно-перлитных чугунов в автомобилестроении изготавливают картеры, тормозные барабаны, крышки, поршни, поршневые кольца, крупные шкивы, зубчатые колеса и др.
Из перлитных – блоки цилиндров, гильзы, маховики и др. В станкостроении серый чугун является основным конструкционным материалом (станины станков, столы и верхние салазки, шпиндельные бабки, колонки, каретки и т.д.). К износостойким относится отбеленный серый чугун (ОЧ), имеющий тонкий поверхностный слой со структурой белого чугуна. Применяется для изготовления отливок прокатных валков, вагонных колёс и т.д.