Изучение структуры чугунов

Цель работы: исследовать структуры белых, серых, ковких и высокопрочных чугунов, изучить особенности этих структур с помощью металлографического микроскопа.

План работы

Начертить диаграмму состояния системы железо—цементит, пунктиром нанести линии диаграммы системы железо - графит.

Выполнить микроструктурный анализ различных видов чугунов и сделать схематические зарисовки.

Изучить принцип маркировки чугунов по ГОСТам, их свойства и области применения.

Пояснения к работе

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. В промышленных чугунах, кроме железа и углерода, содержатся кремний, марганец, сера и фосфор, причем в количествах, больших, чем в обычных сталях.

Чугун обладают лучшими по сравнению со сталью, свойствами (большей жидкотекучестью, меньшей усадкой), они дешевле стали, по уступают по прочности (особенно при растягивающих нагрузках) и пластическим свойствам (в обычных условиях не поддаются ковке).

Углерод в чугуне может быть в связанном состоянии — в виде карбидов и свободном — в виде графитовых включений различной формы (рис. 1). В зависимости от этого различают чугуны:

- белый, в нем весь углерод находится в связанном состоянии виде карбидов, излом чугуна имеет характерный блестящий, белый цвет;

- серый, большая часть углерода в нем находится в свободном состоянии о виде графита, имеющего пластинчатую фирму;

- ковкий, большая часть углерода в этом чугуне находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего хлопьевидную форму (углерод отжига);

Рис. 1 Классификация чугунов по виду изломов

- высокопрочный, в нем большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего шаровидную форму.

Серый, ковкий и высокопрочные чугуны содержат графит, их излом поэтому получается серого цвета и по цвету и излома все перечисленные чугуны можно называть серыми. Структура серого, ковкого и высокопрочного чугунов состоит графитовых включений и металлической основы, которая может быть ферритной, ферритоперлитной и перлитной.

Рис. 2 Диаграмма состояния системы железо—графит

Линия Е'С'F' (1153°С)—линия фазового равновесия Ж↔А, здесь образуется графитная эвтектика.

Линия Р'S'К' (738⁰С)— линия фазового равновесия А↔Ф+Г, здесь образуется графитовый эвтектоид.

Меньшая способность феррита, аустенита и жидкости растворять графит, чем цементит, приводит к тому, что ли­нии Q'Р', S'Е' и С'D' располагаются левее соответству­ющих линий QР, SE и СD.

В интервале температур 1153—138⁰С из аустенита вы­падает вторичный графит, при этом аустенит изменяет свои состав по линии Е'S'.

При температурах, соответствующих линии С'D', кри­сталлизуется первичный графит.

Основными факторами, влияющими на процесс графитизации, являются скорость охлаждения и химический состав чугуна.

Скорость охлаждения. Образование графита из жидко­сти или аустенита при охлаждении происходит в интервале температур между линиями стабильной и метастабильной ди­аграмм, например, температурами 1153 и 1147°С или 738 и 727°С. Интервалы эти составляют всего несколько градусов, следовательно, для того, чтобы как можно дольше жидкость и аустенит находились в этих интервалах (условие графитизации), скорость охлаждения должна быть мала.

Рис. 3 Структурная диаграмма для чугуна: I – белый чугун; IIа – половинчатый;

II – перлитный; IIв – перлитно-ферритный; III – ферритный.

Марганец способствует получению белого чугуна, так как он, являясь хорошим карбидообразующим элементом, образует карбид. Кроме того, марганец может растворяться и цементите, образуя легированный цементит (Fе·Мn)₃С, обладающий большой устойчивостью.

Сера способствует отбеливанию чугуна. Ее отбеливающее влияние в 5—6 раз больше, чем марганца. Так как сера склонна к ликвации, то в местах ее скопления появляются твердые пятна.

Фосфор на процесс графитизации заметного влияния не оказывает.

Образование графита может происходить не только при кристаллизации из жидкости или аустенита. Возможен идругой способ – в результате распада цементита. Цементит – неустойчивое соединение и при невысоких температурах может распадаться.

При температурах ниже липни Р'S'К' распад происходит по реакции Ц→Ф+Гр, а при температурах выше линии Р'S'К' распад сопровождается образованием следующих фаз:

Ц→А+Гр

И первом случае хотя процесс протекает медленнее, не заканчивается полной графитизацией (количеством растворенного в феррите углерода можно пренебречь), во втором —процесс идет быстрее, поскольку температуры выше, но не приводит к полной графитизации, так как часть углерода остается растворенной в аустените.

Микроструктура чугунов

Белый чугун. Микроструктурный анализ белых чугунов проводят, используя метастабильную диаграмму состояния системы железо—углерод.

Белый чугун делится на:

- доэвтектический (содержание углерода 2,14 - 4,3%), состоит из перлита, ледебурита превращенного и цементита вто­ричного, который может кристаллизоваться топкими плас­тинками или зернами;

- эвтектический (содержание углерода 4,3%), состоит из одной структур­ной составляющей—ледебурита превращенного;

- заэвтектический (со­держание 4,3 – 6,67%), содержит де структурные составляющие – цементит первичный и ледебурит превращенный. Кристаллы цементита первичного имеют форму плоских дендритов.

Рис. 4 Белый чугун

Серый чугун. Микроструктурный анализ серых чугунов проводят, используя стабильную диаграмму состояния системы железо — углерод (с пунктирными линиями).

Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы. В зависимости от полноты графитизации может быть:

— серый ферритный чугун (графитизация прошла полностью) (рис. 4,а);

— серый перлитный чугун (эвтектоидный распад пита прошел в соответствии не со стабильной, а метастабильной диаграммой) (рис. 4,б);

— серый ферритно-перлитный чугун (аустенит при эвтектоидной реакции частично распадается с образованном графита, а частично—с образованием перлита) (рис. 4,в).

а) б) в)

Рис. 5 Серый чугун

Ковкий чугун. Ковкий чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна. Процесс отжига основан на том, что вместо неустойчивого цементита белого чугуна при по­вышенных температурах образуется графит. Образование графита происходит не только при прямом разложении це­ментита. Графитизация идет также путем растворения це­ментита в аустените и одновременного выделения из аустенита более стабильного графита.

Образующийся графит приобретает компактную, почти равноосную хлопьевидную форму с рваными краями. Сте­пень графитизации зависит от температуры отжига белого чугуна, его состава, времени выдержки и других факторов.

В зависимости от полноты графитизации могут образовываться те же пяти основных типа структур, что и в сером:

— ковкий ферритный чугун (рис. 5,а);

— серый перлитный чугун ((рис. 5,б);

— серый ферритно-перлитный чугун (рис. 5,в).

а) б) в)

Рис. 5 Ковкий чугун

Белый чугун, отжигаемый на ковкий, имеет состав: 2,5-3,0% С; 0,8-1,5% Si, 10% Mn, до 0,2% S и до 0,18% Р.

Примерный график отжига белого чугуна представлен на рис. 6.

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают путем модифицирования жидкого расплава щелочными или, щелочноземельными металлами. Чаще для этого применяют магний в количестве 0,03—0,07%. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

Рис. 6 График отжига белого чугуна

Под действием модификаторов графит в процессе кристаллизации принимает шаровидную форму. Такой графит, называемый глобулярным, значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, чем графит крабовидный.

Особенности образования графитных включений шаро­видной формы (при эвтектической кристаллизации, аустенит, отлагаясь в виде оболочек на сферолитах графита, изолиру­ет их от жидкой фазы) обеспечивают малую скорость их роста при непрерывном зарождении новых центров кристаллизации. Поэтому модифицированный магнием чугун содержит большое количество мелких включений графита.

Высокопрочные чугуны по микроструктуре металлической основы подразделяют па ферритный, перлитный и феррито - перлитный (рис. 7, а, б).

а) б)

Рис. 7 Высокопрочный чугун

Маркировка чугуна

Маркировка серого чугуна определена ГОСТ 1412–85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки». Согласно стандарта, такой чугун маркируется буквами «СЧ» и двумя цифрами, которые показывают минимально допустимое временное сопротивление чугуна в кгс/мм² (0,1*Н/мм²). Например, обозначение чугуна СЧ 30 означает, что он относится к серым чугунам с пластинчатым графитом и его =300 Н/мм² (30 кгс/мм²). Всего стандартом предусмотрен следующий ряд марок чугунов – от СЧ 10 до СЧ 35.

Высокопрочный чугун маркируют в соответствии с ГОСТ 7293–85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки». Марку высокопрочного чугуна обозначают буквами «ВЧ» и двумя цифрами, которые показывают его минимальное временное сопротивление в кгс/мм². Например, маркировка ВЧ 50 означает, что этот чугун является высокопрочным и его =500 Н/мм² (50 кгс/мм²).

Марки ковкого чугуна определены в ГОСТ 1215–79 «Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия». Он обозначается буквами «КЧ» и двумя группами цифр, которые определяют минимальное временное сопротивление в кгс/мм² и относительное удлинение при растяжении в процентах – КЧ –b. Например, КЧ 37–12 означает, что эта марка ковкого чугуна с =370 Н/мм² (37 кгс/мм²) и относительным удлинением 12 %.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6