Теоретическая часть. 1.2.1. Формирование структуры чугунов

1.2.1. Формирование структуры чугунов

Чугунами называются железо-углеродистые сплавы, содержащие углерода более 2, 14 % и имеющие в структуре эвтектическую составляющую (ледебурит). Промышленные чугуны, кроме углерода, содержат другие легирующие элементы. Поэтому промышленный чугун следует рассматривать как многокомпонентный сплав на основе Fe-C-Si с добавками и примесями других элементов. Главной отличительной особенностью структуры чугуна является формирование графито-аустенитной или цементито-аустенитной эвтектики (ледебурита).

Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения - карбида железа Fe₃C), но также в свободном состоянии - в виде графита. При этом форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугуна и их свойства. Повышенная чувствительность процессов формирования структуры чугуна к химическому составу, а также к тепловым условиям кристаллизации и охлаждения отливки в твердом состоянии позволяет эффективно управлять процессом структурообразования и получать различные чугуны с большим разнообразием структуры и свойств.

На рисунке 1.1 в качестве примера приведена схема структурообразования в доэвтектическом чугуне. Линии 1-1 и 2-2 (с крутым наклоном) указывают на высокие скорости охлаждения, пологие линии 2-3, 2-4, 1-3, 1-4 – на замедленное охлаждение. Следовательно, линии 1-1 и 1-1-1 обозначают полностью метастабильный вариант кристаллизации и охлаждения, остальные линии отвечают различным степеням приближения к полностью стабильному варианту 1-2-4.

Штриховыми линиями обозначены варианты замедленного охлаждения метастабильно закристаллизовавшегося (белого) чугуна. В практике литейного производства режим 1-1-1 реализуется при литье тонкостенных деталей в формы с повышенной теплоотводящей способностью (в кокиль) или при ранней выбивке отливки и охлаждении ее на воздухе. В случае полного охлаждения тонкостенной отливки в форме структурообразование идет по схеме 1-1-2 или 1-1-3. В массивных отливках обычно реализуется схема 1-2-3 или 1-2-4 при полном охлаждении отливки в форме.

Для оценки влияния углерода, кремния и других элементов на положении состава сплава относительно эвтектической концентрации используется степень эвтектичности S _Э, которая имеет большое значение для оценки литейных и механических свойств чугуна.

В соответствии с двойной диаграммой состояния Fe-C степень эвтектичности рассчитывается по выражению:

(1.1)

где С – общее содержание углерода в чугуне; С _Е и С _С – концентрации углерода в соответствующих точках диаграммы состояния.

В доэвтектических чугунах S _Э изменяется от 0 до 1, в заэвтектичееких S _Э > 1, а в эвтектических S _Э ≈ 1.

На практике для определения S _Э пользуются более простым выражением (1.2), где S _Э представляет отношение общего содержании углерода в чугуне (без учета концентрации С _Е) к содержанию углерода и эвтектике, с учетом влияния на положение точки С _С концентрации других компонентов в чугуне С_i и коэффициентов интенсивности их влияния k_i:

. (1.2)

Аналогичной по физическому смыслу и назначению является другая характеристика – углеродный эквивалент С _эк, который выражает содержание углерода в чугуне:

С _эк = С +0, 30Si+0, 33P+0, 40S-0, 03Mn (1.3)

В этом выражении коэффициентом эквивалентности перед значениями концентраций элементов служат те же коэффициенты k_iC. Если значение С _эк < 4, 26, то чугун является доэвтектическим, при С _эк> 4, 26 – заэвтектическим.

Для приближенного прогноза структуры и свойств чугуна в зависимости от химического состава (процентное содержание С и Si) и условий охлаждения разработано несколько типов структурных диаграмм.

На рисунке 1.2 приведена структурная диаграмма Н.Г.Гиршовича, которая построена с учетом влияния на графитизацию приведенной толщины стенки отливки R, а также в предположении, что относительное влияние каждого из элементов уменьшается по мере увеличения его концентрации. В качестве уравнения для границ структурных областей, а, следовательно, и для оценки склонности чугуна к графитизации Н.Г. Гиршович предложил гиперболическую зависимость.

К _Г = С (Si+lg R) (1.4)

где К _Г – константа графитизации, принимающая значения в пределах 4, 5-14.

Для получения перлитно-графитной структуры К _Г = 4, 5–6, 0; перлитно-ферритной структуры К _Г = 10–14; ферритной структуры К _Г > 14. Структурная диаграмма позволяет выбрать необходимый химический состав чугуна (по углероду и кремнию) для получения заданной структуры, а также прогнозировать структуру в различных сечениях отливки.

 

Рис.1.1. Диаграмма структурообразования в чугунах при различных скоростях охлаждения

 

Рис.1.2. Структурная диаграмма Н.Г. Гиршовича

 

1.2.2. Общая характеристика и классификация чугунов

Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам:

1 По состоянию углерода (свободный или связанный) – белый, половинчатый (отбеленный) и серый чугун.

2 По форме включений графита – серый чугун с пластинчатым графитом (СЧ), чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом (ЧВГ), высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ), ковкий чугун с хлопьевидным графитом (КЧ).

3 По типу структуры металлической основы (матрицы) –ферритный, перлитный, бейнитный, мартенситный и аустенитный чугуны; имеются также чугуны со смешанной структурой: ферритно-перлитные и перлитно-карбидные.

4 По химическому составу – малолегированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения). В чугунах используется приблизительно тот же комплекс легирующих элементов, что и в стали (Cr, Ni, Al, Mo, V и т.д.).

Белыми называют чугуны, в которых почти весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита.

Структура белого доэвтектического чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цементита. Ледебуритная составляющая представляет собой светлые цементитные поля с равномерно расположенными на них темными перлитными участками. Перлит образует темные зерна, вторичный же цементит частично виден в виде светлых выделений по границам перлитных зерен, а частично сливается с цементитом ледебурита (рис. 1.3).

 

Рис.1.3. Структура белого доэвтектического чугуна,

содержание углерода 3 %

 

Эвтектический белый чугун имеет в своей структуре только один ледебурит (рис.1.4).

 

Рис.1.4. Структура белого эвтектического чугуна,

содержание углерода 4, 3 %

 

Структура белого заэвтектического чугуна состоит из ледебурита и крупных продолговатых кристаллов первичного цементита, выделившихся из жидкого раствора (рис. 1.5).

 

 

Рис.1.5. Структура белого заэвтектического чугуна,

содержание углерода 5 %

 

Из-за присутствия в белых чугунах большого количества цементита, они очень тверды и хрупки и для изготовления деталей машин не используются. Белый заэвтектический чугун идет в переплавку, а доэвтектический перерабатывается специальной термической обработкой на ковкий.

Находит применение так называемый отбеленный чугун – серый чугун с тонким слоем белого чугуна на поверхности. Такой чугун обладает высокой поверхностной твердостью и износостойкостью и используется для изготовления трущихся изделий (прокатные валки, лемехи плугов, шары мельниц, билы дробилок и т.п.).

Серыми называют чугуны, в которых почти весь углерод находится в свободной равновесной форме (в виде графита). Являясь неметаллической составляющей, графит виден и на полированной нетравленной поверхности шлифа (рис. 1.6).

 

 

Рис.1.6. Структура серого чугуна с пластинчатой формой графита

(увеличение × 100)

Поэтому оценка отливок серого чугуна по графитовым включениям производится на образцах, не подвергающихся травлению.

Фактором, обусловливающим получение при кристаллизации серого чугуна, т.е. способствующим графитизации – выделению углерода в равновесном состоянии, является, прежде всего, очень малая скорость охлаждения.

Большое влияние на процесс графитизации оказывает так же химический состав чугуна. Элементами, способствующими графитизации являются С, Si, Ni, Сu и др., к отбеливающим элементам, препятствующим процессу графитизации, относятся Mn, S, Cr, W (и другие карбидообразующие элементы).

Практически наиболее важными элементами, всегда входящими в состав чугунов, являются кремний и марганец. Изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном содержании марганца, получают различное количество углерода в свободном виде, т.е. различную степень графитизации.

Степень графитизации определяет характер металлической основы чугуна. В зависимости от того, какая часть углерода содержится в чугуне в связанном состоянии, различают чугуны с ферритной, ферритно-перлитной и перлитной основой.

Следовательно, серый чугун может иметь структуру:

1. Феррит+графит – углерода в связанном состоянии практически нет, он весь выделился в виде графита (рис.1.7);

 

 

Рис.1.7. Ферритный серый чугун (увеличение × 100)

 

2. Феррит+перлит+графит – структура основы аналогична структуре доэвтектоидной стали, следовательно, в таком чугуне количество связанного углерода отвечает доэвтектической концентрации (рис.1, 8);

 

 

Рис.1.8. Ферритно-перлитный серый чугун (увеличение × 250)

 

3. Перлит+графит – количество связанного углерода соответствует эвтектоидному составу (рис. 1.9).

 

 

Рис.1.9. Перлитный серый чугун (увеличение × 250)

 

Первым структурным фактором, влияющим на свойства серого чугуна, является характер графитовых включений. Чем мельче графитовые пластины и чем больше они изолированы друг от друга, тем выше прочностные свойства чугуна при одной и той же металлической основе.

Еще более высокими механическими свойствами обладает чугун, в котором графит имеет не пластинчатую, а шаровидную форму (рис.1.10).

 

 

Рис.1.10. Высокопрочный серый чугун (увеличение × 100)

 

Отличительной особенностью ВЧ является высокий уровень механических свойств (соответствующий свойствам стали). Высокие свойства обусловлены шаровидной формой графита, который в значительно меньшей степени ослабляет рабочее сечение матрицы и не создает таких надрезов-концентраторов напряжений, как пластинчатый графит.

Вторым структурным фактором, оказывающим влияние на свойства серого чугуна, является характер металлической основы серого чугуна.

Твердость и прочность чугуна повышаются с увеличением в основе количества перлитной составляющей.

Рис.1.11. Схема процессов отжига белого чугуна:

1 – отжиг на ферритный ковкий чугун; 2 – отжиг на перлитный ковкий чугун

 

В серых чугунах встречается также структурная составляющая, называемая фосфидной эвтектикой. Наличие ее обусловлено присутствием в чугуне фосфора. Фосфидная эвтектика улучшает жидкотекучесть чугуна, будучи очень твердой составляющей, она также повышает его твердость и износостойкость. При значительном количестве в структуре чугуна фосфидной эвтектики затрудняется обработка его резанием.

Серый чугун является одним из важнейших машиностроительных материалов, так как характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью, высокой износостойкостью, нечувствительностью к качеству обработки поверхности /надрезам/ и дешевизной.

Ковким чугуном называется чугун, получаемый отжигом доэвтектического белого чугуна.

При отжиге цементит белого чугуна распадается и углерод выделяется в свободной форме в виде хлопьевидных, гнездообразных включений. Эту форму углерода принято называть углеродом отжига.

Получение той или иной структуры ковкого чугуна обусловливается режимом отжига, на рисунке 1.11 приведены две схемы отжига белою чугуна.

Если отжиг проводится но первой схеме (такому отжигу, как правило, подвергают малоуглеродистый чугун С=2, 7–2, 4 %), то при этом распадается весь цементит, имеющийся в белом чугуне на первой стадии графитизации (выдержка при 950°С), распадается в основном эвтектический цементит, на промежуточной стадии – в процессе охлаждения до температуры второй изотермической выдержки – весь или большая часть выделяющегося вторичного цементита, а на второй стадии графитизации при температуре 720–740°С (или при замедленном охлаждении в интервале эвтектоидных температур) – не распавшийся вторичный цементит и цементит перлита, образовавшегося при переходе через эвтектоидный интервал температур. Кремний повышает температуру эвтектоидного превращения, поэтому указанные температуры второй стадии графитизации находятся ниже температур эвтектоидного превращения.

Чугун, получаемый по первой схеме отжига, имеет структуру – феррит+углерод отжига и называется ферритным ковким чугуном (рис.1.12). Он обладает повышенной пластичностью, значительной прочностью, хорошей обрабатываемостью.

 

Рис.1.12. Ковкий чугун (увеличение × 100)

 

Если же отжиг проводится без второй изотермической выдержки, то в этом случае процесс сопровождается разложением только эвтектического и вторичного цементита и получаемый чугун имеет структуру, состоящую из перлита и углерода отжига.

Такой чугун называется перлитным ковким чугуном. Иногда в таком чугуне вокруг углерода отжига наблюдается ферритная оторочка, что объясняется разложением некоторой части цементита перлита.

Перлитный чугун характеризуется меньшей пластичностью, чем ферритный ковкий чугун. Отжигу на перлитный чугун по второй схеме подвергается обычный ваграночный чугун с повышенным содержанием углерода (3, 2 – 3, 6 %). В этом случае для выгорания некоторого количества углерода отжиг проводят в окислительной среде – отливки упаковывают в ящики с железной рудой.

особенно ценным является ковкий чугун со структурой зернистого (сфероизидированного) перлита. Такая структура получается специальной термической обработкой – сфероидизирующим отжигом чугунов, содержащих повышенное количество марганца (0, 8-1 %) или небольшие добавки хрома.

Ковкий чугун со структурой зернистого перлита обладает большой прочностью ( =400-600 МПа) при сравнительно высокой пластичности ( = 4, 0 - 10 %), хорошей обрабатываемостью, повышенными антифрикционными свойствами и более высокой, чем у серого и ферритного ковкого чугунов коррозионной стойкостью.