Классификация чугунов по микроструктуре металлической основы

Микроструктура чугуна

Графит.

Графит в чугуне является кристаллической разновидно­стью углерода, обладающей гексагональной решеткой со слоистым расположением атомов или твердым раствором железа и других элементов на его основе. Под микроскопом графит имеет черный (темный) вид.

Для серого чугуна лучшими являются мелкие, завихренные включения пластинчатого графита (рис.1, а). Крупные и прямо­линейные графитные включения (рис.1,б), разделяющие метал­лическую основу и резко понижающие предел прочности на растя­жение серого чугуна, являются недопустимыми.

Рис 1. Включения плавтинчатого графита до травления; х200

У высокопрочного магниевого чугуна графитные включения имеют шаровидную форму (рис 2, а), а у ковкого — хлопьевид­ную (рис 2, б).

Рис 2. Графитные включения в микроструктуре чугуна до травления:

а-шаровидные в высокопрочном,х200;

б-хлопьевидные в ковком, х500.

Приготовление микрошлифов с графитом в структуре требует особой осторожности, чтобы не вырвать и не вымыть порошкообраз­ного графита. Графит удобнее наблюдать на светлой металлической основе до травления.

Металлическая основа серого чугуна.

После травления микро­структура серого чугуна может оказаться перлитной (фиг. 32, а), отвечающей высокой твердости, износостойкости и вместе с тем удовлетворительной обрабатываемости резанием.

Наличие феррита в металлической основе (фиг. 32, б) снижает механические свойства серого чугуна и особенно его твердость и износостойкость. Ферритная микроструктура серого чугуна (фиг. 33, а)ведет к недопустимо низкой твердости и износостой­кости.

Рис. 3. Серый чугун после травления:

а-перлитно-графитная микроструктура, отвечающая высокой твердости и износостойкости, х1000;

б-перлитно-ферритно-графитная микроструктура, отвечающая пониженной твердости и износостойкости, х 200.

Ферритная микроструктура серого чугуна (рис. 4, а) ведет к недопустимо низкой твердости и износостой­кости. Перлито-цементитная металлическая основа чугуна (рис. 4, б) делает чугун твердым и ухудшает его обрабатываемость режущим инструментом, а крупные выделения цементита вызывают отбел и препятствуют его обработке резанием.

Рис 4. Серый чугун

а- ферритно-графитная микроструктура, отвечающая очень низкой твердости и износостойкости, х500; б- цементитно-перлитно-графитная микроструктура, отвечающая очень плохой обрабатываемости реущим инструментом, х200.

Подобным же образом действуют и выделения фосфидной эвтектики в чугуне, которые очень тверды: тройная фосфидная эвтектика Fe3P— Fe3C— Fе (рис 5., α) и двойная Fe3P— Fe (рис 5,б).

Рис. 5. Фосфидная эвтектика в сером чугуне, отличающаяся износостойкостью, твердостью и хрупкостью, х1000

Микроструктура низкоуглеродистого модифицированного чугуна.

Этот чугун до модифицирования имеет микроструктуру (рис 6, а), состоящую из перлита и цементита. После модифицирования чугуна смесью 75%-ного ферросилиция и алюминия его микроструктура

(рис. 6,б) состоит из мелких завихренных равномерно распреде­ленных графитных включений в перлитной металлической основе.

Рис. 6. Низкоуглеродисый чугун, х200

а- микроструктура до модифицирования-цементит и перлит; б- то же , но после модифицирования ферросилицием — графит и перлит

Микроструктура высокопрочного магниевого чугуна.

Чугун до модифицирования имеет микроструктуру серого чугуна с пластин­чатым графитом (фиг. 36, а). После добавки лигатуры из магния с 75%-ным ферросилицием его макроструктура состоит из перлита и феррита, окружающего шаровидный графит (фиг. 36,6).

Рис 7. Высопрочный чугун с шаровидным графитом, х200

а- микроструктура до модифицирования; б- то же , после модифицирования лигатурой магния с ферросилицием-шаровидный графит, феррит и перлит

Микроструктура ковкого чугуна.

Микроструктура белого чугуна, из которого путем отжига получается ковкий чугун, состоит из пер­лита и отдельных выделений ледебурита и структурно свободного цементита (рис. 8, а). Отжиг при 950° с целью проведения первое стадии графитизации (графитизации структурно- свободного цемен­тита и ледебурита) дает структуру (рис. 8,б), состоящую из хлопьевидного графита, окруженного ферритом, и перлита. Вто­рая стадия графитизации (графитизация цементита, входящего в состав перлита) происходит при 735° и дает структуру (рис. 8, в)„ состоящую из хлопьевидного графита и зерен феррита. Такая струк­тура отличается хорошей пластичностью, высоким удлинением; и вязкостью.

Рис. 8. Ковкий чугун, х250.

а- до отжига ( белый доэвтектический чугун),

б- после отжига ( после первой стадии графитизации),

в- после отжига ( после второй стадии графитизации).

Основные характеристики

Серый чугун лежит в основе черной металлургии, поскольку получается в результате восстановления железных руд при помощи углеродного топлива (кокса). В результате, кроме химической реакции восстановления окислов железа, сплав дополнительно насыщается свободным углеродом.

Высокое содержание углерода в свободном состоянии определяет механические свойства серого чугуна. Одно из основных качеств, которые позволяют использовать серый чугун не только в качестве передельного металла, это его высокие литейные качества и малая усадка при застывании. Расплавленный металл имеет высокую текучесть, поэтому из него можно выполнять отливки сложной формы.

Плиты серого чугуна

Ограничение по использованию изделий из серого чугуна обусловлено тем, что он имеет низкую прочность на изгиб, высокую хрупкость. Вместе с тем прочность серого чугуна на сжатие очень высока.

Несмотря на высокую хрупкость, такая характеристика, как износостойкость чугуна, позволяет использовать его в изделиях, работающих в условиях трения. В данных условиях сильное влияние оказывают антифрикционные свойства сплава.

Наличие большого количества углерода снижает плотность серого чугуна по сравнению с большинством сортов стали и составляет от 6,8 до 7,3 т на м3.

Из-за наличия вкраплений углерода сварка серого чугуна практически невозможна. Существуют технологии сварки при наличии определенных условий. Это предварительный нагрев деталей, использование специальных высокоуглеродистых электродов, но все равно, структура металла шва сильно отличается от основного материала. Свариваемые детали должны медленно охлаждаться для устранения напряжений в зоне шва.

Преимущества и недостатки [ править ]

Серый чугун является обычным техническим сплавом из-за его относительно низкой стоимости и хорошей обрабатываемости , что является результатом того, что графит смазывает рез и разрушает стружку. Он также обладает хорошей стойкостью к истиранию и износу, поскольку чешуйки графита самосмазываются. Графит также придает серому чугуну отличную демпфирующую способность, поскольку он поглощает энергию и преобразует ее в тепло. [3] Серый чугун нельзя обрабатывать (ковку, прессование, прокатку и т. Д.) Даже при температуре.
Относительная демпфирующая способность различных металлов

Серый чугун также испытывает меньшую усадку при затвердевании, чем другие чугуны, не образующие микроструктуры графита. Силикон способствует хорошей коррозионной стойкости и повышенной текучести при литье. [5] Серый чугун обычно считается легко свариваемым. [8] По сравнению с более современными сплавами железа, серый чугун имеет низкий предел прочности и пластичность ; поэтому его ударопрочность и ударопрочность практически отсутствует. [8]

Свойства серого чугуна

Серый чугун

обладает хорошими литейными свойствами (жидкотекучесть, малая объёмная усадка и т.п.) и применяется для изготовления отливок.

Для деталей из серого чугуна

характерна малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжения при циклических нагрузках, высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2-4 раза выше, чем у стали), высокие антифрикционные свойства (наличие графита улучшает условия смазывания при трении).
Перлитный серый чугун
обладает также достаточно высокими прочностными свойствами.

Временное сопротивление (или предел прочности) серого чугуна σв зависит от толщины стенок отливки (рисунок С-2

).

Серый чугун очень хрупок из-за пластинчатой формы графитных включений, которые действуют, как многочисленные надрезы в чугуне. Значения предела прочности серого чугуна: 100 МПа для СЧ 10; 350 МПа для СЧ 35.

Улучшить свойства серого чугуна можно при помощи специальных модификаторов.

Химический состав и структура

В химический состав сплава, кроме железа и углерода, входит также некоторое содержание кремния. Свойства сплава зависят от условий охлаждения, поскольку время изменения температуры влияет на формирование внутренней структуры материала.

При медленном остывании образуются крупные кристаллы железа, и соединения металла с углеродом приобретают перлитную основу. Медленное остывание вызывает рост геометрических размеров не только кристаллов железа, но и включений углерода, поэтому, перлитный металл имеет высокую прочность, но повышенную хрупкость.

Микроструктура серого чугуна

В условиях быстрого охлаждения углерод не успевает сформировать крупные включения графита, поэтому сплав приобретает ферритную структуру.

Ферритный серый чугун имеет несколько меньшую хрупкость, чем перлитный.

Выбирая режим охлаждения литой заготовки, можно определенным образом влиять на итоговые свойства материала, в зависимости от предъявляемых требований.

Классификации [ править ]

В Соединенных Штатах Америки наиболее часто используемой классификацией серого чугуна является международный стандарт ASTM A48 . [2] Серый чугун классифицируется по классам,

которые соответствуют его минимальной прочности на разрыв в тысячах фунтов на квадратный дюйм (ksi); например, серый чугун класса 20 имеет минимальную прочность на разрыв 20 000 фунтов на квадратный дюйм (140 МПа). Класс 20 имеет высокоуглеродный эквивалент и ферритовую матрицу. Серые чугуны повышенной прочности, до класса 40, имеют более низкий углеродный эквивалент и перлитную матрицу. Серый чугун класса выше 40 требует легирования для упрочнения твердого раствора и термообработки.используется для модификации матрицы. Класс 80 — это наивысший доступный класс, но он чрезвычайно хрупкий. [5] ASTM A247 также обычно используется для описания структуры графита. Другие стандарты ASTM , касающиеся серого чугуна, включают ASTM A126 , ASTM A278 и ASTM A319 . [2]

В автомобильной промышленности стандарт SAE International (SAE) SAE J431 используется для обозначения классов

вместо классов. Эти марки являются мерой отношения прочности на разрыв к твердости по Бринеллю . [2] Изменение модуля упругости при растяжении различных марок является отражением процентного содержания графита в материале, поскольку такой материал не имеет ни прочности, ни жесткости, а пространство, занятое графитом, действует как пустота, создавая таким образом губчатый материал. .
Свойства серого чугуна классов ASTM A48 [7]

Свойства серого чугуна марок SAE J431 [7]

Заметки [ править ]

1. ^ a b Смит и Хашеми 2006 , стр. 431.
2. ^ а б в г Швейцер 2003 , стр. 72.
3. ^ a b «Введение в металлургию тормозных роторов из серого чугуна» (PDF) . SAE . Проверено 24 мая 2011 .
4. Смит и Хашеми 2006 , стр. 432.
5. ^ a b c d Degarmo, Black & Kohser 2003 , стр. 77.
6. ДеГармо, Black & Kohser 2003 , стр. 76.
7. ^ a b Schweitzer 2003 , стр. 73.
8. ^ a b Миллер, Марк Р. (2007), Учебное пособие по экзамену на получение лицензии на сварку , McGraw-Hill Professional, стр. 191, ISBN 9780071709972.