Какая форма графита обеспечивает получение наиболее высоких свойств чугуна

В промышленности широкое применение нашли чугуны с графитом. Чугуны — литейные сплавы, их используют для производства отливок. Чугуны обладают хорошей жидкотекучестью, а также малой усадкой за счет наличия в структуре свободного углерода — графита (см. разд. 18.1), температура их затвердевания ниже, чем у сталей.

Процесс образования графита в чугунах называется графитизацией. Образование графита может происходить при его непосредственном выделении из жидкой фазы при очень медленном охлаждении, когда степень переохлаждения не превышает 5 °С (при более быстром охлаждении образуется цементит), или в результате распада цементита при длительных выдержках.

Цементит (Ц) распадается на свободный углерод в виде графита (Г) и твердый раствор углерода в железе:

• при температуре свыше 727 °С — на аустенит (А) и графит (Г):

• при температуре ниже 727 °С — на феррит (Ф) и графит (Г):

В зависимости от формы графитовых включений различают несколько видов чугунов (рис. 13.1, а):

• • серые — графит имеет пластинчатую форму;
• • высокопрочные — форма графита шаровидная (глобулярная);
• • ковкие — графит имеет хлопьевидную форму.

Распад цементита может проходить полностью или частично. При неполном распаде цементита он присутствует в структуре наряду с графитом. В зависимости от количества углерода, связанного в цементите (Ссвяз), меняется структура металлической основы чугуна:

• • при ССВяз до 0,02 % — матрица ферритная. Это чугуны на ферритной основе, их структура феррит + графит;
• • при Ссвяз = 0,8 % структура матрицы —- перлит. Это перлитные чугуны со структурой перлит + графит;
• • при Ссвяз от 0,02 до 0,8 % ферритно-перлитовые — чугуны, со структурой феррит + перлит + графит.

Таким образом, по структурному признаку различают девять видов чугу- нов: три по форме графита — серый, высокопрочный и ковкий, причем каждый из них может иметь ферритную, ферритно-перлитную или перлитную матрицу (рис. 13.1). Твердость и прочность перлита выше, чем феррита. Поэтому наибольшей прочностью и износостойкостью обладают чугуны (с одинаковой формой графита) на перлитной основе, наименьшей — на ферритовой.

Серый чугун получил название по виду излома, имеющего серый цвет. Серые чугуны получают непосредственно литьем. Это доэвтектические чугуны, содержащие 2,4.. .3,8 % углерода, 1.. .4 % кремния (графитизатор), 1,25… 1,4 % марганца (повышает прочность).

Структура металлической основы определяется химическим составом чугуна и скоростью охлаждения отливки (рис. 13.1, б, в). Увеличение в чугуне содержания кремния и углерода способствует более полной графитизации. Аналогично влияние замедленного охлаждения. Графитизация — процесс диффузионный, поэтому он развивается тем полнее, чем дольше отливка находится при высоких температурах, т. е. чем медленнее она охлаждается. Скорость охлаждения отливки определяется ее сечением — чем больше сечение (толщина), тем больше время охлаждения.

Серые чугуны обладают меньшей прочностью, чем ковкие и высокопрочные. Чем крупнее пластинки графита (они играют роль трещин) и менее равномерно они распределены по объему, тем ниже прочность чугуна при растяжении. Минимальной прочностью обладает серый чугун на ферритовой основе. Вместе с тем включения графита не оказывают практического влияния на прочность при сжатии (при сжатии трещины закрываются). Предел прочности при сжатии в 3-5 раз больше, чем при растяжении (примерно такой же, как у низкоуглеродистой стали, например, Ст. 3).

Вместе с тем наличие в структуре свободного графита определяет ряд преимуществ чугуна перед сталью:

• • лучшая обрабатываемость резанием; обеспечивается хорошее стружкоот- деление — стружка при обработке чугуна сыпучая, а не сливная, как у стали;
• • более высокие антифрикционные свойства благодаря смазывающему действию графита;
• • наличие демпфирующих свойств, поскольку графитовые включения гасят вибрации;

Рис. 13.1. Структуры чугунов с графитом: а — по форме графита и металлической основе; б — по химическому составу; в — по скорости охлаждения; I — белый чугун; II — отбеленный чугун;

III — перлитный чугун; VI — перлито-ферритный; V — ферритный

• практически отсутствие чувствительности к поверхностным дефектам (надрезам и т. п.);

Серые чугуны обозначаются буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм2. Например, СЧ20 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 20 кгс/мм2 (200 МПа).

Серые чугуны применяют для изготовления отливок станин, поршней цилиндров, зубчатых колес и др.; ферритные (СЧ10, СЧ15) и ферритно-перлитные (СЧ20, СЧ25), обладающие меньшей прочностью, — для менее нагруженных деталей; перлитные (СЧ30, СЧ35) — для более нагруженных.

Серый чугун с повышенным содержанием фосфора (до 1,6%), обладающий хорошей жидкотекучестью, используют при производстве художественного литья.

Высокопрочный чугун получают при модифицировании магнием или церием перед его заливкой в формы. Под воздействием магния графит приобретает шаровидную (глобулярную) форму. Шаровидная форма графита обеспечивает высокие механические свойства чугуна (прочность на растяжение и пластичность). Это объясняется тем, что шаровидный графит значительно меньше, чем пластинчатый, ослабляет металлическую основу. Среди всех чугунов максимальная прочность у высокопрочного на перлитной основе.

Маркируют чугуны буквами ВЧ — высокопрочный чугун и цифрами, которые указывают предел прочности при растяжении в кгс/мм2. Например, ВЧ60 — высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 60 кгс/мм2 (600 МПа).

Наибольшую прочность имеют чугуны на перлитной основе (ВЧ80, ВЧ60), она снижается у чугунов с ферритно-перлитной основой (ВЧ50, ВЧ45) и минимальна у чугунов с ферритной основой (ВЧ42, ВЧ38).

В целях получения особых свойств (жаростойкости, антифрикционнности, коррозионной стойкости) высокопрочные чугуны легируют хромом, никелем, молибденом, титаном, алюминием.

Высокопрочные чугуны эффективно заменяют сталь. Из них изготавливают валки прокатных станов, коленчатые валы автомобилей и др.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига. Его проводят в две стадии (рис. 13.2), что обеспечивает необходимый распад цементита.

Рис. 13.2. Режим отжига белого чугуна для получения ковкого чугуна

Первая стадия отжига заключается в нагреве отливок до температуры

950… 1000 °С и длительной изотермической выдержке при этой температуре (10… 15 ч). При этом цементит распадется на аустенит и графит (Ц —? А -ь Г). Затем осуществляется медленное охлаждение (5… 12 ч) до температуры, лежащей немного ниже линии PSK (см. рис. 10.1), в процессе которого происходит выделение из аустенита вторичного цементита (линия SE на диаграмме Fe — Fe3C, см. рис. 10.1) и его распад (Ц —» А + Г) с образованием хлопьевидного графита.

Вторая стадия отжига—изотермическая выдержка при температуре немного ниже температуры эвтектоидного превращения в течение 25.. .30 ч. При этом происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит (А —» П[Ф + Ц]) и распад цементита, входящего в перлит, на феррит и графит (Ц —> Ф + Г).

В результате такого отжига, когда распался весь цементит, получают ковкий ферритный чугун (излом бархатисто-черный). При сокращении выдержки на второй стадии графитизация происходит не до конца, и получают ковкий феррито-перлитный чугун, а если исключить вторую стадию, — ковкий перлитный чугун (излом светлый).

Хлопьевидный графит ослабляет металлическую основу в меньшей степени, чем пластинчатый. Отсутствие литейных напряжений, которые полностью устраняются во время отжига, обусловливает высокие механические свойства ковких чугунов. Они, уступая высокопрочным чугунам в прочности, существенно превосходят по прочности серые чугуны, а по пластичности — серые чугуны. Именно благодаря своей высокой (для чугунов) пластичности они получили название — ковкие. Однако, это название является условным. Пластичность ковких чугунов недостаточна для проведения пластической деформации. Ковкие чугуны не куют.

Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ — ковкий чугун и цифрами. Первые цифры это предел прочности при растяжении (кгс/мм2), вторые — относительное удлинение (%). Например: КЧ45-6 означает — ковкий чугун, с пределом прочности при растяжении а„ = 45 кгс/мм2 (450 МПа) и относительным удлинением при испытаниях на растяжение 5 = 6%.

Из ковкого чугуна можно получить заготовки только небольших размеров — толщиной не более 40.. .50 мм. Это связано с тем, что получение крупногабаритных отливок из белого чугуна невозможно (при их замедленном охлаждении будет происходить графитизация), а именно отжигом белого чугуна получают ковкий.

Из ковких чугунов изготавливают детали относительно небольших размеров, работающие при статических и динамических нагрузках (картер заднего моста, чашки дифференциала, тормозные колодки, ступицы колес для автомобилей и др.).

?До получения чугуна с шаровидным графитом процесс формообразования графита представлялся несомненным.
Пластинчатая форма графита в сером чугуне объяснялась ярко выраженной анизотропией свойств кристалла графита, его слоистым строением, а углерод отжига в ковком чугуне – диффузионным процессом.
Появление в 40-х годах тугуна с шаровидным графитом, высокопрочного чугуна, я также технологические трудности его получения потребовали скрупулезного изучения источников, обуславливающих формирование шаровидного графита, что повергло к произведению бесчисленных гипотез и теорий образования шаровидного графита.
В новое время многие исследователи отвернулись от собственных старых убеждений и изменили собственные взгляды.
Этому содействовало накопление экспериментального материала, добытого с поддержкой более сделанного лабораторного оборудования, а также переосмысление ранее подученных результатов.

ВЧ имеет химический, который нельзя отменить составу серых чугунов с более высоким содержанием углевода, но содержит меньше серы и фосфора.
Пластинчатая форма графита в чугуне объясняется тем, что нездоровые примеси, особенно сера и кислород, губительно влияют на рост графита в жидком чугуне.
Обычно графит при росте принимает сферическую форму, но действие примесей подавляет росток кристаллов графита в установленных плоскостях, и они вынуждены расти в виде пластинок.
При получении ВЧ не только поддерживается толстое содержание примесей, но также непосредственно перед разливкой в жидкий чугун добавляются маленькие количества магния или церия.
Сии элементы связывают серу и кислород в жидком чугуне и предотвращают их губительное воздействие на рост графита.
В эффекте графит формируется, приобретая сферическую структуру.

Дислокационная теория была призвана для объяснения источников роста шаровидного графита уже в первые возрасты получения высокопрочного чугуна.
Согласно этой гипотезе роль модифицирования и неизменных элементов состоит в очистке базисных граней кристалла от серы, кислорода и иных поверхностно – энергичных элементов, замедляющих рост спиральных выступов.
Сей подход к объяснению шаровидной формы в основу процессов модифицирования ставит рафинирование сплава от ознакомительно – энергичных элементов и идет из того, что в чистых жедезо – кремний – углеродистых сплавах графит должен кристаллизоваться шаровидной формы.
Приверженцы этих понятий не постоянно разъясняют значимость других феноменов ( процессов ) в формообразовании графита ( почему ведет себя так призменная грань графита и почему образуется поликристалл в виде сферолита, а не цилиндрический монокристалл ).

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или в то же самое время в виде цементита и графита.
Возникновение постоянной фазы – графита в чугуне может происходить в итоге прямого выделения его из слабого ( твердого ) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита ( при замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению РезС — > Fe + ЗС с образованием феррита и графита ).
Процесс формирования в чугуне ( стали ) графита называют графшпизацией.

Чугу?н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).
Обыкновенно, чугун хрупок.

Сплав железа с углеродом ( > 2, 14 % С ) называют чугуном.
При­сутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава.
Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или гра­фита, или в то же самое время в виде цементита и графита.
Цементит придает излому специфический светлый глянец.
Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, именуют бледным.
Графит придает излому чугуна серый тон, поэтому чугун называют бесцветным.
В зависимости от формы графита и обстоятельств его образования различают следующие чугуны : бесцветный, высокопрочный и ковкий.

Чугу?н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ).
Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита.
В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны.
Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ).
Обыкновенно, чугун хрупок.

Выполненный разбор теорий ( предположений ) образования шаровидного графита позволяет сделать заключение о том, что новые из рассмотренных предположений, учитывающих рафинирование в межфазное состояние линий, наиболее полно отвечают на вопросы как теоретического, так и прикладного плана.
Сии же гипотезы могут быть основой для последующих научных разведок и разработок новейших технологий получения чугуна с шаровидным графитом.

Маркировка серых,ковких и высокопрочных чугунов.

Чугунами называются сплавы железа (Fe) с углеродом (С > 2,14%). Кроме того, в состав чугуна входят полезные и вредные примеси (сера и фосфор). Полезные примеси вводятся в чугун специально для улучшения физико-химических свойств и называются легирующими элементами.

Чугуны классифицируют по следующим признакам.

Углерод в чугуне может находится в связанном состоянии в виде карбида, называемого цементитом (Fe3C), а также в частично или полностью свободном состоянии в виде графита. Состояние углерода в чугуне его прочностные свойства.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

серый чугун – углерод находится в частично или полностью свободном состоянии в виде графитовых включений

белый чугун – весь углерод находится в виде цементита Fe3C;

Серый чугун образуется при низких скоростях охлаждения изделия, белый – при высоких.

Графитовые включения имеют следующую форму:

-пластинчатый графит (рис. 28Л, а);

-хлопьевидный графит (рис. 28Л, б);

-шаровидный (глобулярный) графит (рис. 28Л, в);

-вермикулярный графит (рис. 28Л, г)

Графитовые включения являются концентраторами напряжений. Чем острее концентратор напряжений, тем при меньших нагрузках происходит разрушение изделия. Поэтому форма графитовых включений определяет прочность чугуна. Пластины графита обладают острыми краями по сравнению с другими формами графитовых включений. В связи с этим, наименьшей прочностью обладают чугуны с пластинчатой формой графитовых включений, а наибольшей – с шаровидной (глобулярной). Чугуны с хлопьевидным и вермикулярным графитом занимают промежуточное положение.

 а–пластинчатый графит;б- хлопьевидный графит; в- шаровидный (глобулярный) графит; г- вермикулярный графит 

Форма графитовых включений.      

В зависимости от формы графитовых включений различают:

-серые чугуны – чугуны с пластинчатым графитом;

-высокопрочные чугуны – чугуны с шаровидным (глобулярным) графитом;

-чугуны с вермикулярным графитом;

-ковкие чугуны – чугуны с хлопьевидным графитом.

Маркировка чугунов

1. Серый чугун.

Серый чугун получают в домне из руды. Структура серого чугуна формируется при низких скоростях охлаждения. В серых чугунах углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита. Из-за этого излом имеет серый цвет.

Маркировка. Маркируется серый чугун буквами СЧ и цифрами, которые обозначают предел прочности при растяжении (σ в). Например, марка СЧ18 показывает, что чугун этой марки имеет σ в=180 МПа (18 кгс/мм2).

Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка

Область применения : серый чугун обладает высокой способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках ( высокая циклическая вязкость), поэтому из серого чугуна изготавливают станины станков , прокатных станков , шкивы, маховики, корпуса механических редукторов, блоки и гильзы автомобильных и тракторных двигателей, поршневые кольца, корпуса и др.

В высокопрочном чугуне графитовые включения имеют шаровидную форму. Это достигается модифицированием чугуна магнием до 0,5 % от массы чугуна. Шаровидная форма графита не создает резкой концентрации напряжений, поэтому чугун имеет высокую прочность при растяжении и изгибе.

Маркировка. Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, из которых первые две обозначают предел прочности при растяжении, а последние – относительное удлинение в процентах (δ%). Относительное удлинение характеризует пластические свойства материала. Например, марка ВЧ42-12 показывает, что чугун данной марки имеет σв =420 МПа (42 кгс/мм2) и δ = 12 %.

Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка

Область применения : высокопрочные чугуны по своим механическим свойствам приближаются к стали. Из него изготавливают ответственные детали: коленчатые валы двигателей автомобилей и тракторов, шестерни и звездочки, детали турбин, изложницы и.т.д.

3. Чугуны с вермикулярным графитом

Эти чугуны содержат в структуре графит вермикулярной формы и не более 40 % шаровидного графита. Чугуны с вермикулярным графитом получают из серого чугуна в результате его модифицирования магнием (Mg от 0,02 до 0,08 % от массы чугуна) и церием (Се 0,03 до 0,07 % от массы чугуна)

Маркировка. Маркируется чугун с вермикулярным графитом буквами ЧВГ и цифрами, которые обозначают предел прочности при растяжении (σ в). Например, марка ЧВГ30 показывает, что чугун этой марки имеет σ в=300 МПа (30 кгс/мм2).

Литейные свойства: высокая жидкотекучесть и малая усадка

Область применения : чугун с вермикулярным графитом по механическим свойствам занимают промежуточное положение между серым и высокопрочным чугунами. Кроме того, чугуны с вермикулярным графитом отличаются хорошей теплопроводностью, что обеспечивает их стойкость к резким перепадам температур. Из этого чугуна изготавливают детали, работающие в условиях износа и переменных температур.