Вивчення мікроструктур Чавунів



 

Мета роботи:Вивчити мікроструктури чавунів, їх маркірування, механічні властивості і галузі застосування.

Вступ

 

По хімічному складу чавун відрізняється від сталі вищим змістом вуглецю і постійних домішок.

Чавунами називаються залізовуглецеві сплави зі змістом вуглецю більш ніж 2,14 %.

Властивості чавуну визначаються його структурою. В порівнянні зі сталлю чавуни володіють кращими ливарними властивостями, зокрема, нижчими температурами плавлення, і мають меншу усадку, характеризуються малою здібністю до пластичної деформації (у звичних умовах не піддаються куванню). Це пояснюється присутністю в структурі чавунів легкоплавкої евтектики. Структура і основні властивості чавунів залежать не тільки від хімічного складу, але і від процесу виплавки, умов охолоджування відливок і режиму термічної обробки.

Залежно від швидкості охолоджування, додаткового легування і подальшої термообробки розрізняють наступні типи чавунів: білі, сірі, високоміцні, ковкі і половинчасті.

Білі  чавуни

 

Свою назву білий чавун одержав по вигляду зламу, який має матово-білий колір, що обумовлено присутністю в структурі великої кількості цементиту.

Білим чавуном називають чавун, у якого весь вуглець знаходиться в хімічно зв'язаному стані у вигляді цементиту – Fe3C.

Рисунок 1 – Диаграма Fe – C (суцільні лінії – метастабільна діаграма (утворення цементиту), штрихові – стабільна діаграма (утворення графіту)
4
Р+Гр
 
Одержують його при швидкому охолоджуванні з рідкого стану. Структура білих чавунів визначається метастабільною діаграмою Fe – Fe3C (рис. 1). В їх структурі при кімнатній температурі присутня евтектика – ледебурит, яка дозволяє мікроскопічно відрізняти білі чавуни від вуглецевих сталей

Ледебурит – евтектична суміш, що утворюється при температурі 1147 0С. з рідини, що містить 4.3 % С. В інтервалі від 1147 до

727 0С ледебурит складається з аустеніту і цементиту, а при температурі нижче 727 0С з перліту і цементиту.

Відповідно до діаграми Fe – Fe3C білі чавуни діляться на доевтектичні, що містять

 

вуглецю від 2,14 до 4,3 % С; евтектичні, із змістом вуглецю 4,3 %; заевтектичні, вміст вуглецю в яких від 4,3 до 6,67 %. Мікроструктура білого доевтектичного чавуну при кімнатній температурі приведена на рисунку 2.

Мікроструктура складається з перліту, вторинного цементиту і ледебуриту (рис.2 а). Евтектичний білий чавун складається з одного ледебуриту (рис. 2 б). Заевтектичний білий чавун має структуру, що складається з ледебуриту і цементиту первинного (рис. 2 в).

Білі чавуни характеризуються високою крихкістю, мають високу твердість (практично не піддаються обробці різальним інструментом) і не використовуються як конструкційний матеріал. Вони звичайно йдуть на переділ в сталь або використовуються для отримання ковкого чавуну.

Залежно від призначення переробний чавун виплавляють різних марок:П1 і П2 – для сталеливарного виробництва; ПЛ1 і ПЛ2 – для литва відливань. Виходячи із змісту домішок, розрізняють переробний фосфорний чавун ПФ1, ПФ2 і ПФЗ і високоякісний – ПВК1, ПВК2 і ПВКЗ. Цифра в марці передільного чавуну дана для умовної нумерації; хімічний склад приведений в ГОСТ 805 – 80; переробний чавун поставляють у чушках.

Сірий чавун

Сірі чавуни одержали таку назву по вигляду зламу, який має сірий колір.

Відмінною ознакою цих чавунів є присутність в структурі вільного вуглецю у вигляді графіту (рис 3 а). Виділенню вуглецю сприяють такі елементи, як кремній, нікель, алюміній. Необхідно знати, що одержують сірі чавуни шляхом повільного охолоджування при кристалізації по стабільній діаграмі (пунктирні лінії, рис. 1). Графіт, що утворюється з рідкої фази, росте з одного центру і, розростаючись у різні боки, набуває форму сильно викривлених пелюсток (рис. 3 б). В площині шліфа графіт має вид прямолінійних або скривлених пластинок, які є різними перетинами графітних пелюсток.

Чавун, в структурі якого відсутній евтектичний цементит, а включення графіту мають форму пластинок, називають сірим.

 

 

 



Залежно від швидкості охолоджування металева основа сірих чавунів може бути феритна, ферито-перлітна, перлітна (рис. 4).

 

При повільному охолоджуванні і великій кількості графітообразуючих елементів утворюється феритний сірий чавун (рис.5 а). В цьому випадку весь вуглець знаходиться у вигляді графіту.

Деяке збільшення швидкості охолоджування або наявність елементів (марганцю, хрому), гальмуючих графітизацію, сприяє утворенню перлітного цементиту. Залежно від кількості перліту, що утворився, може бути ферито-перлітний чавун (рис. 5 б) або перлітний

(рис 5 в).


а – феритний сірий чавун; б – ферито-перлітний чавун;

в – перлітний чавун

Графітні включення в сірому чавуні можна розглядати як тріщини, пори, що порушують цілісність металевої матриці. Чим більше графіту в структурі чавуну, тим нижче його якість. Сірий чавун відрізняється низькою пластичністю. Відносне подовження зразків із сірого чавуну на феритній основі при розтягуванні складає 0,3 ¸ 0,8 %, на перлітній – 0,2 ¸ 0,4 %.

Погано сприймає сірий чавун і динамічні навантаження. Разом з тим присутність графітних включень робить сприятливим вплив на ряд інших властивостей чавуну – оброблювання різанням, антифрикційні властивості. Прочностні властивості сірого чавуну залежать від міцності металевої матриці. Сірий чавун рекомендується використовувати переважно для деталей, що працюють на стиснення (станини верстатів, поршні, циліндри і т.д.).

При стисненні чавун витримує значні деформації, і руйнування має характер зрізу під кутом 45°. Руйнуюче навантаження при стисненні, залежно від якості чавуну і його структури, в 3 – 5 разів більше, ніж при розтягуванні. Графіт, порушуючи сплошність металевої основи, робить чавун малочутливим до всіляких зовнішніх концентраторів напруг (дефектам поверхні, надрізам, виточкам і т. п.). Внаслідок цього сірий чавун має приблизно однакову конструктивну міцність у відливках простої форми або з рівною поверхнею, і складної форми з надрізом або погано обробленою поверхнею. Графіт підвищує зносостійкість і антифрикційні властивості чавуну внаслідок власного змащування і підвищення міцності плівки мастила. Дуже важливо, що графіт покращує оброблюваність різанням, робить стружку ламкою.

Маркірують сірі чавуни буквами СЧ і цифрами що від ноповідно ГОСТ 1412 – 85, що характеризують величину тимчасового опору при випробуваннях на розтягування: СЧ 30 (де 30 позначає sв = 300 МПа).

Типовий хімічний склад сірих чавунів: 2,9 ¸ 3,6 % С; 1,1 ¸ 3,5 % Si; 0,6 ¸ 1,2 % Mn; £ 0,3 ¸ 0,6 % P; £ 0,15 % S.

Властивості і області вживання сірих чавунів приведені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Властивості і вживання сірих чавунів

Марка чавуну

Межа міцності, МПа, при

Вживання

розтягуванні вигинанні
СЧ 10 СЧ 12 ~ 100 ~ 120 ~ 260 ~ 300 Деталі невідповідально-го призначення: шківи, кришки, будівельні ко-лони, фундаментні пли-ти
СЧ 15 СЧ 18 ~ 150 ~ 180 ~ 320 ~ 360 Станини верстатів і ме-ханізмів, деталі автомо-білів і тракторів, арма-тура
СЧ 21 СЧ 24 СЧ 28 СЧ 32 СЧ 40 СЧ 45 ~ 210 ~240 ~ 280 ~ 320 ~ 400 ~ 450 ~ 400 ~ 440 ~ 480 ~ 520 ~ 560 ~ 600 Станини могутніх вер-статів; деталі, що пра-цюють на знос: галь-мівні барабани, цилін-дри, поршні, блоки дви-гунів, деталі металур-гійного устаткування

 

Високоміцний чавун

Чавун, в якому графіт має кулясту форму, називається високоміцним. Цей чавун перевищує по механічним властивостям сірий, оскільки кулясті включення графіту в значно меншому ступені ослаблюють металеву основу сплаву, ніж пластинчасті включення.

Високоміцний чавун одержують шляхом додавання в розплав невеликої кількості лужних або лужноземельних металів (магнію, церію), сприяючих утворенню графіту кулястої форми. Чавуни з кулястим графітом мають високі механічні властивості, не поступають ліварній вуглецевій сталі, зберігаючи при цьому добрі ливарні властивості і обробку різанням, здатність гасити вібрації, високу зносостійкість.

Високоміцні чавуни, так само, як і сірі, одержують на феритній, ферито-перлітній, перлітній основах (рис. 6 а, б, в).

Відливки з високоміцного чавуну широко використовують в різних галузях народного господарства: в автобудуванні і дизелебудуванні для колінчатих валів, кришок циліндрів і інших деталей; у важкому машинобудуванні – для багатьох деталей прокатних станів; в ковальсько-пресовому устаткуванні, наприклад, для шабот-молотів, траверс пресів, прокатних валів; в хімічній і нафтовій промисловості – для корпусів насосів, вентилів і т.п.

Маркіруються високоміцні чавуни буквами ВЧ і цифрою, згідно ГОСТ 7293 – 85, що характеризує величину тимчасового опору, наприклад: ВЧ 35 означає sв » 350 МПа.

Типовий хімічний склад високоміцних чавунів: 2,7 ¸ 3,6 % С; 1,6 ¸ 2,7 % Si; 0,5 ¸ 0,6 % Mn; £ 0,10 % P; £ 0,10 % S; 0,03 ¸ 0,07 % Mg.

 

Чавуни ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100, ВЧ 120 мають перлітну металеву основу, чавуни ВЧ 45 – перлітно-феритну і ВЧ 38,

ВЧ 42 – феритну.

а) феритний чавун, б) феритно-перлітний чавун,

в) перлітний чавун

Ковкий чавун

Ковкий чавун одержують тривалим нагрівом при високих температурах (відпалом) відливок з білого чавуну. Така термічна обробка називається графітизуючим відпалом, або томлінням (рис. 7). Вона складається з повільного нагріву до температури 900 ¸ 1050 °С, тривалої витримки в окислювальній атмосфері печі і повільного охолоджування. Тривалість термічної обробки складає близько 70 – 80 годин.

 

 

а – феритний чавун; б – ферито-перлітний чавун

в –перлітний чавун

 

При дії температури і часу цементит у відливках білого чавуну розпадається на графіт (хлопьєвідної форми) і аустеніт.

Чавун, в якому графіт має хлопьєвідну форму, називається ковким. Утворення хлопьєвідного графіту в ковкому чавуні приводить до поліпшення механічних властивостей (підвищується міцність на розтягування, збільшується пластичність і ударна в'язкість).

Залежно від швидкості охолоджування після графітизуючого відпалу ковкий чавун може бути феритний, ферито-перлітний і перлітний (рис. 8 а, б, в).

Ковкий чавун маркірують КЧ і цифрами згідно з

ГОСТ 1215 – 59. Перші дві цифри вказують межу міцності при розтягуванні, а другі – відносне подовження, наприклад, КЧ 35-10 означає, що sв » 350 МПа, d » 10 %.

Типовий хімічний склад білого чавуну відпалюваного на ковкий чавун: 2,5 ¸ 3,0 % С; 0,7 ¸ 1,5 % Si; 0,3 ¸ 1,0 % Mn; £ 0,18 % P; £ 0,12 % S.

Відливки з ковкого чавуну застосовують для деталей, що працюють при ударних і вібраційних навантаженнях. Наприклад, феритні ковкі чавуни КЧ 37-12 і КЧ 35-10 використовують для виготовлення деталей, які використовують при високих динамічних і статичних навантаженнях (картери редукторів, крюки, скоби і т.п.), а КЧ 30 – 6 і

КЧ 33-8 – для виготовлення менш відповідальних деталей (головки, хомутики, гайки, глушники, фланці, муфти і т. д.). Перлітні ковкі чавуни КЧ 50-4, КЧ 56-4, КЧ 60-3 і КЧ 63-2 мають високу міцність, помірну пластичність і добрі антифрикційні властивості. З перлітного ковкого чавуну виготовляють вилки карданних валів, ланки і ролики ланцюгів конвеєра, втулки, муфти, гальмівні колодки і т.п. Ковкий чавун застосовують головним чином для виготовлення тонкостінних деталей на відміну від високоміцного магнієвого чавуну, який використовують для деталей великого перетину.

 

Половинчастий чавун

Вивчаючи структури чавунів, необхідно звернути увагу на те, що у великих відливках можна одержати різну структуру по перетину. На поверхні відливок, де швидкість охолоджування велика, можна одержати структуру, відповідну білим чавунам, а в середині – сірим або високоміцним. Перехідний шар між білими і сірими чавунами може мати в структурі ледебурит, характерний для білого чавуну, і графіт, характерний для сірих чавунів. Такий чавун із структурою ледебурита і графіту називається половинчастим (рис. 9).

 


Відбіл на деяку глибину (12 ¸ 30 мм) є слідством швидкого охолоджування поверхні, що виникає в результаті відливання чавуну в металеві форми (кокіль) або в піщану форму.

Висока твердість поверхні (НВ 400 ¸ 500) обумовлює добру опірність проти зносу, особливо абразивного, тому з відбіленого чавуну виготовляють прокатні валки листових станів, колеса, кулі для млинів і т.п. В цьому випадку застосовують чавун з пониженим вмістом кремнію, який схильний до видбілювання. Його типовий склад: 2,8 ¸ 3,6 % С; 0,5 ¸ 0,8 % Si; 0,4 ¸ 0,6 % Мn.

Різна швидкість охолоджування по перетину і утворення різних структур у відливках створює великі внутрішні напруги, які можуть привести до утворення тріщин. Для зняття напруг відливки піддають термічній обробці, тобто їх нагрівають до 500 ¸ 550 °С і поволі охолоджують до кімнатної температури.

Порядок складання звіту

1. Коротко висловити мету роботи і теорію питання.

2. Накреслити діаграму стану залізовуглецевих сплавів (стабільну).

3. Вивчити мікроструктури чавунів різних типів на шліфах.

4. Схематично замалювати мікроструктури чавунів, вказати стрілками фази і структурні складові.

5. Привести приклади манкіровки, області вживання чавунів.

 

Питання для самоконтролю

1. Які сплави називаються чавунами?

2. Що таке ледебурит?

3. Які типи чавунів ви знаєте?

4. Як одержують білі чавуни?

5. Як діляться білі чавуни відповідно до діаграми стану?

6. Яка структура білих доевтектічних, заевтектичних і

евтектичних чавунів?

7. Як одержують сірі чавуни і як вони класифікуються?

8. Як одержують високоміцні чавуни і в чому їх особливості?

9. Як одержують ковкі чавуни і в чому особливість їх структури?

10. У чому відмінність по структурі між сірими, високоміцними і ковкими чавунами?

11. Як маркіруються високоміцні чавуни?

12. Як маркіруються сірі чавуни?

13. Як маркіруються ковкі чавуни?

14. Чим характеризується структура половинчастих чавунів?

15. Де застосовуються білі, сірі, ковкі і високоміцні чавуни?

Перелік  посилань

1. Гуляев A. П. Металловедение. – М: Металлургия, 1986. – 544 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В. П. - Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. – М.: Металлургия. 1989. – 455 с.

4 Лившиц Б. Г. Металлография. – М.: Металлургия, 1990. - 236 с.

5. Константинов В.В. Материаловедение для гальваников. – М.:

Высш. шк. 1989. – 80 с.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 295; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ