материаловедение. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Чугуны. Классификация чугунов серые и белые структура, свойства и области применения
 Скачать 0.52 Mb.
|
3% Cr. Министерство образования и науки Российской Федерации ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ «КОЛЛЕДЖ ЦИФРОВЫХ И ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ» РЕФЕРАТ по учебной дисциплине «Материаловедение» на тему: Чугуны. Классификация чугунов: серые и белые; структура, свойства и области применения. Выполнил: студент 1 курса группы 18-11 АТ Рокаль М.В. Проверил: Арефьев Е.А. Тюмень 2019 Содержание Введение..............................................................................................................3 Общая классификация чугунов.........................................................................5 Белый чугун........................................................................................................9 3.1. Виды белых чугунов...................................................................................9 3.2. Структура белых чугунов...........................................................................9 3.3. Свойства белых чугунов...........................................................................11 4. Серый чугун.......................................................................................................13 4.1. Классификация серых чугунов.................................................................13 4.2. Структура серых чугунов..........................................................................13 4.3. Происхождение графита в серых чугунах...............................................15 4.4. Свойства......................................................................................................16 5. Применение чугунов.........................................................................................17 6. Маркировка и расшифровка чугунов..............................................................19 7. Заключение........................................................................................................21 8. Список использованных источников..............................................................22 1. Введение Чугун начали применять много десятилетий назад. Этот материал обладает особыми эксплуатационными характеристиками, которые отличаются от свойственных стали. Производство чугуна, несмотря на появление большого количества различных сплавов, налажено во многих странах. Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2,14% . В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, различают белый, серый, высокопрочный и ковкий чугун. Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используют для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20% всех выплавляемых чугунов используются для изготовления отливок. Строительные и машиностроительные чугуны относятся к литейным сплавам. Широкое распространение отливок из чугуна объясняется его высокими литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью и малой усадкой, что позволяет получать качественные отливки сложной формы даже при малой толщине стенок. Изделия, полученные из чугунных отливок значительно дешевле, чем детали изготовленные обработкой резанием из горячекатанных стальных профилей или из поковок и штамповок. Из-за большого количества цементита белые чугуны очень тверды (НВ 450-550) и хрупки. Поэтому для изготовления деталей машин и элементов конструкций они не используются. В промышленности и строительстве широко применяют серые, высокопрочные и ковкие чугуны, в которых углерод частично или полностью находится в виде графита. Наличие графита в них обеспечивает пониженную твёрдость, хорошую обрабатываемость резанием и высокие антифрикционные свойства благодаря низкому коэффициенту трения. Вместе с тем, включения графита вызывают снижение прочности и пластичности, так как нарушают сплошность металлической основы сплава. Наиболее сильно прочность снижается при растягивающих нагрузках и относительно мало - при сжимающих. 2. Общая классификация чугунов Чугуны представлены в современной технике и строительстве большим числом марок (составов) и классифицируются по следующим основным признакам. 1. По способу производства -на передельный чугун, используемый для передела в сталь, и литейный чугун (для изготовления отливок).К передельным чугунам относят белый чугун, к литейным - серый, высокопрочный и ковкий. 2. По состоянию углерода ( химически связанный или структурно свободный) - на белый, серый и половинчатый чугун; В белом чугуне ( такое название он получил по цвету излома) углерод химически связан с железом в виде цементита (Fe3C). Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и плохой обрабатываемостью резанием. Основная масса белого чугуна идёт на переделку в сталь. В сером чугуне (серый излом) углерод находится в свободном состоянии в виде графитовых включений. Серый чугун отличается от белого меньшей твёрдостью и хрупкостью, а также хорошей обрабатываемостью резанием. Хорошие литейные свойства серого чугуна играют важную роль при получении отливок Половинчатый (отбеленный) чугун занимает промежуточное положение между белыми и серыми чугунами. Углерод содержится в нём частично в свободном состоянии в виде графита и частично в связанном - в виде цементита (более .0,8%). Такой чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита, обладает высокой износостойкостью, но плохо обрабатывается резанием. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки). 3. По Форме графитных включений (рис. 2.1) - на чугун с пластинчатым графитом (серый чугун), чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун), чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун) и чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом.  Рис. 2.1— Классификация графитных включений по форме: а) пластинчатые; 6) хлопьевидные; в) шаровидные; г) вермикулярные. Структура металлической основы не видна, так как шлиф не травлен. 4. По типу структуры металлической основы (рис. 2.2) - на ферритный, перлитный и ферритно-перлитный чугун;  Рис. 2.2— Классификация чугуна по форме графитных включений и структуре металлической основы (схемы структур) 5. По назначению - на конструкционный чугун общего назначения (серый, высокопрочный, ковкий) и чугун со специальными свойствами (антифрикционный, износотойкий коррозионностойкий, жаростойкий, жаропрочный); специальные чугуны являются, как правило, легированными. 6. По химическому составу - на легированный и нелегированный чугун; 7. По технологии получения - на обычный чугун (немодифицированный) и модифицированный чугун. Модифицирование - это введение в расплав чугуна в небольших количествах специальных добавок - модификаторов, которые способствуют измельчению пластинок графита или получению графита в форме шара. В результате модифицирования механические свойства чугуна улучшаются: возрастает прочность, пластичность и вязкость. Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному): либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояния Fe -Fe3C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe3C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe -Г (железо - графит) (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита. На представленных диаграммах ( рис.З) большинство линий не совпадают. В системе Fe -Г графитная эвтектика содержит 4,26% и образуется при 1153° С. Эвтектоидное превращение протекает при 738°С. Пользование диаграммами Fe -Г и Fe -Fe3C принципиально не отличаются друг от друга. Графит образуется только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. При ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого сплава ниже 1147° С происходит образование цементита.  Рис. 2.3 — Диаграмма Fe - C 3. Белый чугун Белый чугун — это разновидность чугуна, которая в своём составе содержит углеродные соединения. В этом сплаве они называются цементитами. Своё название подобный металл получил благодаря характерному белому цвету и блеску, который хорошо виден на изломе. Этот блеск проявляется благодаря тому, что в составе подобного чугуна отсутствуют большие включения графита. В процентном отношении, он составляет не более 0,3%. Поэтому обнаружить его можно только спектральным или химическим анализом. 3.1. Виды белых чугунов Белый чугун состоит из так называемой цементитной эвтектики. В связи с этим его делят на три категории: Доэвтектические. Это такие сплавы, в которых углерод не превышает 4,3% от общего состава. Он получается после полного остывания. В итоге приобретает характерную структуру таких элементов как перлит, вторичный цементит и ледебурит. Эвтектические. У них содержание углерода равняется 4,3%. Заэвтектический белый чугун. Содержание превышает 4,35% и может достигать 6,67%. 3.1. Структура белых чугунов Внутренняя структура белого чугуна представляет собой сплав двух элементов: железа и углерода. Несмотря на высокотемпературное производство в нём сохраняется структура с мелкой зернистостью. Поэтому если надломить деталь из такого металла будет наблюдаться характерный белый цвет. Кроме этого, в структуре доэвтектического сплава, например, твёрдых марок, кроме перлита и вторичного цементита всегда присутствует цементит. Его процентное содержание может приближаться к 100%. Это характерно для эвтектического металла. Для третьего вида структура представляет собой состав из эвтектики (Лп) и первичного цементита. Весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна - перлит, ледебурит и цементит.  Рис. 3.1.1 — Структура белого чугуна Одной из разновидностей подобных сплавов является так называемый отбелённый чугун. Его основу, то есть сердцевину, составляет серый или высокопрочный чугун. Поверхностный слой содержит высокий процент таких элементов, как ледебурит и перлит. Эффекта отбеливания глубиной до 30 мм добиваются, используя метод быстрого охлаждения. В результате поверхностный слой получается из белого цвета, а далее отливка состоит из обыкновенного серого сплава. В зависимости от процентного содержания легированных добавок, различают следующие виды металла: низколегированные (в них содержится легирующих элементов не более 2,5%); среднелегированные (процент подобных элементов достигает 10%); высоколегированные (в них количество легирующих добавок превышает 10%). В качестве легирующих добавок применяют достаточно распространённые элементы. Полученный таким образом легированный белый чугун приобретает новые, заранее заданные свойства. 3.3. Свойства белых чугунов Любой чугунный сплав, с одной стороны, очень прочный, но в то же время обладает достаточной хрупкостью. Поэтому в качестве основных положительных свойств белого чугуна можно выделить: Высокую твёрдость. Это значительно затрудняет обработку деталей, в частности, резанием. Очень высокое удельное сопротивление. Отличную износостойкость. Хорошую стойкость к повышенному тепловому воздействию. Достаточную коррозийную стойкость, в том числе, к различным кислотам. Белые чугуны, с пониженным процентом углерода, обладают большей устойчивостью к высоким температурам. Это свойство используется для снижения количества трещин в отливках. К недостаткам следует отнести: Низкие литейные свойства. Он имеет плохое заполнение отливочных форм. Во время заливки могут образовываться внутренние трещины. Повышенная хрупкость. Плохая обрабатываемость самих отливок и деталей из белого чугуна. Большая усадка, которая может достигать 2%. Низкая стойкость к ударным воздействиям. Ещё одним недостатком является плохая свариваемость. Проблемы в сварке деталей из подобного материала вызваны тем, что в момент сварки происходит образование трещин, как при нагреве, так и при охлаждении. 4. Серый чугун Серый чугун — это сплав железа с углеродом, который при охлаждении металла образуется в виде хлопьевидных или пластинчатых включений. Содержание углерода в сплаве превышает 2,14%, что выше нормальной растворимости. Этим сплав и отличается от стали, в которой углерод полностью растворен и отсутствует в виде отдельных включений, структура которых определяет их как графит. 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. 4.1. Классификация серых чугунов Серые чугуны подразделяют по структуре металлической основы и по размерам, форме и расположению графитных включений. По структуре металлической основы различают серые чугуны:(рис.4.2.1): 1) на ферритной основе (со структурой феррит + графит)); 2) на ферритно-перлитной основе (феррит + перлит + графит); 3) на перлитной основе (перлит + графит). По размерам. Форме и расположению графита различают чугуны с крупными, средними и мелкими графитовыми включениями; с прямолинейными и завихренными включениями; с равномерным, гнездовым и эвтектическим расположением графита 4.2. Структура серых чугунов 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.  Рис. 4.2.1—Структура серых чугунов и схемы их зарисовки. а- перлитный чугун,  ; б- ферритно-перлитный чугун,  ;в- ферритный чугун, .1) на ферритной основе (со структурой феррит + графит)); 2) на ферритно-перлитной основе (феррит + перлит + графит); 3) на перлитной основе (перлит + графит). 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. 4.3.Происхождение графита в серых чугунах Графит является характерной структурной составляющей серых чугунов, наличие его определяет тёмный серый цвет излома. Поэтому этот чугун и получил название серого. Графитизация - это процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твёрдой фазы. Графитизация чугуна и её полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров кристаллизации. Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации. Графит в серых чугунах получается в результате распада цементита, образующегося при затвердевании сплавов по цементитной диаграмме состояния системы РезС - С, а также путём непосредственного выделения из жидкого или твёрдого раствора (аустенита или феррита). При высоких температурах цементит распадается по реакции РезС ->3 Fe + С (графит). Чем выше температура и меньше скорость охлаждения, тем больше образуется графита в чугуне. Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает присутствие в чугуне кремния, который является необходимым компонентом серых чугунов . При одинаковой скорости охлаждения и прочих равных условиях количество образующегося графита тем больше, чем выше в чугунах содержание кремния. 4.4. Свойства серых чугунов 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. 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. 5. Применение Область применения белого чугуна: Этот сплав используют в следующих отраслях: машиностроение, станкостроение, судостроение. Из него производят некоторые элементы бытовых изделий. В машиностроении из него изготавливают: детали грузовых и легковых автомобилей, тракторов, комбайнов и другой сельскохозяйственной техники. Применение легирующих добавок позволяет получать специально заданные свойства. Например, используют при изготовлении плит с различной формой поверхности. Отбелённый чугун имеет достаточно ограниченную область применения. Из него производят детали несложной конфигурации. Например: шары для мельниц, колеса различного назначения, детали для прокатных станов. Широкое применение он получил при производстве деталей таких крупных агрегатов, как гидравлические и формовочные машины, другие промышленные механизмы этого направления. Специфическая особенность их работы заключается в том, что они постоянно подвергаются воздействию абразивного материала. Область применения серых чугунов: Серый чугун широко применяется при литье изделий, для которых важна высокая прочность на сжатие. Это свойство важно, главным образом, при изготовлении литых станин инструментального парка. Применение материала ограничивается повышенной хрупкостью изделий при наличии значительных изгибающих усилий. Ранее широко использовались хорошие литейные свойства материала при изготовлении различных изделий бытового и промышленного назначения. Разнообразная кухонная и бытовая утварь – чугунки, сковороды, утюги, изготовленная литьем при минимальной последующей обработке имела низкую себестоимость и легкость в производстве. В настоящее время при помощи литья изготавливают также высоконагруженные элементы машин, где они не подвергаются изгибающим нагрузкам. Это поршни и цилиндры двигателей внутреннего сгорания. 6. Маркировка чугуна По принятой в Советском Союзе маркировке обозначения марок доменных чугун содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение чугун: П — передельный для кислородно-конверторного и мартеновского промышленности Л — литейный для чугунолитейного промышленности. Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличие от чугуна выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в чугун ЛК5 содержится меньше кремния, чем в чугун ЛК4). Каждая марка чугуна в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки чугун литейного промышленности, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ — серый чугун, ВЧ — высокопрочный, КЧ — ковкий; для антифрикционного чугун в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного чугун указывают его механические свойства. Для серых чугун приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм2), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого чугун цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм2) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных чугун состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав чугун, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся. Условное обозначение химических элементов такое же, как и при обозначении сталей. Пример обозначения легированных чугун: ЧН19ХЗ — чугун, содержащий |