Основные положения. Метастабильная (неустойчивая) структура (сплошные линии диаграммы) получаются при быстром охлаждении чугунов

Метастабильная (неустойчивая) структура (сплошные линии диаграммы) получаются при быстром охлаждении чугунов, стабильная (пунктирные линии) - при медленном охлаждении (рис. 1).

Составляющие метастабильной структуры на диграмме обозначены следующим образом: Л-ледебурит, эвтектика, т.е. механическая смесь А + Ц (Л = А + Ц и содержит 4,3 % С); остальные составляющие - смотри лабораторную работу «Структура сталей».

Рассмотрим охлаждение чугуна с 3,2 % С. При температуре точки 1 начинается выделение из жидкости (Ж) кристаллов А (правый отрезок пр правилу «родился → растёт»); при температуре точки 2 остатки жидкости имеют 4,3% С и превращаются в эвтектику – ледебурит; при температуре точки 2 структура чугуна аустенит + ледебурит и аустенит теряет углерод по линии ES. В точке 4 А имеет 0,8% С, следовательно, пойдет превращение при 727º С А_0,8%С → П, и ниже точки 4 структура будет П + Л_п.

Рассмотрим нагревание чугуна с 5% С. При нагреве до точки 4 (727ºС) П → А_0,8%С (см. 4 – 4’ на графике нагревания); при температуре точки 4 структура чугуна Ц + Л = Ц + А + Ц, где А «набирает» из Ц углерод по линии SE, и при температуре точки 2 аустенит (А) имеет 2,14% С и начинается расплавление, которое идет при постоянной температуре пока весь Л = А_2,14%С + Ц не расплавится (см. участок 2-2’ на кривой нагревания).

Структуры, обозначенные на диаграмме, имеют так называемые белые чугуны, у которых весь углерод находится в цементите (Fe₃C = карбид железа), вследствие чего они чрезвычайно тверды, хрупки, поэтому применяются редко и не имеют марок и ГОСТа.

Особенность чугуна как конструкцуионного материала и его отличие от стали:

1. Чугун одержитуглерода более 2,14%.
2. Большая часть углерода в чугунах представлена в виде графита.
3. Механические свойства чугунов зависят от структуры металлической основы (ферритная, ферритно-перлитная, перлитная) и формы графита (пластичная, хлопьевидная, шарообразная, вермикулярная).

1. Наличие графита в структуре чугуна улучшает обрабатываемость его резанием (кроме белого чугуна), т. к. образуется ломкая стружка.
2. Чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, т. к. графит обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения.
3. Из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрацию и имеет повышенную циклическую вязкость.
4. Чугун обладает высокой жидкотекучестью, имеет хорошие литейные сво-йства.
5. Изделия из чугуна получают литьём или обработкой заготовки резанием.
6. Детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, переходы в сечениях, отверстия и т. д.).
7. Чугун дешевле стали и производство изделий из чугуна литьём также дешевле изготовления стальных обработкой резанием.

Конструкционные чугуны получают при медленном охлаждении отливок. Для их получения применяют специальные легирующие добавки, или модификаторы.

Если охлаждение чугунов в области температур 1153…1147ºС и 738…727ºС замедлить, то часть цементита, стремясь к более устойчивому состоянию, распадется на железо и углерод (Fe₃C → Fe+C), а углерод в форме хлопьев графита соберется в отдельных местах структуры. Так получают конструкционные чугуны, которые называются ковкими (название условное, потому что после отжига чугуны приобретают некоторую пластичность). Ковкие чугуны получают длительным отжигом (от 0,3 до 120 часов) отливок из белого чугуна с выдержкой в интервале температур 950…970ºС и 720…760ºС. Применяют их для отливок небольшого размера (поэтому отливки быстро охлаждаются и получается белый чугун, который длительным отжигом «переводят» в ковкий).

Марки ковких чугунов по ГОСТ 1215-79:

КЧ 30 - 6

s_в = 30 кгс/мм² d = 6%

КЧ 37 - 12

s_в = 37 кгс/мм² d=12 %.

s_в – временное сопротивление, предел прочности на растяжение, прочность на растяжение, кгс/мм²;

d - относительное удлинение, %; показывает, на сколько процентов деталь можно «растянуть» (деформировать), прежде, чем она разорвётся (разрушится).

Отливки большого размера (станины станков, корпуса машин, механизмов, узлов, блоки цилиндров ДВС) остывают медленно, т.е. есть время для превращения (распада цементита) Fe₃C → Fe + C, причем углерод также собирается в отдельных местах структуры в виде пластин графита, а на микрошлифах выглядит как трещины, заполненные графитом. Такие конструкционные чугуны называются серыми.

Марки серых чугунов по ГОСТ 1412-79:

СЧ 10, … СЧ20, … СЧ35, СЧ40, СЧ45, где цифра означает s_в кгс/мм² (прочность на растяжение).

Ответственные детали (коленчатые валы, зубчатые колеса) отливают из высокопрочных конструкционных чугунов, которые получают за счет модифицирования жидкого чугуна магнием, церием и др. При этом углерод, выделившийся от распада цементита, собирается в отдельных местах структуры в виде шаров неправильной формы (глобулей). Такие чугуны являются полноценными заменителями стали, а при работе при переменных циклических нагрузках иногда даже превосходят её.

Марки высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85:

ВЧ 35, ВЧ40, … ВЧ 50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100,

где цифра соответствует s_в, кгс/мм².

Классификация конструкционных чугунов в порядке наибольшего применения выглядит так:

отливки из серого чугуна – 90…95 %;

из ковкого чугуна – 5 – 8 %;

из высокопрочного чугуна – 2 – 4 %.

Таким образом чугуны являются главным литейным материалом нашего времени, к тому же наиболее дешевым.