Сплав железа с углеродом

Сплавы на основе железа и особенно железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – являются важнейшими материалами, применяемыми в промышленности. Для правильного понимания природы свойств разнообразных марок сталей и чугунов, необходимо иметь хорошее представление о диаграмме железо-углерод, разобраться в структурно-фазовом составе. На рис. 2.1 приведена диаграмма состояния Fe-C, на которой одной из важнейших фаз, влияющих на свойства сплавов, указан карбид железа Fe₃C или цементит. Из диаграммы видно, что цементит ведет себя как самостоятельный компонент. Поэтому на диаграмме даны две согласующиеся друг с другом шкалы концентраций: одна показывает содержание углерода, а другая – цементита в процентах. Содержание углерода в цементите – 6,67%. Следовательно, левая ордината показывает содержание чистого железа, а правая – цементита.

Железо может находиться в двух аллотропических формах, которым соответствуют решетки ОЦК и ГЦК. Точки N (1392°С) и G(910°С) соответствуют полиморфному превращению α-Fe↔ γ-Fe. То при сплавлении с углеродом эта температура может понизиться до 727°С линия PSK. Температура плавления железа 1539°С. Температура плавления цементита 1250°С.

Основными фазами и структурными составляющими данной системы, от которых зависят свойства сплавов и их поведение при нагреве, охлаждении и нагружении являются феррит (Ф), аустенит (А) и цементит (Ц).

Рис. 2.1. Диаграмма состояния Fe-C (Fe-Fe₃C)

Аустенит – это фаза, различимая в микроскоп в виде зерен, представляющая собой твердый раствор углерода в γ-Fe. При температуре 1147°С в аустените может раствориться до 2,14% С. При комнатной температуре он иногда в небольших количествах может находиться в закаленной стали. Он очень пластичен δ=40-50%, НВ составляет 1700-2000МПа. При Т=727°С аустенит может содержать только 0,8% С (точка S) и на всех точках линии PSK, аустенит также содержит 0,8% С, находясь в равновесии с сопутствующим ему на участке PS ферритом, а на участке SK – цементитом. Очень важно отметить, что при охлаждении всех сплавов, содержащих аустенит и лежащих ниже и правее линии его насыщения углеродом, точка Е из него вследствие уменьшения растворимости будет выделяться углерод с образованием вторичного цементита - Ц_II в области ниже и правее линии SE. Наибольший интерес при изучении равновесных сплавов при комнатной температуре представляет феррит и цементит. Все сплавы, охватываемые диаграммой Fe-C (Fe-Fe₃C) от 0%С – 0% Fe₃C до 6,67% С (100% Fe₃C), состоят только из этих двух фаз, находящихся в них в разных количественных сочетаниях. При возрастании цементита от 0% до 100%, количество феррита соответственно убывает от 100% до 0%. Соответственно у сплавов будут возрастать свойства, привносимые цементитом и снижаться характеристики, определяемые ферритом. Твердость феррита в зависимости от растворенного в нем углерода и может достигать 800 МПа. Феррит в стали благодаря неизбежно попадающим в нее при выплавке и растворяющимся в нем некоторого количества кремния и марганца имеет более высокую твердость до 1000МПа. Он очень пластичен δ=50%.

Цементит является самой твердой и хрупкой фазой и структурной составляющей в рассматриваемом ряду сплавов, его твердость составляет 8000МПа (второе место после алмаза), а пластичность равна нулю. Следовательно при увеличении углерода в сплаве и возрастании количества твердого и хрупкого цементита и уменьшения доли мягкого и пластичного феррита твердость и прочность сплава должна повышаться, а пластичность и вязкость уменьшаться. Такой широкий диапазон противоречий механических свойств железо-углеродистых сплавов в левой части высокая пластичность, вязкость и небольшая твердость и огромная твердость с малыми пластичностью и вязкостью – в правой, дали возможность делить сплавы на стали и чугуны.

К сталям формально относятся сплавы содержащие менее 2,14% С, остальные сплавы причисляются к чугунам. Перечисленные ранее входящие в состав сталей и чугунов фазы (аустенит, феррит, цементит), могут находиться в них в виде зерен или мелких продолговатых включений и образовывать структурные составляющие – механические смеси – перлит и ледебурит.

Перлит – механическая смесь тонких пластинок цементита и более толстых пластинок феррита. Он образуется при 727°С, при охлаждении аустенита до 727°С, т.е. линии PSK, приобретает концентрацию 0,8% С, распадается: А_0,8→Ф_0,02+Ц_6,67 (индексы при фазовых составляющих означают содержание в них углерода). Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важную роль в формировании их свойств.

Ледебурит – механическая смесь одновременно кристаллизующихся из жидкой фазы зерен аустенита и цементита при постоянной температуре 1147°С, такая смесь называется эвтектической. Ледебурит содержит 4,3% С, т.е. при охлаждении жидкой фазы до Т=1147°С (линии ECF) и снижении углерода до 4,3% С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита:

Ж_4,3→А_2,14+Ц_6,67

При понижении температуры до 727°С растворимость углерода в аустените снижается по линии ES до 0,8% и аустенит превращается в перлит. На диаграмме ледебурит с аустенитом обозначен Л_А, а с перлитом Л_П.

2.2. Выплавка чугуна

Чугун получают из железных руд (железо в руде находится в виде оксидов Fe₂O₃, Fe₃O₄ или FeO) плавильных агрегатах называемых доменными печами (рис. 2.2).

Для восстановления железа в доменную печь загружают топливо (кокс) и флюс (известняк CaCO₃). Кокс служит источником теплоты и восстановителем железа в виде CO, твердого углерода, углеводорода.

Флюс – известняк в сочетании с пустой породой – SiO₂ – образует легкоплавкую смесь с меньшей плотностью, чем у чугуна, скапливается над ним в виде шлака. Но загружаемые в доменную печь руда, кокс и известняк всегда содержат какое-то количество вредных примесей, попадающих в чугун, а из него в сталь в виде сульфидов FeS, FeS₂, фосфидов в виде (FeO)₃P₂О₅, (CaО)₃P₂O₅.

Схема восстановления железа из руды при получении чугуна:

Fe₃O₄→^COFe₂O₃→^COFeO→^CFe+СО

Железо в доменных печах восстанавливается косвенным путем газами СО, Н₂, С₂Н₄ на первых двух ступнях, а на последней ступени взаимодействуют сильно разогретые закись железа и углерод кокса происходит прямое восстановление, образуя губчатое железо. Последнее науглераживается до 4,3%С, образуя легкоплавкую ледебуритную смесь, которая плавится и стекает на дно доменной печи.

Одновременно с восстановлением железа из MnO₂ и SiO₂ восстанавливаются и растворяются в жидком чугуне марганец и кремний:

MnO₂→^COMn₂O₃→^COMn₃O₄→^CMn+СО

Si0₂+2C+Fe=FeSi+2CO

В образующемся жидком чугуне растворяются также сера и фосфор, образуя сульфиды железа, сульфиды марганца, фосфиды железа, силикаты железа. Все эти примеси при переплавке чугуна переходят в сталь.

Следовательно, сущность производства чугуна заключается в восстановлении железа из его химических соединений при температуре С, СО, Н₂, С₂Н₄. и насыщение его углеродом и восстановленными примесями в результате получается чугун.

Чугун периодически через 3-4 часа выпускается из доменной печи в ковш. По назначению выплавляется два вида чугуна: литейный для получения отливок и передельный для получения стали.

Рис. 2.2. а - схема устройства доменной печи: 1 – горн, 2 – камера сгорания, 3 – заплечики, 4 – распар, 5 – шахта, 6 – колошники, 7 – приемная воронка, 8 – засыпной аппарат, 9 – вагонетка, 10 – малый конус, 11 – чаша, 12 – наклонный мост, 13 – большой конус, 14 – фурменные устройства, 15 – лещадь, 16 – шлаковая летка, 17 чугунная летка; б - схема устройства воздухонагревателя: 1 – горелка, 2 – камера сгорания, 3 – огнеупорная кладка, 4 – насадка.

2.3. Чугуны

Железоуглеродистые сплавы в правой части диаграммы – рис. 2.1. Чугуны являются двухкомпонентными белыми чугунами, в которых весь углерод связан с железом в цементит. В реально получаемых чугунах определенная часть углерода может находиться в свободном состоянии в виде графита – темного кристаллического вещества с гексагональной кристаллической решеткой. Поэтому, чугуны принято делить на белые и серые. Белые имеют светлый излом в виду отсутствия графита и серые чугуны, имеющие темный излом из-за графита.

Графитными включениями можно управлять, придавая чугуну те или иные механические свойства в зависимости от формы и размеров этих включений.

В серых чугунах (СЧ) графитные включения имеют форму пластинок. Такой чугун является с готовыми концентраторами напряжений. Чем больше пластинок графита и чем они крупнее, тем ниже прочность серого чугуна. Серые чугуны по металлической массе бывают ферритные (феррит + графит), феррито-перлитные (феррит+графит+ перлит) и перлитные (перлит+графит). Металлическая масса в серых чугунах зависит от скорости охлаждения и наличия модификаторов.

Серый чугун маркируется буквами С – серый и Ч – чугун (ГОСТ 1412-85). После букв следуют цифры, указывающие минимальные значения временного сопротивления 10^-1 МПа (кгс/м²)

Ферритные, феррито-перлитные чугуны (СЧ10, СЧ15, СЧ18) σ_в=100-180МПа (10-18кгс/мм²). Эти чугуны применяют для изготовления малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки сжатия, колонны, фундаментные плиты.

Перлитные чугуны (СЧ21, СЧ24, СЧ25,СЧ30, СЧ35) применяют для изготовления ответственных отливок (станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей работающих на износ в условиях больших давлений компрессоров, дизельных цилиндров, блоков двигателей и т.д.).

Структура этих чугунов – мелкопластинчатый перлит (сорбит).

Высокопрочный чугун (ВЧ). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают путем модифицирования серого чугуна магнием (0,03-0,07%) или магниевых лигатур с никелем 8-10%.

Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шарообразную форму, что придает чугуну более высокие свойства, не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасит вибрации, износостойкость. Высокопрочный чугун маркируется ВЧ, затем цифры. Первые цифры марки чугуна показывают временное сопротивление (10^-1Мпа, кгс/мм²), а вторые относительное удлинение (в %). Чугуны ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4, ВЧ120-4 имеют перлитную металлическую основу; чугун ВЧ45-5 – перлитно-ферритную основу; чугун ВЧ37-17, ВЧ42-12 – ферритную основу. По ГОСТ 7293-85 высокопрочный чугун маркируется только первой цифрой, указывающей величину временного сопротивления (ВЧ85, ВЧ40 и т.д).

Отливки из высокопрочных чугунов широко используют в автостроении, дизелестроении для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров, деталей прокатных станов; кузнечнопрессового оборудовании (шаботов молотов, траверс прессов), корпусов насосов, вентилей. Для повышения механических свойств (пластичности, вязкости) и снятия остаточных напряжений отливки из ВЧ подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску).

Ковкий чугун (КЧ). Ковкий чугун получают длительным (70-80ч) графитизирующим отжигом при высоких температурах (950-970°С) отливок из белого чугуна, что способствует образованию графита хлопьевидной формы. Металлическая основа ковкого чугуна: ферритный КЧ и перлитный КЧ. Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун. Толщина стенок отливки не должна превышать 40-50 мм.

Отжиг белого чугуна проводят в две стадии: нагрев до 950-970°С и выдержка для протекания первой стадии графитизации, т.е. распад цементита, входящего в состав ледебурита (А+Fe₃C_I) и получим А+графит (рис. 2.3). В результате распада цементита диффузионным путем образуется хлопьевидный графит (углерод отжиг).

Рис. 2.3. Схемы отжига ковкого чугуна.

Затем отливки охлаждают до температуры эвтектоидного превращения. В результате охлаждения до температур эвтектоидного превращения из аустенита выделяется вторичный цементит и его распад, что приводит к росту графитных включений. В эвтектоидном температурном интервале охлаждения резко замедляют и дают выдержку для протекания II стадии графитизации при распаде аустенита с образованием ферритно-графитной структуры. Излом ферритного КЧ бархатисто-черный вследствие большого количества графита. Если не проводить выдержку ниже эвтектоидной температуры и не снижать скорость охлаждения, то образуется перлитный ковкий чугун (П+Г), имеющий светлый сталистый излом.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами (ГОСТ1215-85) первые две цифры указывают временное сопротивление (в 10^-1МПа, кгс/мм²), второе – относительное удлинение (в %).

Ферритные ковкие чугуны. КЧ37-12 и КЧ35-10 используют для изготовления деталей, эксплуатируемых при высоких динамических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки), а КЧ30-6 и КЧ33-8 – для менее ответственных деталей (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфты и т.д.).

Перлитные ковкие чугуны. КЧ50-5, КЧ55-4 обладают высокой прочностью, удельной пластичностью, хорошей износостойкостью из него изготовляют вилки карданных валов, звенья и ролики цепных конвейеров, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д. Для повышения твердости, износостойкости и прочности ковкого чугуна применяют нормализацию при 800-850°С, или закалку от 850-900°С и отпуск при 450-700°С. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита.