Серые чугуны

Белые чугуны

ЧУГУНЫ

Влияние компонентов и примесей на свойства стали

Сталь - многокомпонентный сплав. Избавиться от примесей затруднительно и дорого. Любая сталь состоит из 2-х фаз - Ф и Ц. Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Частицы Ц служат препятствием движению дислокации, а следовательно повышают прочность, твердость и уменьшают пластичность. Повышение содержания углерода повышает температуру порога хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости примерно на 20⁰С). При содержании в стали более 1 - 1,1% С возникает хрупкость в отожженном состоянии.

Кремний и марганец попадают в сталь при раскислении, содержание Si = 0,35 - 0,4 %, Mn = 0,5 - 0,8%. Кремний снижает способность стали к вытяжке, холодной высадке. Поэтому стали, предназначенные для холодной штамповке надо брать с пониженным кремнием.

Сера образует FeS, который в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику (Т = 988⁰С). Располагаясь по границам зерен, она плавится при температурах ковки и штамповки вследствие чего возникает красноломкость. Марганец нейтрализует серу (MnS). Сернистые включения понижают механические свойства. Содержание серы не должно превышать 0,05 - 0,06%.

Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кр. решетку (раствор внедрения), резко снижает пластические и вязкие свойства. Каждый 0,01% фосфора повышают порог хладноломкости на 20 - 25⁰С. Склонен к ликвации.

Азот, водород, кислород. Образуют хрупкие неметаллические включения (оксиды, нитриды) по границам зерен, в результате возрастает хрупкость. Водород охрупчивает сталь.

Тема № 7

В структуре высокоуглеродистых сплавов, кристаллизующихся по метастабильной системе, нет свободного углерода. Излом их светлый, поэтому такие чугуны называются белыми.

Белые чугуны используются главным образом как передельные чугуны.

Доэвтектический белый чугун, содержащий 2,2 - 2,9%С используется для получения ковкого чугуна, эвтектический белый чугун (легкоплавкий; жидкотекучий) - для получения чугунной дроби, заэвтектический - очень твердый и износостойкий - для отливки шаров, шаровых мельниц.

Структурным признаком серого чугуна является обязательное присутствие графита в структуре свободного углерода - графита; который придает излому серый цвет.

Образование из жидкости аустенита и графита и дальнейший распад аустенита на феррит и графит соответствует минимальному значению свободной энергии, т.е. наиболее стабильному равновесию. При медленном охлаждении, когда кристаллизация проходит в интервале температур 1152-1147⁰ термодинамически более выгодно образование графита. В этом случае кристаллизация происходит по стабильной диаграмме.

При медленном охлаждении выделяющийся графит имеет форму слабо разветвленных розеток с пластиновидными лепестками (ведущая фаза). На нем кристаллизуется аустенит, возникает своеобразный бикристалл - аустенитно-графитная колония. Рост графитовых колоний продолжается до полного исчезновения жидкости.

В зависимости от разреза эвтектической колонии плоскостью шлифа графит иногда выглядит в виде хаотических изолированных пластинок (пластинчатый графит).

В результате первичной кристаллизации серого чугуна вне зависимости от содержания в нем углерода образуется структура А + Г. Окончательная структура чугуна формируется при перекристаллизации и не зависит от % С, а определяется условиями охлаждения.

Кристаллизация при различных условиях охлаждения в интервале температур от 1152 до 20⁰ С.

а) Очень медленное охлаждение до 20⁰ С (охлаждение средних отливок в литейной форме или очень крупных отливок на воздухе). Все превращения идут в соответствии со стабильной диаграммой. Выделяющийся углерод диффундирует к уже имеющимся графитным включениям или образует новые. При эвтектоидном превращении также из аустенита выделяется углерод и конечная структура чугуна Ф + Г - серый чугун на ферритной основе. Свойства низкие.

б) До 750-740⁰ С чугун охлаждается медленно (среднее и мелкое литье в литейной форме); а затем быстро (выбивка из формы и охлаждение на воздухе). В этом случае эвтектоидное превращение происходит по метастабильной диаграмме (As→ П) и образуется структура П+Г -серый чугун на перлитной основе. Прочностные свойства удовлетворительные.

в) При тех условиях (случай б) по различным причинам эвтектоидное превращение идет по стабильной и метастабильной диаграммам. В этом случае образуется структура Ф + П + Г - серый чугун на феррито-перлитной основе (графитные включения окружены ферритной оболочкой). Таким образом формируются различные типы чугунов.

Серый чугун обладает низким комплексом механических свойств: низкие прочностные свойства и практически нулевые пластические (главным образом из-за формы графитных включений). Однако этот чугун дешев, обладает высокой жидкотекучестью, малой усадкой, хорошо гасит колебания (высокие демпфирующие свойства).