Ковкие чугуны

Федеральное агентство по образованию РФ

Воронежский государственный технический институт

Факультет вечернего  – заочного обучения

Кафедра «Технология  и обеспечение гражданской обороны  в чрезвычайных ситуациях» 

Реферат

по дисциплине «Материаловведение»

Тема: «Ковкие чугуны» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                      Воронеж 2010

Общие сведения о чугуне

Чугун — сплав Fe (основа) с С (обычно 2...4 %), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, Р), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V. А1 и др.); как правило, хрупок.

Фазовая диаграмма стабильного равновесия Fe — С

Фазовая диаграмма состояния Fe — С (стабильная) представлена на рисунке выше (штриховые линии соответствуют выделению графита, а сплошные — цементита). Температуры плавления чугунов значительно ниже (на 300...400 °С), чем у стали.

Углерод в чугуне может находиться в виде цементита, графита или одновременно в виде цементита и графита. Образование  стабильной фазы - графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его  из жидкого (твердого) раствора или  вследствие распада предварительно образовавшегося цементита (при  замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться  разложению РезС —> Fe + ЗС с образованием феррита и графита). Процесс образования в чугуне (стали) графита называют графитизации.

Графит  повышает износостойкость и антифрикционные  свойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения  прочности пленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и  хрупкой составляющей, хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают более чистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей).

Присутствие эвтектики в структуре чугунов  обусловливает его использование  исключительно в качестве литейного  сплава. Высокие литейные свойства при небольшой стоимости обеспечили широкое применение чугунов в  промышленности.

Механические  свойства чугуна обусловлены, главным  образом, количеством и структурными особенностями графитной составляющей. Влияние графитных включений  на механические свойства чугуна можно  оценить количественно (ГОСТ 3443—87). Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень  их изолированности, тем выше прочность  чугуна при одной и той же металлической  основе. Наиболее высокую прочность  обеспечивает шаровидная форма графитной  составляющей, а для хлопьевидной составляющей характерны высокие пластические свойства. Чугун с пластинчатым графитом можно рассматривать как сталь, в который графит играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу.

Применяемые для отливок чугуны имеют в  среднем состав: С — 2...40o,Si—1.5...40o,Mn—0,6...1.250o,P—0,l...l,20o,S<0,060o.

Углерод определяет количество графита в  чугуне: чем выше его содержание, тем больше образуется графита и  тем ниже механические свойства. В  то же время для обеспечения высоких  литейных свойств (хорошей жидкотекучести) должно быть не меньше 2,4 % С.

Кремний оказывает большое влияние на структуру и свойства чугунов, так  как величина температурного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и  графит, зависит от его содержания. Чем больше содержание кремния, тем  шире эвтектический интервал температур. Таким образом, кремний способствует процессу графитизации, действуя в том же направлении, что и замедление скорости охлаждения. Изменяя, с одной стороны, содержание в чугуне углерода и кремния, а с другой — скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы чугуна.

Сера  и марганец являются вредными технологическими примесями, содержание которых в  чугунах ограничивают. Сера ухудшает механические и литейные свойства. И сера, и марганец препятствуют графитизации.

Фосфор  не влияет на графитизацию, а при повышенном (до 0,4...0,5 ° о) содержании повышает износостоикость чугунов, так как образуются твердые включения фосфидной эвтектики.

Самым распространенным видом термообработки чугунов является отжиг отливок  при 430...600 °С для уменьшения литейных напряжений, которые могут вызвать даже коробление фасонных изделий. Нормализация чугуна проводится для аустенизации ферритной и ферритно-перлитной матриц и последующего перлитного превращения, что обеспечивает упрочнение. Закалку чугуна на мартенсит с нагревом до 850...930 °С и охлаждением в воде и масле применяют для повышения прочности и износостойкости.

После закалки проводят низкий отпуск (200 °С) для уменьшения закалочных напряжений или высокий отпуск (600...700 °C для  получения микроструктур сорбита  или зернистого перлита, обеспечивающих повышенную вязкость.

Классификацию чугунов проводят по виду и форме  углеродосо-держащей структурной составляющей, то есть по наличию и форме графита.

По виду структурной составляющей выделяют чугуны без графита — белые  чугуны, в которых практически  весь углерод находится в химически  связанном состоянии в виде цементита. Промежуточное положение занимает половинчатый чугун, большая (« 0,8 %) часть  углерода которого находится в РезС. Структура половинчатого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

Чугуны  с графитом в зависимости от формы  последнего разделяют на серые, ковкие и высокопр очные. Серыми называют чугуны, в структуре которых графит имеет пластинчатую форму. В ковких чу-гунах графит имеет хлопьевидную форму, в высокопрочных чугунах -шаровидную. К числу высокопрочных относят также чугуны с графитом вермикулярной (греч. — червячок) формы, которые по свойствам (ГОСТ 28394—89) занимают промежуточное положение между чугунами с шаровидным и пластинчатым графитом.

Ковкий  чугун

адусированным чугуном называется железный продукт, получаемый прямо из чугуна, посредством продолжительного нагревания его при высокой температуре каления в присутствии какого-нибудь окисляющего вещества, называемого цементом. Разные мелкие предметы сперва отливаются из чистого белого чугуна, а потом прокаливаются в горшках вместе с окисляющим веществом и металл, бывший до этой обработки твердым, хрупким и легкоплавким, приобретает все свойства железа — делается мягким, трудноплавким, способным к обработке и получает известную степень ковкости. Про этот способ первый раз упоминается в литературе Реомюром в 1722 г. откуда видно, что К. чугун был уже в употреблении в XV, XVI и XVII столетиях; потом как-то прекращается и, наконец, в конце XVIII и в начале XIX столетия опять появляется под названием литой стали. В Германии он был введен в 1829 г., во Франции — Elliot'ом в 1836 г., в Бельгии — в 1838 г. С тех пор этот способ начинает все больше и больше развиваться и, благодаря различным улучшениям и усовершенствованиям, К. чугун нашел теперь большое применение в технике. В особенности большую услугу приносит К. чугун в производстве мелких, сложных фигурных изделий, для приготовления которых из стали или железа пришлось бы подвергать их очень трудной и продолжительной обработке. В настоящее время из К. чугуна изготовляют не только мелкие вещи, как, например разные оковки, ключи, замки, крючки, шпоры, подвески, но также и разные части ружейных стволов, швейных машин, колеса, шкивы и проч. Материалом для приготовления К. чугуна служит белый чугун, не заключающий в себе графита. Кроме того, он не должен содержать много марганца, кремния, фосфора и серы. Марганец сильно задерживает обезуглероживание; фосфор уменьшает прочность и способность выделения графита; кремний придает хрупкость и тоже замедляет обезуглероживание. Чугун для отливки предметов не употребляется прямо из домны, но чаще всего переплавляется в тиглях или, в редких случаях, в вагранках. Тигли делаются из огнеупорной глины или из графита, вместимостью от 15 до 30 кг, редко 50 кг. Для расплавления чугуна употребляется самодувный горн, в котором на решетке помещается один или два тигля. Часто таких печей ставится несколько, кругом дымовой трубы, наподобие горнов, употребляемых для переплавки стали. Формы приготовляются из сырого песка. Обыкновенная формовочная земля пригодна для этой цели. Модели могут быть деревянные, но чаще всего употребляются металлические. После заливки, дают время для охлаждения, а потом разгружают формы и очищают предметы от приставшего песка.

Цементным веществом служит чистая железная руда, чаще всего красный железняк или  шпатовая руда в порошкообразном  состоянии, а иногда с примесью окалины  или молотобойны. Процесс адусирования ведется в чугунных сосудах вроде ящиков или тиглей. Эти ящики наполняются попеременными слоями чугуна и порошкообразного цемента, закрываются герметически крышкой и помещаются в печь для медленного нагревания. Сначала печь медленно подогревается до светло-красного каления (около 1000°), на что потребуется от 20 до 30 часов; при этой температуре поддерживают печь от 60 до 80 часов и затем медленно охлаждают в продолжение 30 часов. Печи, в которых совершается адусирование, бывают различной формы, в зависимости от горючего материала и от количества помещаемых зараз горшков. Фигура представляет одну из обыкновенных печей, нагреваемую пламенем.

Пламя из топки проходит отверстиями в  своде, медленно циркулирует между  сосудами и спускается в дымовые  ходы, окружающие печь. Когда ящики  остыли до того, что можно дотронуться  рукой, разгружают ящики, пробуют вещи напилком, сортируют и очищают  щетками или в очистительных  барабанах. Химической стороной процесса, кроме Реомюра, занимались Фуркиньон и Ледебур. Самые интересные опыты были сделаны в этом отношении Фуркиньоном. Для исследования всех изменений, которые претерпевал металл во время отжига, он употреблял разные цементы, а именно: гематит, угольный порошок, железные опилки, известь, костяной пепел, калькотар и, кроме того, отжигал бруски в среде водорода и азота. Определял изменения в пределе упругости, а также и состав металла до и после отжига. После отжига чугунного образца в гематите оказалось:

До отжига                     После отжига

C = 2,94            2,94      C = 1,05        1,94

Гр = следы                    Гр = 0,89

Si = 0,453                       Si = 0,448

Самые интересные результаты получились при  отжиге бруска из этого же чугуна в  угольном порошке.

После отжига

С = 1,53

Гр = 1,02

Si = 0,322

т. е. сумма  углерода немножко уменьшилась, а количество графита сильно увеличилось. Из всех этих опытов можно вывести следующие  заключения: что после отжига сумма  углерода всегда уменьшается, а уменьшение кремния заметно только после продолжительного нагревания; что водород и азот тоже отнимают часть углерода; что К. чугун занимает среднее место между чугуном и сталью; что белый чугун при прокаливании в угольном порошке представляет явления совершенно отличные от тех, которые наблюдаются при прокаливании железа и стали и, наконец, что процесс адусирования дает прямо противоположные результаты цементации и потому часто носит название децементации или обратного цементирования. Кроме того, при адусировании встречается еще та особенность, что кроме уменьшения количества углерода, еще некоторая часть химически соединенного углерода переходит в состояние графита, который, по мнению Фуркиньона, представляет особую разность аморфного графита.

Ковкие  чугуны с хлопьевидной формой графита  получают из белых доэвтектических чугунов, подвергая их специальному графитизирующему отжигу. Графитизирующий отжиг белого чугуна основан на метастабильности цементита и состоит обычно из двух стадий.

Первая  стадия (950...1050 °С) подбирается по длительности такой, чтобы весь цементит, находящийся  в структуре отливки, распался на аустенит и хлопьевидный графит. Процесс  графитообразования облегчается при модифицировании (например, алюминием и бором). Чугун, полученный таким образом, называется модифицированным.

На второй стадии графитизирущего отжига при температуре эвтектоидного превращения формируется металлическая основа ковкого чугуна. В зависимости от режимов охлаждения ковкие чугуны могут иметь перлитную (непрерывное охлаждение), ферритную (очень медленное охлаждение в интервале 760...720 °С или изотермическая выдержка при 720...700 °С) или ферритно-перлитную (сокращение продолжительности второй стадии отжига) металлические основы. Для получения в модифицированном ковком чугуне перлитной основы рекомендуется увеличивать содержание марганца, хрома и некоторых других элементов, которые повышают устойчивость цементита к распаду на феррит и пластинчатый графит в области температур эвтектоидного превращения.

Ковкие  чугуны с перлитной металлической  основой обладают высокими твердостью (235...305 НВ) и прочностью (Ств = 650...800 МПа) в сочетании с небольшой пластичностью (5 = 3,0...1,5 %). Ковкий ферритный чугун характеризуется высокой пластичностью (5 = 10...12 %) и относительно низкой прочностью (Ств = 370...300 МПа).

Существенными недостатками графитизирующего отжига чугунов является длительность (24...60 ч) отжига отливок и ограничение толщины их стенок.

Ковкие  чугуны согласно ГОСТ 1215—79 маркируются  двумя буквами (КЧ — ковкий чугун) и двумя группами цифр. Первые две цифры в обозначении марки соответствуют минимальному пределу прочности при растяжении (7в, МПа / 10, цифры после тире — относительному удлинению при растяжении. Чугуны марок КЧЗО—6, КЧЗЗ—8, КЧ35—10, КЧ37—12, имеющие повышенное значение удлинения при растяжении, относятся к ферритным, а марок КЧ45—7, КЧ50—5, КЧ55—4, КЧ60—3, КЧ65—3, КЧ70—2, КЧ80—1.5 — к перлитным чугунам.

Ковкие  чугуны, обладая высокими пластическими  свойствами, находят применение при  изготовлении разнообразных тонкостенных (до 50 мм) деталей, работающих при ударных  и вибрационных нагрузках, — фланцы, муфты, картеры, ступицы и др. Масса  этих деталей —от нескольких граммов до нескольких тонн.