Лабораторная работа №6
6.1. Цель работы:
Изучить структуру серых, ковких и высокопрочных чугунов и установить связь между составом, свойствами и структурой.
Для этого необходимо:
1. На нетравленых шлифах изучить форму включений.
2. На травленых шлифах изучить структуру матрицы с различной формой графита.
3. Произвести анализ рассмотренных структур, охарактеризовать их свойства и условия получения.
4. Охарактеризовать влияние графитных включений и металлической основы на свойства чугунов.
5. Написать отчет.
6.2. Приборы, материалы и инструмент.
Для работы необходимы:
- металлографический микроскоп ЕС МЕТАМ РВ-23.
- набор микрошлифов серых, высокопрочных и ковких чугунов.
6.3. Краткая теория.
Сплав железа с углеродом и другими элементами, в которых углерода больше 2,14% называется чугуном. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в той и другой форме. От состояния углерода зависят структура и свойства чугуна.
По микроструктуре различаются следующие виды чугунов:
Белые, в которых весь углерод связан с железом в виде цементита.
Серые, в которых большая часть или весь углерод находится в виде графита, имеющего форму пластинок.
Высокопрочные, в которых большая часть или весь углерод находится в виде графита шаровидной формы.
Ковкие, в которых углерод отжига, присутствующий в виде графита, имеет хлопьевидную форму.
Серые чугуны.
Серые чугуны являются самым распространенным материалом в машиностроении благодаря своим свойствам (хорошие литейные свойства, хорошая обрабатываемость резанием, хорошие антифрикционные и демпфирующие свойства, удовлетворительные механические свойства и т.д.) и дешевизне. В изломе серые чугуны имеют серый цвет из-за наличия в структуре свободного графита.
Структура серых чугунов состоит из металлической основы (матрицы) и графитовых включений пластинчатой формы. Поэтому свойства этих чугунов определяются двумя факторами: строением металлической матрицы (феррит, феррит + перлит, перлит) и размерами, формой и распределением графитовых включений.
На величину и расположение включений графита влияют скорость охлаждения, температура и время выдержки расплавленного чугуна перед заливкой, химический состав, наличие примесей и т.д. Чем выше скорость охлаждения отливки в форме, чем больше нагрев жидкого чугуна и чем дольше время выдержки при этом, тем мельче включения графита.
Введение в жидкий чугун модификаторов (ферросилиция, силикокальция и др.) придает чугуну более высокие механические свойства, так как, ведет к измельчению графитовых включений.
Качественно можно оценить влияние графитовых включений на механические свойства серого чугуна следующим образом: чем меньше графитовых включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна при одной и той же металлической матрице.
По строению металлической основы серые чугуны разделяются на:
а) серый перлитный чугун, имеющий структуру перлит + включения графита;
б) серый феррито-перлитный чугун, имеющий структуру феррит + перлит + включения графита;
в) серый ферритный чугун, имеющий структуру феррит + включения графита.
Оценка структуры производится по ГОСТ 3443-77. По этому ГОСТу производится классификация чугуна, как по графиту, так и по структуре матрицы.
Оценка графита производится по четырем показателям: по длине графитовых включений (гГ1…..гГ8), по форме графитовых включений (Гф1…Гф10), по характеру распределения (Гр1….Гр10), по количеству графита (ГО2…..Г12). Рассмотрение в микроскоп графитовых включений производится на нетравленом шлифе. Классификация графитовых включений производится путем сравнения картинки, видимой в микроскоп, с микрофотографиями, приведенными в ГОСТ 3443-77.
Для выявления металлической матрицы, шлифы травятся 4% раствором азотной кислоты в этиловом спирте и рассматриваются в микроскоп при увеличении x 100. Определяется тип структуры, количество перлита и его дисперсность.
Связь между структурой и свойствами чугунов сложнее, чем у стали, так как при одинаковой металлической матрице на механические свойства большое влияние оказывают включения графита, его форма, распределение, количество и размеры.
По структуре металлической матрицы серые чугуны делятся на ферритные, феррито-перлитные и перлитные. В соответствии с этим делением изменяется прочность: от 120 МПа у ферритного до 240 МПа у перлитного чугуна и твердость от 1430 МПа у ферритного до 2550 МПа у перлитного чугуна. Поэтому, наиболее качественные и ответственные отливки изготавливаются из перлитного чугуна (поршни, гильзы, блоки цилиндров, станины станков и т.д.). Еще более высокие показатели прочности и твердости получают при модифицировании чугуна малыми добавками силикокальция и ферросилиция: прочность σв возрастает до 400 МПа, а твёрдость-до НВ 3020 МПа.
По результатам микроанализа составляется таблица результатов (табл. 6.1)
Таблица 6.1.
Таблица микроанализа чугуна.
№ п\п | Графит | Матрица | |||||
Форма | Распределен | Кол-во | Разме ры | Тип структур | Кол-во перлита | Дисперсность перли та | |
1. | ПГф4 | ПГр6 | ПГ4 | ПГэ45 | |||
2. | П+Ф | П(20)Ф(80) | Т | ||||
3. | ШГФ4 | ШГр2 | ШГ10 | Шгэ45 | Ф | ПО | Ф |
4. | П | П | Пт2 |
Высокопрочный чугун.
При выплавке чугуна с присадкой небольшого количества (0,05%)Mg, графит в чугуне получается шаровидной формы. Он значительно меньше ослабляет металлическую матрицу, чем пластинчатый графит. В результате чугун с шаровидным графитом имеет более высокие свойства и по прочности приближается к стали. В некоторых случаях отливки из высокопрочного чугуна заменяют стальное литье и поковки, сохраняя при этом высокие технологические свойства: литейные, обрабатываемость резанием, износостойкость и т.д. Высокопрочный чугун применяется для изготовления ответственных деталей машин: коленчатых и кулачковых валов, траверс прессов, шаботов ковочных молотов, прокатных валков и т.д.
Как и серые, высокопрочные чугуны имеют ферритную, феррито-перлитную и перлитную металлическую матрицу. Структура металлической матрицы у высокопрочных чугунов находится в зависимости от химического состава и скорости охлаждения (толщины стенки) отливки.
Оценка графитовых включений согласно ГОСТ 3442-77 производится по четырем показателям: форме, распределению, количеству и размерам.
Прочность и твердость высокопрочного чугуна увеличивается при изменении структуры металлической матрицы от ферритной σВ = 400 МПа до перлитной σ6 = 600 МПа. С увеличением прочности падает относительное удлинение с 10 % до 2%.
По результатам микроанализа высокопрочного чугуна составляется таблица результатов испытаний, аналогично таблице серого чугуна.
Ковкие чугуны
Ковкие чугуны хорошо сопротивляются ударной и вибрационной нагрузкам, имеют более высокую прочность и пластичность, чем серые чугуны. Ковкий чугун получается длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) белого чугуна. В результате отжига цементит распадается и образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит значительно меньше, чем пластинчатый, снижает прочность и пластичность металлической матрицы. Металлической матрицей ковких чугунов может быть феррит и перлит. У ковкого ферритного чугуна пластичность выше и удлинение может достигать 12% (у серого чугуна δ = 0,5%). Наибольшей прочностью обладают ковкие перлитные чугуны (σВ=550 МПа).
Структура металлической матрицы ковкого чугуна зависит от режимов отжига. При нагреве выше АС1(~1000°С) и выдержке 15-20 часов происходит распад цементита, входящего в состав ледебурита, в результате чего образуется хлопьевидный графит. При быстром охлаждении в эвтектоидном интервале температур аустенит превращается в перлит.
Для получения ферритного ковкого чугуна необходима дополнительная выдержка в интервале (720-760 °С) в течение 30 часов. При этом происходит распад эвтектоидного цементита (цементита перлита). В результате получается структура феррит+хлопьевидный графит.
Из ферритных ковких чугунов изготавливают изделия, работающие при высоких статических и динамических нагрузках (задние мосты, картеры редукторов, ступицы и т.д.). Из перлитных ковких чугунов изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейеров, тормозные колодки и т.д.
Исходя из сказанного выше можно общую классификацию чугунов по структуре представить в следующем виде (табл.6.2).
6.4. Содержание отчета.
1. Наименование и цель отчета.
2. Кратко изложить основные положения о способах получения, структурах и свойствах серых, высокопрочных и ковких чугунов, включая таблицу свойств и структур.
3. Нарисовать чугунный угол диаграммы Fe-Fe 3C и пояснить связь структуры с диаграммой состояния.
4. Зарисовать структуры (в кругах D= 60мм) чугунов рассмотренных в микроскоп с пояснениями и расшифровкой каждой составляющей.
5. Составить таблицу микроанализа серого и высокопрочного чугунов
Таблица 6.2
Классификация чугунов по структуре.
6.5. Контрольные вопросы.
1. Каков химический состав серых чугунов?
2. Как влияют пластинки графита на механические и технологические свойства серых чугунов?
3. Как делятся серые чугуны по структуре?
4. Как влияет химический состав и скорость охлаждения на свойства серого чугуна?
5. Как маркируется серый чугун?
6. Какие виды термообработки применяются для серого чугуна?
7. Каков химический и структурный состав высокопрочных чугунов?
8. Почему высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства?
9. Охарактеризуйте основные механические свойства и технологические высокопрочных чугунов?
10. Как маркируются высокопрочные чугуны?
11. Для каких изделий применяется высокопрочный чугун?