МГТУ «МАМИ»
Реферат
На тему: Белые Износостойкие Чугуны
Подготовил студент
группы 5-МЛ1
Ивницкий В.М.
Москва 2010
Содержание
1. Введение
2. История
3. Классификация чугунов
4. Физико-механические свойства чугуна
5. Структура чугуна
6. Маркировка
7. Износостойкий чугун ЧХ28Н2, ИЧХ2
Введение
Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими более 2,14 % С.
В металлургическом производстве чугуны выплавляют в доменных печах. Получаемые чугуны подразделяют на: передельные, специальные (ферросплавы) и литейные. Передельные и специальные чугуны используют для последующей переработки в сталь. Литейные чугуны (около 20 % всего выплавляемого чугуна) отправляют на машиностроительные заводы для использования при изготовлении литых заготовок деталей (литья).
Широкое распространение чугуна в промышленности обусловлено оптимальным сочетанием различных свойств: технологических (литейных, обрабатываемости резанием), эксплуатационных (механических и специальных) и технико-экономических показателей.
История
Первые сведения о чугуне относятся к 6 веку до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали чугун, содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4-5 веков до нашей эры. Производство чугуна в Западной Европе началось в 14 веке с появлением первых доменных печей для выплавки чугуна из руд. Полученный чугун использовали или для передела в сталь в кричном горне, или для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производство чугуна началось в 16 веке; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла все страны, но через столетие вновь отстала от западно-европейских стран. Появление во второй половине 18 века вагранок позволило литейным цехам отделиться от доменных, т. е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства. В начале 19 века возникает производство ковкого чугуна. Во второй четверти 20 века начинают применять легирование чугуна, что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный чугун (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.).
3. Классификация чугунов
Характерной особенностью чугунов является то, что углерод в сплаве может находиться не только в растворенном и связанном состоянии (в виде химического соединения — цементита Fe3C), но также в свободном состоянии — в виде графита. При этом форма выделений графита и структура металлической основы (матрицы) определяют основные типы чугуна и их свойства.
Классификация чугуна осуществляется по следующим признакам:
по состоянию углерода — свободный или связанный;
по форме включений графита — пластинчатый, вермикулярный, шаровидный, хлопьевидный (рис. 30);
по типу структуры металлической основы (матрицы) — ферритный, перлитный; имеются также чугуны со смешанной структурой: например феррито-перлитные;
по химическому составу — нелегированные чугуны (общего назначения) и легированные чугуны (специального назначения).
В зависимости от формы выделения углерода в чугуне различают:
белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C;
- половинчатый чугун, в котором основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде цементита;
серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде пластинчатого графита;
отбеленный чугун, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого;
высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму;
ковкий чугун, получающийся из белого путем отжига, при котором углерод переходит в свободное состояние в виде хлопьевидного графита.
Физико-механические свойства
Отливки белого чугуна обладают износостойкостью, относительной жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Наличие в части их сечения структуры, отличной от структуры белого чугуна, понижает эти свойства. Прочность белого чугуна снижается с увеличением содержания в нём углерода, а следовательно, и карбидов. Твёрдость белого чугуна возрастает с ростом доли карбидов в его структуре, а следовательно, и с увеличением содержания углерода.
Наивысшую твёрдость имеет белый чугун с мартенситной структурой основной металлической массы.
При растворении в карбиде железа примесей и образовании сложных карбидов твёрдость их и белого чугуна повышается. По интенсивности влияния на твёрдость белого чугуна основные и легирующие элементы располагаются в следующей последовательности, начиная с углерода, определяющего количество карбидов и интенсивнее иных элементов увеличивающего твёрдость чугуна.
C — Ni — P — Mn — Cr — Mo — V — Si — Al — Cu — Ti — S.
Действие никеля и марганца, а отчасти хрома и молибдена, обуславливается их влиянием на образование мартенситно — карбидной структуры и содержание их в количествах, соответствующих содержанию в чугуне углерода, обеспечивает максимальную твёрдость белого чугуна.
Особо высокий твёрдостью НВ 800—850 обладает чугун с содержанием 0,7-1,8 % бора. Белый чугун является весьма ценным материалом для деталей, работающих в условиях износа при очень высоких удельных давлениях и преимущественно без смазки.
Прямая зависимость между износостойкостью и твёрдостью отсутствует; твёрдость не определяет износостойкость, но должна учитываться в совокупности со структурой чугуна. Лучшей износостойкостью обладает белый чугун с тонким строением основной металлической массы, в которой в виде отдельных мелких и равномерно распределённых включений или в виде тонкой сетки расположены карбиды, фосфиды и пр.
Структура основной металлической массы определяет и специальные свойства легированного чугуна — его коррозионную стойкость, жаропрочность, электросопротивление.
В зависимости от состава и концентрации легирующих элементов, основная металлическая масса легированного белого чугуна может быть карбидо-аустенитной, карбидо-перлитной и, помимо этого, содержать легированный феррит.
Основным легирующим элементом при этом является хром, связывающий углерод в карбиды хрома и сложные карбиды хрома и железа.
Твёрдые растворы этих карбидов обладают высоким электродным потенциалом, близким к потенциалу второй структурной составляющей основной металлической массы чугуна — хромистого феррита, а возникающие защитные окисные плёнки определяют повышенную коррозионную стойкость высокохромистого белого чугуна.
В присутствии хрома как дополнительного компонента существенно повышается температурная стойкость карбидов в связи со значительным замедлением диффузионных процессов при комплексном легировании.
Эти характерные особенности легированного белого чугуна определили области его использования в зависимости от структуры в качестве нержавеющего и магнитного чугуна и чугуна с высоким электросопротивлением.
5. Структура чугуна
Микроструктура чугуна состоит из металлической основы (матрицы) и графитных включений. Свойства чугуна определяются свойствами металлической основы и характера включений графита.
Чугуны содержат следующие структурные составляющие:
графит (Г);
перлит (П);
феррит (Ф);
ледебурит (Л);
- фосфидную эвтектику
По микроструктуре различают:
белый чугун I (Ц+Г);
серый перлитный чугун II (П+Г);
серый ферритный чугун III (Ф+Г);
половинчатый чугун II а (П+Ц+Г);
высокопрочный чугун IV (П+шаровидный графит).
Формирование микроструктуры чугуна зависит от его химического состава и скорости охлаждения (толщины) отливки. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.
Углерод в составе чугуна может присутствовать в виде химического соединения — цементит Fe3C, графита или их смеси. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Места его залегания можно считать нарушениями сплошности металла. Чугун как бы пронизан включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. По мере округления графитных включений (за счет модифицирования чугуна присадками SiCa, FeSi, Al, Mg) их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается и механические свойства чугуна растут.
Кремний способствует графитизации чугуна. Изменяя его содержание и скорость охлаждения отливки, можно получить чугун различной структуры.
Марганец препятствует графитизации и нейтрализует вредное влияние серы, образуя с ней тугоплавкие соединения MnS.
Фосфор не оказывает существенного влияния на процесс графитизации. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики, которая повышает его литейные свойства.
Сера является вредной примесью. Она обусловливает ухудшение литейных свойств чугуна, увеличение усадки, повышение склонности к трещинообразованию, снижение температуры красноломкости чугуна.
Белый Чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe3C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном чугуне). Кристаллизация белых чугунов происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного износа. Легирование белого чугуна карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.
Белые чугуны характеризуются тем, что у них весь углерод находится в химически связанном состоянии — в виде цементита. Излом такого чугуна имеет матово-белый цвет. Наличие большого количества цементита придает белому чугуну высокие твердости, хрупкость и очень плохую обрабатываемость режущим инструментом.
Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе и при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении из них поршневых колец. Однако белый чугун применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.
Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4—2,9 % С и 1,0—1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига (см.рис)
Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215-79. Ковкие чугуны маркируют буквами «К» — ковкий, «Ч» _ Чугун и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая — относительное его удлинение при разрыве. Например, КЧ 33-8 означает: ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 33 кг/мм2 (330 МПа) и относительным удлинением при разрыве 8 %.
Различают черносердечный ковкий чугун, получаемый в результате графитизирующего отжига, и белосердечный, получаемый путем обезуглероживающего отжига в окислительной среде. В России применяют только черносердечный ковкий чугун. Матрица чугуна может быть перлитной, ферритной, или перлитно-ферритной в зависимости от режима отжига.
Для ускорения процесса отжига КЧ используют различные приемы: повышают температуру выдержки в период П2, модифицируют и микролегируют чугун присадками алюминия, бора, титана или висмута. Все эти приемы способствуют увеличению числа центров кристаллизации, снижению устойчивости цементита.
Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач,
тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун — малоперспективный материал из-за сложной технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.
Маркировка
По принятой раньше в СССР маркировке обозначения марок доменных чугунов содержат буквы и цифры. Буквы указывают основное назначение чугуна: П — передельный для кислородно-конверторного и мартеновского производства и Л — литейный для чугунолитейного производства. Литейный коксовый чугун обозначают ЛК, в отличие от чугуна, выплавленного на древесном угле (ЛД). С увеличением числа в обозначении марки уменьшается содержание кремния (например, в чугуне ЛК5 содержится меньше кремния, чем в чугуне ЛК4). Каждая марка чугуна в зависимости от содержания Mn, Р, S подразделяется соответственно на группы, классы и категории. Марки чугуна литейного производства, как правило, обозначаются буквами, показывающими основной характер или назначение чугуна: СЧ — серый чугун, ВЧ — высокопрочный, КЧ — ковкий; для антифрикционного чугуна в начале марки указывается буква А (АСЧ, АВЧ, АКЧ). Цифры в обозначении марок нелегированного чугуна указывают его механические свойства. Для серых чугунов приводят регламентированные показатели пределов прочности при растяжении и изгибе (в кгс/мм2), например СЧ21-40. Для высокопрочного и ковкого чугуна цифры определяют предел прочности при растяжении (в кгс/мм2) и относительное удлинение (в %), например ВЧ60-2. Обозначение марок легированных чугунов состоит из букв, указывающих, какие легирующие элементы входят в состав чугуна, и стоящих непосредственно за каждой буквой цифр, характеризующих среднее содержание данного легирующего элемента; при содержании легирующего элемента менее 1,0% цифры за соответствующей буквой не ставятся.