Диаграмма состояния железо–углерод (стабильная) и получение чугунов

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Институт повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Металловедению

на тему

«Диаграмма состояния Fe–C (стабильная) и получение чугунов»

Выполнил:

ст. гр. ПМГ-А-08з

Иванова О.И.

Алчевск 2009

1. Диаграмма состояния железо–углерод (железо–графит) – диаграмма стабильного равновесия

Образование стабильной фазы графита в чугуне может происходить в результате непосредственного выделения его из жидкого (твердого) раствора или вследствие распада предварительно образовавшегося цементита.

Процесс образования в чугуне графита называют графитизацией.

Штриховые линии на диаграмме (рис. 1) соответствуют выделению графита.

Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика.

Ускоренное охлаждение частично или полностью прекращает кристаллизацию графита и способствует образованию цементита.

Наличие в жидком чугуне включений SiO₂, Al₂O₃, и др., а также введение Si способствует процессу графитизации.

Чугуны по технологическим свойствам обладают лучшими литейными характеристиками, чем стали, но малой способностью к пластической деформации (в обычных условиях не поддаются ковке). Чугун дешевле стали по технологии производства.

2. Кристаллизация серого чугуна

Серый чугун получил название по виду излома, который имеет серый цвет (из-за присутствия в структуре сплава свободного углерода – графита).

Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4 – 3,8% С. Такой чугун обладает хорошими литейными свойствами (С не < 2,4%). Содержание углерода > 3,8% способствует большему образованию графита, что ухудшает его механические свойства.

Серый чугун представляет собой по существу тройной сплав Fe– Si – C, в качестве неизбежных примесей находятся: Mn, Р и S.

Диаграмма Fe – C

Рисунок 1.

Кремний (Si) – содержится в количестве 1,2-3,5% – способствует выделению углерода в виде графита (т.е.влияет на строение, а следовательно на свойства чугунов).

Чем больше в чугуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры.

Марганец (Mn) содержится в количестве 1,25 – 1,4 % – препятствует процессу графитизации, повышает способность чугуна к отбеливанию.

Сера (S) – содержится в количесве 0,1 – 0,2 % – способствует отбеливанию чугуна, ухудшает механические и литейные свойства. В чугуне находится в виде сульфатов – FeS, MnS или их твердых растворов (Fe, Mn)S.

Фосфор (Р) – содержится в количестве 0,2 – 0,5% –практически не влияет на процесс графитизации; улучшает литейные свойства (жидкотекучесть). Образует соединение Fe₃Р, входящее в эвтектику. Способствует повышению твердости, износостойкости, хрупкости.

Рассмотрим кристаллизацию сплава I:

Точка 1 – имеется равновесный набор фазовых и концентрационных флуктуаций.

Точка 2 – объем и размеры фазово-концентрационных флуктуаций увеличивается.

Ниже точки 2 до точки 3 – жидкая фаза насыщается по отношению к аустениту (г-Fe).

Состав аустенита при охлаждении меняется по линии солидус: аЕ’, а состав жидкой фазы: бС’.

В точке 4 жидкая фаза (Ж_С) насыщенна одновременно по отношению к аустениту (А_С’) и углероду (графиту) и ниже точки 4:

Ж_С⇆ А_С’ + Г.

(не называть ледебуритом)

При охлаждении от точки 4 до точки 5 происходит обеднение аустенита углеродом по линии E’S’, в результате выделяется графит который наслаивается на эвтектический графит.

Линия Р’S’K’ – линия эвтектоидного равновесия.

Ниже этой линии происходит превращение:

А_S’⇄ Ф_Р’ + Г.

а) б)

Рисунок 2 – Структура графита

где а) кристаллическая решетка;

б) включение выделенное из чугуна

Показать фотографию лепесткового графита и серого чугуна на ферритной основе.

Рисунок 3. Серый чугун на ферритной основе

В серых чугунах графит выделяется в виде пластин, червеобразных прожилок (вермикулярный графит). Длина таких включений больше, чем ширина.

3.Связь структуры чугуна с его свойствами

Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей.

Чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу структуры.

Чем меньше графитовых включений, чем они мельче и больше степень изолированности их друг от друга, тем выше прочность чугуна.

Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, предел прочности, и особенно пластичность чугуна. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна практически равно нулю (≤ 0,5%).

Однако графитовые включения мало влияют на снижение предела прочности при сжатии и твердость, величина которых определяется структурой металлической основы чугуна.

Поэтому серые чугуны (СЧ) рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие.

Для серых чугунов характерна зависимость:

у_сж = 2у_изг = 4у_{растяж,}

НВ 143 ч 255.

Включение графита облегчают обрабатываемость резанием, делают стружку ломкой; повышают износоустойчивость и антифрикционные свойства, благодаря смазывающему действию графита; снижает чувствительность к всевозможным внешним концентраторам напряжений; хорошо гасит вибрации и резонансные колебания.

Применяют при изготовлении деталей машин.

4. Структура и маркировка серого чугуна (СЧ)

В зависимости от скорости охлаждения (V_охл) (рис. 4), количества С и Si и других примесей, серый чугун можно разделить на группы (в соответствии с металлической основой):

1) серый чугун на ферритной основе;

2) серый чугун на феррито-перлитной основе;

3) серый чугун на перлитной основе.

Серый чугун маркируют буквами:

С – серый, Ч – чугун (ГОСТ 1412-79). После букв цифры указывают среднюю величину предела прочности при растяжении – у_В (МПа (кгс/мм²)).

Ферритный СЧ:

СЧ10, СЧ15;

(СЧ10 → у_в = 100 н/мм² (МПа)).

Получают такой чугун очень медленным охлаждением, когда успевают произойти все диффузионные процессы, или значительным добавлением Si. Весь углерод находится в виде графита.

Феррито-перлитный СЧ:

СЧ18 (у_в = 180 н/мм² (МПа)).

Получают при более ускоренном охлаждении или с меньшим содержанием Si.

Т.к., с понижением температуры, т.е. с увеличением V_охл диффузионная подвижность атомов (углерода) уменьшается, то часть углерода 0,1 – 0,7% в серых феррито-перлитных чугунах выделяется в связанном состоянии в виде цементита Fe₃C.

Перлитный СЧ:

СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ28, СЧ30, СЧ32, СЧ35, СЧ36, СЧ40, СЧ45;

СЧ45 (у_в = 450 н/мм² (МПа)).

Получают более быстрым охлаждением, добавляют минимальное количество Si.

Рисунок 4 – Зависимость структуры серого чугуна от режима охлаждения

В этом чугуне 0,7 – 0,8% С находится в виде Fe₃C, входящего в состав перлита.

Металлическая основа в сером чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре – феррита, не увеличивая пластичности и вязкости чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшая прочность у ферритного СЧ.

5. Применение серых чугунов

СЧ10, СЧ15 – малоответственные детали: строительные колонны, фундаментные плиты, малонагруженные детали сельскохозяйственных (с/х) машин, станков, автомобилей, тракторов, арматуры.

СЧ21 … СЧ45 – ответвленные детали: станины мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров; деталей, работающих на износ в условиях больших давлений; компрессорное, арматурное, турбинное литье; дизельные цилиндры, блоки двигателей; детали металлургического оборудования.

Разновидности перлитных СЧ:

Сталистые чугуны (СЧ24, СЧ28): при выплавке в шихту добавляют 20-30% стального лома; эти чугуны имеют пониженное содержание углерода (2,4-2,9 (3,3)%), что обеспечивает получение дисперсного перлита с меньшим количеством графитных включений.

Модифицированные чугуны (СЧ32, СЧ36, СЧ40, СЧ44) – перед разливкой добавляют модификаторы (75%-ный ферросилиций, 0,3-0,8% силикокальций и т.д.). Уменьшается количество и происходит измельчение графитовых включений. Содержание углерода – 2,5-3,0%.

Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок, поршневых колец и др.

Марки: АЧС-1, АЧС-2 – перлитный чугун.

АЧС-3 – феррито-перлитный чугун.

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают (500-570^оС, 3-10 часов, напряжения снижаются на 80-90%) или проводят естественное старение – выдержка на складе (6-10 месяцев). Напряжение снижается на 40-50%.

6. Половинчатый чугун (отбеленный)

Отбеленными называют чугунные отливки, в которых поверхностные слои отливок имеют структуру белого (или половинчатого) чугуна, а сердцевина – серого чугуна (или высокопрочного). Между этими зонами есть переходной слой. Отбел на некоторую глубину (12-30мм) является следствием быстрого охлаждения поверхности.

Твердость поверхностного отбеленного слоя (НВ 400-500) обуславливает хорошую сопротивляемость износу. Из отбеленного чугуна изготавливают прокатные валки листовых станов, колеса, шары для мельниц.

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.