Лахтин_Матеориаловедение

Так, например, карбид Сг7С3 при температуре 20 °С растворяет до 55 % Fe, образуя сложный карбид (CrFe)7C3, а карбид Сг23С6 — до

35 % Fe, образуя карбид (Cr, Fe)23C6.

Приняты следующие обозначения карбидов: М3С (карбиды цементитного типа), М7С3 и М23С6 (карбиды, имеющие кристаллическую решетку карбидов хрома), М6С и М1С (карбиды с решеткой, в которой атомы металла расположены по типу карбидов вольфрама или молибдена), и, наконец, МС (карбиды по типу кубической гранецентрированной решетки). Под символом М подразумевается сумма металлических элементов, входящих в состав карбида.

Карбиды, образующиеся в легированных сталях, можно разделить на две группы. К первой группе относятся карбиды типа М3С, М7С3, М23С6 и М6С(М4С), имеющие сложные кристаллические решетки. Карбиды этой группы сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве.

Ко второй группе относятся карбиды типа МС: VC, TiC, NbC, ZrC, WC, TaC и Мо2С и W2C. Эти карбиды относятся к фазам внедрения. В отличие от карбидов первой группы фазы внедрения в реальных условиях нагрева стали почти не растворяются в аустените.

Интерметаллические соединения. При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить Fe7Mo6, Fe7W6, Fe3Nb2, Fe3Ti и др. В сплавах Fe—Cr

и Fe—V образуются твердая и хрупкая α-фазы, отвечающие соединению FeCr (см. рис. 92, б), FeV. В сплавах Fe—Сг—Мо, Fe— Cr—Ni—Mo может образовываться хрупкая λ-фаза состава

Fe3CrMo и др.

6. СТРУКТУРНЫЕ КЛАССЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Легированные стали по структуре в условиях равновесия можно разделить на следующие классы (рис. 97): доэвтектоид-ные стали, содержащие в структуре эвтектоид и избыточный легированный феррит (рис. 98, а), эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Последние содержат в структуре эвтектоид и избыточные (вторичные)

карбиды типа М3С (рис. 98, б), выделяющиеся при охлаждении из аустенита. Доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные легированные стали независимо от структуры (дисперсности) эвтектоида или квазиэвтектоида обычно объединяют в один

класс — перлитные стали. Ледебуритные (карбидные) стали имеют в структуре в литом состоянии эвтектику типа ледебурита (рис. 98, ж). В результате ковки эвтектические карбиды принимают форму обособленных глобулей (рис. 98, е). Количество карбидов в этих сталях достигает 30—35 %. Ледебуритные стали по структуре следовало бы рассматривать как белые чугуны. Но, так как они содержат сравнительно небольшое количество углерода (<2 %) и могут подвергаться пластической деформации (ковке), их относят к сталям. Как указывалось выше, под влиянием легирующих элементов точки S и Е диаграммы состояния Fe— Fe3C перемещаются влево, поэтому граница между доэвтектоид-ными, заэвтектоидными и ледебуритными сталями сдвинута в область других содержаний углерода, чем в системе Fe—Fe3C.

Так, при содержании в стали 5 % Сr (см. рис. 97) концентрация углерода в эвтектоиде (точка S) снижается до 0,5 %, а предельная растворимость углерода в аустените (точка Е) — до 1,3 %. При 10 % Сг точка S соответствует 0,25—0,3 % С, точка Е — 1 % С.

При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента, ограничивающего область существования аустенита (Сг, Mo, W, V, Si, A1 и др.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу (см. рис. 98, в). Структура такой стали при всех температурах состоит из легированного феррита, чаще о некоторым количеством карбидов.

При высоком содержании в стали легирующего элемента, расширяющего область γ-фазы (Мn, Ni), при нормальной температуре можно получить чисто аустенитную структуру (см. рис. 98, г). Этот класс сталей, не испытывающий α γ- превращения, называют аустенитным.

При повышенном содержании легирующих элементов возникают также полуферритные и полуаустенитные стали (рис. 98, д). В этих сталях α γ-превращение протекает только частично, и их структура состоит из аустенита и феррита.

Таким образом, основываясь на фазовом равновесии, легированную сталь подразделяют на классы: перлитный, аустенитный, ферритный, полуаустенитный полуферритный, и ледебуритный.

Исходя из структуры, получаемой после охлаждения небольших образцов с 900 °С на воздухе, различают следующие классы сталей: перлитный, бейнитный, мартенситный, ферритный, аусте-нитный и карбидный (ледебуригный). Стали перлитного и бейнит-ного классов содержат сравнительно небольшое количество легирующих элементов, мартенситные — больше, а ферритные, аусте-нитные и карбидные — большое количество легирующих элементов. Кроме того, могут быть смешанные классы: ферритно-мар-тенситный, аустенитно-ферритный, аустенитно-мартенситный.

Вопросы для самопроверки

1. Чем можно объяснить большую растворимость углерода в γ-железе по сравнению с α-железом?

143

2.Какие фазы образуются в системе Fe—Fe3 и Fe—С?

3.Постройте кривые охлаждения для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали и для доэвтектического чугуна.

4.Как структурный и фазовый состав стали и чугуна зависят от содержания углерода и температуры?

5.Укажите основные факторы, влияющие на процесс графитизации.

6.Как влияет углерод на конструктивную прочность стали (KCU, КСТ,

Kic, σ0,2, t50)?

7. Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным примесям в стали?

8. Какие фазы образуют легирующие элементы в стали?

9. Как получить при нормальной температуре структуру аустенит?

10.Какова концентрация углерода в перлите (эвтектоид) стали, содержащей

~10 % Сг?

11.Как получить ферритную сталь?

12.Какие стали относятся к ледебуритным?

ГЛ А В А IX. ЧУГУН

Сплав железа с углеродом (>2,14 % С) называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна (см. рис. 87) обусловливает его использование исключительно в качестве литейного сплава. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита, или одновременно в виде цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие чугуны: серый, высокопрочный и ковкий (см. рис. 101 и 102).

1. СЕРЫЙ И БЕЛЫЙ ЧУГУНЫ

Серый чугун (технический) представляет собой, по существу, сплав Fe—Si—С, содержащий в качестве постоянных примесей Μn, Ρ и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, определяющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в поле зрения микрошлифа форму пластинок (см. рис. 88). Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4— 3,8 % С. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жид- котекучести) должно быть не менее 2,4 % С.

Кремний, содержание которого в серых чугунах находится в пределах 1,2—3,5 %, оказывает большое влияние на строение, а следовательно, и на свойства чугунов, поэтому при изучении структурообразования в техническом чугуне нужно пользоваться не диаграммой состояния Fe—С, а тройной диаграммой Fe—Si—С.

144

Разрез тройной диаграммы состояния Fe—Si—С для постоянного содержания кремния (2 %) показан на рис. 99. В отличие от стабильной диаграммы Fe—С (см. рис. 87) в системе Fe—Si—С перитектическое (Ж+ + δ-феррит → А), эвтектическое (Ж → А + Г) и эвтектоид-ное (А → Φ + Г) превращения протекают не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур.

Величина температурного интервала, в котором в равновесии с жидким сплавом находятся аустенит и графит, зависит от содержания кремния. Чем больше

содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур.

Охлаждение чугуна в реальных условиях вносит существенные отклонения от условий равновесия. Структура чугуна в отливках зависит в первую очередь от химического состава (содержания углерода и кремния) и скорости кристаллизации.

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. Структурная диаграмма для чугунов, показывающая, какой должна быть структура в отливке с толщиной стенки 50 мм, в зависимости от содер-

жания в чугуне кремния и углерода показана на рис. 100, а. При данном содержании углерода, чем больше в чугуне кремния, тем полнее протекает графитизация. Чем больше в чугуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной структуры.

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают:

1.Белый чугун (рис. 100, а, I), в котором весь углерод находится в виде цементита Fe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит (рис. 100, а, I и 101, а).

2.Половинчатый чугун (рис. 100, а, II), большая часть углерода (>0,8 %) находится в виде Fe3C. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит1.

3.Перлитный серый чугун (рис. 100, а, III) структура чугуна (рис. 101, б) — перлит и пластинчатый графит. В этом чугуне 0,7— 0,8 % С находится в виде Fe3C, входящего в состав перлита.

1 Графит кристаллизуется в виде довольно сложных форм (см. рис. 88, б, в), но сечение их плоскостью микрошлифа дает вид пластинок.

146

4.Ферритно-перлитный (рис. 100, а, IV) серый чугун. Структура такого чугуна (рис, 101, в) — перлит, феррит и пластинчатый графит (составы см. на рис. 100, а, III). В этом чугуне в зависимости от степени распада эвтектоидного цементита в связанном состоянии находится от 0,7 до 0,1 % С.

5.Ферритный серый чугун (рис. 100, а, V). Структура (рис. 101, г) — феррит и пластинчатый графит. В этом случае весь углерод находится в виде графита.

При данном содержании углерода и кремния графитизация протекает тем полнее, чем медленнее охлаждение. В производственных условиях скорость охлаждения удобно характеризовать по толщине стенки отливки. Чем тоньше отливка, тем быстрее охлаждение и в меньшей степени протекает графитизация (рис. 100, б).

Следовательно, содержание кремния надо увеличивать в

отливке небольшого сечения, охлаждающейся ускоренно, или в чугуне с меньшим содержанием углерода. В толстых сечениях отливок, охлаждающихся медленнее, графитизация протекает полнее и содержание кремния может быть меньше. Количество марганца в чугуне не превышает 1,25—1,4 %. Марганец препятствует гра-фитизации, т. е. затрудняет выделение графита и повышает способность чугуна к отбеливанию — появлению, особенно в поверхностных слоях, структуры белого или половинчатого чугуна. Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и литейные свойства чугуна. Поэтому ее содержание ограничивают до 0,1—0,2 %. В сером чугуне сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их твердые растворы (Fe, Mn)S1.

Содержание фосфора в сером чугуне чаще 0,2 %, но иногда допускается даже до 0,4—0,5 %. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики: в серых чугунах — двойной (Fe3P + аустенит), а в белых — тройной (Fe3C + Fe3P + аустенит). Эвтектика улучшает литейные свойства чугуна.

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. В этом случае механические свойства будут зависеть от количества, величины и характера распределений включений графита.

Чем меньше графитных включений, чем они мельче и больше степень изолированности их, тем выше прочность чугуна. Чугун с большим количеством прямолинейных крупных графитных выделений, разделяющих его металлическую основу, имеет грубозернистый излом и низкие механические свойства. Чугун с мелкими

1 В белых чугунах возможно образование эвтектики (Fe + FeS) и растворение серы в Fe3C.

147

и завихренными графитными выделениями обладает более высокими свойствами.

Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, временное сопротивление и особенно сильно пластичность чугуна. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (~0,5 %). Графитные включения мало влияют на снижение предела прочности при сжатии и твердость, величина их определяется главным образом структурой металлической основы чугуна. При сжатии чугун претерпевает значительные деформации и разрушение имеет характер среза под углом 45°. Разрушающая нагрузка при сжатии в зависимости от качества чугуна и его структуры в 3—5 раз больше, чем при растяжении. Поэтому чугун рекомендуется использовать преимущественно для изделий, работающих на сжатие.

Пластинки графита менее значительно, чем при растяжении, снижают прочность и при изгибе, так как часть изделия испытывает сжимающие напряжения. Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение между пределом прочности на растяжение и на сжатие. Твердость чугуна 143—255 НВ.

Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает чугун малочувствительным к всевозможным концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т. д.). Вследствие этого серый чугун имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в отливках простой формы или с ровной поверхностью и сложной формы с надрезами или с плохо обработанной поверхностью. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазочного материала. Очень важно, что графит улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой.

Металлическая основа в сером чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру (см. рис. 100, б). Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает ферритный серый чугун.

Серый чугун маркируется буквами С — серый и Ч — чугун (ГОСТ 1412—85). После букв следуют цифры, указывающие

минимальное значение временного сопротивления 10-1 МПа (кгс/мм2).

Серые чугуны по свойствам и применению можно разделить на следующие группы.

Ферритные и ферритно-перлитные чугуны (СЧ 10, СЧ 15, СЧ

18) имеют временное сопротивление 100—180 МПа (10— 18 кгс/мм2), предел прочности при изгибе 280—320 МПа (28— 32

МПа). Их примерный состав: 3,5—3,7 % С; 2,0—2,6 % Si; 0,5— 0,8% Мn; ≤0,3 % Р; ≤0,15 % S. Структура чугунов— перлит, феррит и графит чаще в виде крупных выделений (СЧ 10,

148

СЧ 15). Эти чугуны применяют для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе с толщиной стенки отливки 10—30 мм. Так, чугун СЧ 10 используют для строительных колонн, фундаментных плит, а чугуны СЧ 15 и СЧ 18

—для литых малонагруженных деталей сельскохозяйственных машин, станков, автомобилей и тракторов, арматуры и т. д.

Перлитные чугуны (СЧ 21, СЧ 24, СЧ 25, СЧ 30, СЧ 35)

применяют для ответственных отливок (станин мощных станков и механизмов, поршней, цилиндров, деталей, работающих на износ в условиях больших давлений, компрессоров, арматуры, дизельных цилиндров, блоков двигателей, деталей металлургического оборудования и т. д.) с толщиной стенки до 60—100 мм1, Структура этих чугунов — мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями. К перлитным относятся так называемые сталистые

и модифицированные чугуны.

При выплавке сталистых чугунов СЧ 24, СЧ 25 в шихту добавляют 20—30 % стального лома; чугуны имеют пониженное содержание углерода, что обеспечивает получение более дисперсной перлитной основы с меньшим количеством графитных включений. Примерный состав: 3,2—3,4 % С; 1,4—2,2 % Si; 0,7— 1,0 % Мn; ≤0,2 % Р; ≤0,15 % S. Содержание кремния в этих чугунах должно быть достаточным для предотвращения отбеливания чугуна.

Модифицированные чугуны (СЧ 30, СЧ 35) получают при добавлении в жидкий чугун перед разливкой специальных добавок— модификаторов (графит, 75 %-ный ферросилиций, силико-кальций в количестве 0,3—0,8 % и т. д.). Модифицирование применяют для получения в чугунных отливках с различной толщиной стенок перлитной металлической основы с вкраплением небольшого количества изолированных пластинок графита средней величины.

Модифицированию подвергают низкоуглеродистый чугун, содержащий сравнительно небольшое количество кремния и повышенное количество марганца и имеющий без введения модификатора структуру половинчатого чугуна, т. е. ледебурит, перлит и графит. Примерный химический состав чугуна: 2,2—3,2 % С; 1,0—2,9 % Si; 0,2—1,1 % Мn; ≤0,2 % Р; ≤0,12 %.

Для снятия литейных напряжений и стабилизации размеров чугунные отливки отжигают при 500—600 °С. В зависимости от формы и размеров отливки выдержка при температуре отжига составляет 2—10 ч. Охлаждение после отжига медленное, вместе с печью. После такой обработки механические свойства изменяются мало, а внутренние напряжения снижаются на 80—90 %. Иногда для снятия напряжений в чугунных отливках применяют естественное старение чугуна — выдержку их на складе в течение 6—10 месяцев; такая выдержка снижает напряжения на 40—50 % .

1 Чем больше толщина стенок отливки, тем ниже механические свойства.

149

Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении о металл, чаще в присутствии смазочного материала. Эти чугуны должны обеспечивать низкое трение (малый коэффициент трения), т. е. антифрикционность. Антифрикционные свойства чугуна определяются соотношением перлита и феррита в основе, а также количеством и формой графита. Антифрикционные чугуны изготовляют следующих марок1:

АЧС-1 (3,2—3,6 % С; 1,3—2,0 % Si; 0,6—1,2 % Мn; 0,15— 0,4 % Р; ≤0,12 % S; 0,2—0,5 % Сг; 1,5—2,0 % Сu); АЧС-2 (3,2—3,8% С; 1,4—2,2% Si; 0,3—1% Мn; 0,15—0,4 % Р| ≤0,12 % S; 0,2—0,5 % Сг; 0,2—0,5 % Ni; 0,03—0,1 % Ti; 0,2— 0,5 % Сu) и АЧС-3 (3,2— 3,8 % С; 1,7—2,6 % Si; 0,3—0,7 % Мn; 0,15—0,4 % Р; 0,2—0,5 % Сu; ≤0,12 % S; 0,03—0,1 % Ti).

Детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, изготовляют из перлитных серых чугу-нов АЧС-1 и АЧС-2; для работы в паре с термически необработанными валами применяют перлитно-ферритный чугун АЧС-3.

Перлитный чугун, содержащий повышенное количество, фосфора (0,3—0,5 %), используют для изготовления поршневых колец. Высокая износостойкость колец обеспечивается металлической основой, состоящей из тонкого перлита и равномерно распределенной фосфидной эвтектики при наличии изолированных выделений пластинчатого графита.

2. ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации.

Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений.

Для получения шаровидного графита чугун модифицируют, чаше путем обработки жидкого металла магнием (0,03—0,07 %) или введением 8—10 % магниевых лигатур с никелем или ферросилицием.

Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму (рис. 102, а). Чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) имеют более высокие механические свойства, не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т. д. Обычный состав чугуна: 3,2—3,6 % C;

1 А — антифрикционный, Ч — чугун, С — серый. 150