книги / Чугуны. Структура и термическая обработка
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.Н. Некрасова, Т.В. Некрасова
ЧУГУНЫ. СТРУКТУРА И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2022
УДК 669.1:621.785(075.8) Н48
Рецензенты:
д-р физ.-мат. наук, профессор Л.В. Спивак (Пермский государственный национальный исследовательский университет);
канд. техн. наук М.Г. Закирова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Некрасова, В.Н.
Н48 Чугуны. Структура и термическая обработка : учеб. пособие / В.Н. Некрасова, Т.В. Некрасова. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022. – 91 с.
ISBN 978-5-398-02826-3
Рассмотрены вопросы классификации чугунов, условия формирования их структуры и свойств, применение различных чугунов. Описаны процессы термической и химико-термической обработки чугунов. Приведены справочные таблицы, графики и основные структуры чугунов.
Предназначено для бакалавров очной и заочной форм обучения направления 22.03.02 «Металлургия», изучающих дисциплины «Технология термического производства», «Экспертиза металлопродукции» и выполняющих курсовые и выпускные квалификационные работы. Может быть полезно инженернотехническим работникам машиностроительных предприятий.
УДК 669.1:621.785(075.8)
ISBN 978-5-398-02826-3 |
©ПНИПУ,2022 |
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение............................................................................................ |
4 |
|
1. |
Классификация чугунов............................................................... |
5 |
2. |
Компоненты и фазы чугуна....................................................... |
11 |
|
2.1. Компоненты чугунов .......................................................... |
11 |
|
2.2. Фазы в чугунах.................................................................... |
19 |
3. |
Формирование структуры чугунов........................................... |
21 |
|
3.1. Графитизация чугунов ....................................................... |
22 |
4. |
Марки, свойства и применение чугунов ................................. |
26 |
|
4.1. Серые чугуны ..................................................................... |
29 |
|
4.1.1. Марки и свойства серого чугуна ............................. |
30 |
|
4.1.2. Служебные (эксплуатационные) свойства ............. |
35 |
|
4.2. Высокопрочные чугуны ..................................................... |
38 |
|
4.2.1. Чугуны с шаровидным графитом ........................... |
40 |
|
4.2.2. Чугуны с вермикулярным графитом ...................... |
48 |
|
4.3. Ковкие чугуны .................................................................... |
52 |
|
4.3.1. Графитизирующий отжиг на ферритный КЧ ......... |
56 |
|
4.3.2. Графитизирующий отжиг на перлитный КЧ ......... |
62 |
|
4.3.3. Обезуглероживающий отжиг .................................. |
63 |
|
4.3.4. Термическая обработка ковкого чугуна ................. |
65 |
5. |
Термическая обработка чугуна ................................................ |
67 |
|
5.1. Химико-термическая обработка чугуна ........................... |
67 |
Список литературы ........................................................................ |
88 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Современное машиностроение широко использует в качестве конструкционных материалов железоуглеродистые сплавы (стали и чугуны), причем более технологичным и дешевым литейным материалом является чугун.
Значительное повышение свойств чугуна и получение чугунов с особыми свойствами обусловлены главным образом формой и распределением графита в структуре чугуна.
Изменяя структуру чугунов за счет различного химического состава, условий кристаллизации и термической обработки, можно получить весьма широкий диапазон физических, механических и служебных свойств. Специальные легированные чугуны хорошо работают при высоких температурах как жаростойкий и жаропрочный материал, обладают хорошим сопротивлением коррозии. В электротехнической промышленности применяют немагнитные аустенитные чугуны. Антифрикционные чугуны применяют для деталей узлов трения (подшипники скольжения, втулки, вкладыши и т.п.) и рекомендуют для работы с деталями, имеющими высокую твердость, например стали после упрочняющей термической обработки.
Таким образом, вопросы структурообразования и формирования свойств чугунов требуют внимательного изучения.
Пособие составлено на основе специальной научно-техни- ческой и справочной литературы с использованием действующих стандартов, соответствующих международной системе стандартов ИСО, и предназначено для студентов дневного и заочного отделений, обучающихся по направлению 22.03.02 «Металлургия». Пособие может быть полезно для работников термических производств металлургических и машиностроительных предприятий, встречающихся с обработкой чугунных отливок.
4
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЧУГУНОВ
Чугун – это литейный многокомпонентный сплав железа с углеродом и кремнием, с примесями серы, фосфора и магния. В специальных чугунах используют легирующие элементы Cr, Ni, Mn, Cu, Si, Mo, Al и др. Характерная структурная особенность нелегированных чугунов – наличие эвтектики (ледебурит), образующейся в железоуглеродистых сплавах при затвердевании в полностью равновесных условиях. Диаграммы состояния таких сплавов приведены на рис. 1. Как видно из рисунка, в системе Fe–C существует две высокоуглеродистых фазы: графит (стабильная фаза) и цементит (метастабильная фаза), и соответственно построены две диаграммы фазового равновесия: стабильная в системе Fe–Г (см. рис. 1, б) и метастабильная Fe–Ц (см. рис. 1, а). Область чугунов на диаграмме лежит правее точек Е и Е . В соответствии с диаграммой, чугуны с содержанием С = 4,3…4,4 % называются эвтектическими, при содержании углерода 2,0 % С 4,34 % – доэвтектическими, с С 4,38 % – заэвтектическими. Если структура чугунов формируется в соответствии с метастабильной диаграммой Fe–Fe3C и весь углерод находится в связанном состоянии, чугун называется белым. Белый чугун – это высокотвердый, труднообрабатываемый резанием материал, который используют для получения других чугунов.
На рис. 2 приведены структуры белых чугунов, а на рис. 3 – общая классификация чугунов 1, 2 .
Свободный углерод – графит – снижает механические свойства чугуна при растяжении и практически не влияет на прочность при сжатии. Возможные формы графита в чугуне показаны на рис. 4. Графитные включения хорошо видны на нетравленом шлифе 1 .
5
Рис. 1. Различные виды диаграмм состояния сплавов Fe–C (Ж – расплав, А – аустенит, Ф – феррит, Ц – цементит, Г – графит): а – диаграмма с двумя системами линий – стабильных и метастабильных равновесий; б – диаграмма фазовых равновесий в системе
железо–графит; в – диаграмма фазовых равновесий в системе железо– цементит; г – структурные составляющие в системе железо–цементит (Л – ледебурит, П – перлит)
а б в
Рис. 2. Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектического, б – эвтектического, в – заэвтектического
6
Рис. 3. Классификация машиностроительных чугунов
Рис. 4. Формы выделения графита в чугуне, 100: а – серый чугун;
б– ковкий чугун; в – высокопрочный чугун с шаровидным графитом;
г– высокопрочный чугун с вермикулярным графитом
7
Выделение свободного графита в структуре чугуна обеспечивают двумя способами:
подбором химического состава и условий охлаждения при затвердевании отливки;
проведением графитизирующего отжига.
Выделение графита обусловлено нестабильностью карбида Fe3C при атмосферном давлении. Этот процесс называется графитизацией. Процесс графитизации протекает тем полнее, чем медленнее охлаждается отливка и чем больше в чугуне содержание углерода и кремния. Графитизации способствуют также Al, Ni, Cu.
При медленном охлаждении отливки цементит, выделяющийся из жидкости и из твердого раствора (аустенита), распадается с образованием графита. При температуре выше 727 С распад идет по реакции Fe3C Fe (C) + C(графит), т.е. Ц А + Г. При температуре ниже 727 С распад идет по реакции Fe3C Fe (C) + C(графит), т.е. Ц Ф + Г.
По форме включений графита чугуны делят следующим образом:
чугуны с пластинчатым графитом (ЧПГ), или серые чугуны (СЧ) (см. рис. 4, а);
чугуны с хлопьевидным графитом (ЧХГ), т.е. ковкие чугуны (КЧ) (см. рис. 4, б);
чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ), т.е. высокопрочные чугуны (ВЧ) (см. рис. 4, в).
К высокопрочным также относятся чугуны с вермикулярным графитом (ЧВГ) (см. рис. 4, г).
Форма и размеры графита существенно влияют на износостойкость чугунов. Крупные включения уменьшают износ сильнее, чем мелкие точечные. Хлопьевидный графит снижает износостойкость, однако обеспечивает хорошие антифрикционные свойства при высоких скоростях и температурах.
Чугуны, в структуре которых наряду с графитом присутствует и ледебурит (П + Ц), называются половинчатыми. Они
8
имеют повышенную твердость, плохо обрабатываются резанием и могут применяться только после графитизирующего отжига, который исправляет этот литейный брак.
Структура металлической основы чугуна зависит как от химического состава, так и от условий охлаждения и толщины стенки отливки. Влияние этих факторов хорошо видно на рис. 5
1, 3 .
а |
б |
Рис. 5. Структурные диаграммы Маурера (а) и Грейнера – Клингенштейна (б): I – область белых чугунов, II – половинчатых, III – перлитных серых, IV – перлито-ферритных серых,
V – ферритных серых; Т – толщина стенки, мм
Следовательно, структура металлической основы чугуна повторяет структуру стали. И.Н. Богачев, изучая и развивая металлографию чугуна, отмечает, что чугун можно рассматривать как сталь, металлическая основа которой пронизана включениями графита. По образному выражению А.П. Гуляева, «чугун – это сталь, испорченная графитом», т.е. испещренная большим количеством пустот и трещин 4, 5 .
Условное изображение структуры металлической основы чугуна, формы графита и примеры марок чугунов приведены на рис. 6.
Оценку микроструктуры чугуна проводят в соответствии с ГОСТ 3443–87 «Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры».
9
Рис. 6. Структура, форма графита и марки чугунов
Таблица 1 Примеры применения чугунов с различной структурой
Металлическая |
Форма графита |
Вид чугуна |
Марка |
Применение |
|
основа |
чугуна |
||||
|
|
|
|||
Феррит (Ф), |
Пластинчатый |
Серый |
СЧ 35 |
Поршни МОД |
|
Перлит (П) |
Хлопьевидный |
Ковкий |
КЧ 60-3 |
Шатуны |
|
или |
Шаровидный |
Высокопрочный |
ВЧ 60 |
Коленчатые валы |
|
Ф + П |
Вермикулярный |
Вермикулярный |
ЧВГ 40 |
Поршни и гильзы |
Таким образом, свойства и применение чугунов зависят как от структуры металлической основы, так и от формы графита. Примеры взаимосвязи приведены в табл. 1 2 .
10