Козлов Ю. С. Материаловедение. – М.: «Агар», Санкт-Петербург, «Лань», 1999. Введение. Диаграмма железо цемент


Л.р.- Диаграмма железо-цементит.51001

Рыбинская государственная авиационная технологическая академия

имени П. А. Соловьева

Кафедра «Материаловедение, литье и сварка»

Методические указания к лабораторной работе

«ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ. СТРУКТУРА СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ»

Для дисциплины

«Материаловедение»

специальности 151001 «Технология машиностроения»

направления 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»

Рассмотрены и утверждены на заседании кафедры МЛС

Протокол № 8 от 25.05.2010 г.

Разработал:

к. т. н., доцент Воздвиженская М. В.

Рыбинск, 2010

ДИАГРАММА ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ. СТРУКТУРА СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы:

Познакомиться с диаграммой состояния «железо‑цементит», фазами и структурами, образующимися в этой системе. Изучить структуру доэвтектоидных, эвтектоидной и заэвтектоидных сталей в равновесном состоянии.

1. Общие сведения

1.1. Диаграмма состояния «железо‑цементит»

Диаграмма состояния системы «Fe–C» занимает особое место в металловедении, так как она является базой для анализа формирования структуры самых распространенных промышленных сплавов – сталей и чугунов. Сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14 % углерода называют сталями, содержащие от 2,14 % до 6,67 % углерода – чугунами.

В сплавах железа с углеродом существуют две высокоуглеродистые фазы: метастабильная – цементит и стабильная – графит. Поэтому различают две диаграммы состояния: метастабильную – «Fe – Fe3С» и стабильную – «Fe – C». На диаграмме состояния «железо-цементит» даны фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до 6,67 % углерода, концентрация цементита изменяется от 0 % до 100 % (рис. 1).

На диаграмме «Fe – Fe3С» концентрация углерода (по массе) для характерных точек следующая: Q – 0,006 %, P – 0,02 %, S – 0,8 %, E – 2,14 %, C – 4,3 %, L – 6,67 %.

Перитектический участок вверху слева диаграммы на горизонтали содержит слева направо точки H, J, B. Этот участок мало влияет на структуру и свойства сталей, поэтому его часто не изображают, оставляя только верхнюю точку – А.

Эвтектическая горизонталь ECF соответствует температуре 1147 °С. При данной температуре из жидкости состава С одновременно выделается аустенит состава Е и первичный цементит концентрации F; формируется эвтектика – ледебурит. Над этой горизонталью находится линия ликвидуса – AC и CD, первая соответствует началу выделения из жидкости аустенита, вторая – выделению из жидкости первичного цементита. К краю эвтектической горизонтали приходит линия солидуса AE, она соответствует полному затвердеванию расплава.

Рис. 1. Диаграмма состояния «Fe – Fe3С»

Линию GS, соответствующую окончанию превращения феррита в аустенит при нагреве обозначают АС3. При охлаждении аустенита и начале его превращения в феррит линию GS обозначают Аr3.

Линия SE показывает начало образования в аустените вторичного цементита при охлаждении стали, т. е. это линия предельной растворимости углерода в аустените. Линия обозначается Аcm.

При температуре 727 °С происходит эвтектоидное превращение – это одновременное выделение двух твердых фаз из исходной твердой фазы: высокотемпературная фаза аустенит состава S распадается одновременно на цементит состава в точке E и феррит состава в точке P, температура сплава остается постоянной до окончания эвтектоидного превращения. Формируется эвтектоид – перлит, среднее содержание углерода в перлите составляет 0,8 %. Линию PSK называют – эвтектоидная горизонталь и обозначают – АС1.

При концентрации углерода от 0 % до 0,8 % стали называют доэвтектодные стали, при концентрации углерода ровно 0,8 % – эвтектоидные стали, при большей концентрации от 0,8 % до 2,14 % – заэвтектоидные стали. Если углерода менее 0,02 %, то такой сплав называют техническим железом. Выделение третичного цементита при температурах ниже линии PQ, резко снижает пластичность стали по сравнению с чистым ферритом состава Q.

При температуре 1147 °С в системе «железо-цементит» образуется эвтектика, линия ECF – эвтектическая горизонталь. Эвтектику называют ледебурит. Ледебурит состоит из аустенита и цементита. Следует понимать, что аустенит, входящий в состав чугунов, как в первичных дендритах, так и в ледебурите, также распадается на феррит и цементит. Поэтому при температуре ниже 727 °С все сплавы углерода состоят из феррита и цементита. Чугуны, содержащие от 2,14 % до 4,3 % С называют доэвтектические чугуны, с концентрацией углерода ровно 4,3 % – эвтектические чугуны,  с концентрацией углерода от 4,3 % до 6,67 % – заэвтектические чугуны.

1.2. Фазы и структуры в системе «железо‑углерод»

При атмосферном давлении железо может находится в двух модификациях: низкотемпературная модификация -Fe с ОЦК решеткой существует до 910 С, выше этой температуры образуется модификация -Fe, которая имеет ОЦК решетку. Углерод образует твердые растворы внедрения на базе полиморфных модификаций железа.

Феррит – твердый раствор углерода в -Fe (от лат. ferrum – железо). Феррит – малопрочная и пластичная фаза, так как представляет собой почти чистое железо, при комнатной температуре растворимость углерода в -Fe не превышает 0,005 %, при температуре 727 °С составляет 0,02 %.

Аустенит (по имени английского ученого Робертс-Аустена) –  это высокотемпературная пластичная фаза с невысокой прочностью, представляет собой твердый раствор углерода в ‑Fe с ГЦК решеткой, при температуре 727 °С растворимость углерода в аустените составляет 0,8 %, предельная растворимость углерода в аустените достигает 2,14 % при температуре 1147 °С. При медленном охлаждении аустенит распадается на перлит.

Цементит – карбид железа Fe3С, фаза с высокой твердостью, но хрупкая. В обычных условиях кристаллизации в двойных сплавах железа с углеродом соединение Fe3C является достаточно стабильным и может существовать без изменений как угодно долгое время. Но, при длительных выдержках в интервале температур 650 – 730 С или при введении графитизирующих добавок, соединение Fe3C распадается с образованием графита и железа.

Перлит – это структура, которая образуется при эвтектоидном превращении аустенита при среднем содержании углерода 0,8 %; обычно перлит состоит из чередующихся тонких пластинок феррита и цементита, обладает средней прочностью и невысокой твердостью (рис. 2). Эвтектоидные колонии зарождаются на границах зерен аустенита, по окончании эвтектоидного распада на месте каждого аустенитного зерна оказывается несколько колоний перлита. Образование перлита – это диффузионный процесс: 0,8 % C в аустените за счет диффузии перераспределяются в соответствии с диаграммой состояния, 0,02 % C находится в феррите и 6,67 % C – в цементите. Полированная и протравленная поверхность шлифа приобретает перламутровый оттенок, поэтому эвтектоидная смесь феррита с цементитом получила название перлит (от лат. pearl – жемчужина).

а) б)

Рис. 2. Микроснимок структуры (а) и схематический разрез (б) колонии перлита

Чем выше скорость охлаждения аустенита, тем мельче пластины эвтектоидной смеси, такие структуры получили отдельные названия сорбит и троостит, соответственно.

При дальнейшем увеличении скорости охлаждения диффузионный распад на феррито-цементитную смесь не успевает произойти. В результате бездиффузионного превращения аустенита образуется очень твердая, хрупкая фаза мартенсит с игольчатой структурой (рис. 3, а,б).

Рис. 3. Микроструктура аустенита (а) и мартенсита (б), 500

В соответствии с диаграммой состояния стали делятся на доэвтектоидные (до 0,8 % углерода), эвтектоидные и заэвтектоидные (свыше 0,8 % углерода). Эти группы отличаются структурой, свойствами и назначением.

Микроструктура доэвтектоидной стали с концентрацией углерода от 0 % до 0,005 % представляет собой феррит (рис. 4, а). Микроструктура доэвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,2 % – 0,3 % представляет собой смесь зерен феррита и перлита, при повышении концентрации углерода до 0,45 % – 0,55 %, зерна феррита в виде хлопьев располагаются по границам исходного аустенитного зерна и окружают колонии перлита (рис. 4, б).

Эвтектоидная сталь с концентрацией углерода 0,8 % имеет структуру перлита (рис. 4, в), заэвтектоидная сталь с 1,1 % углерода представляет собой колонии перлита, окруженные по границам тонкой светлой сеткой вторичного цементита (рис. 4, г).

Рис. 4. Микроструктура феррита (а), доэвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,45 % – 0,55 % (б), эвтектоидной стали с концентрацией углерода 0,8 % (в), заэвтектоидной стали с концентрацией углерода 1,1 % – 1,3 % (г), 500

  1. СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛОНЕНИЯ РАБОТЫ

Образец 1. Сталь 20 (0,24 % С) – доэвтектоидная углеродистая конструкционная качественная сталь.

Микроструктура стали 20 в отожженном состоянии состоит из зерен феррита и перлита. Перлит занимает около 25 % площади шлифа (рис. 5). Сталь имеет невысокую прочность (НВ 163).

Х 200 Х 1500

Рис. 5. Микроструктура стали 20: феррит и перлит

Эта сталь относится к низкоуглеродистым, она пластичная, хорошо сваривается и штампуется. Для увеличения поверхностной прочности эту сталь цементуют (насыщают поверхность углеродом) и применяют для деталей небольшого размера, например, зубчатых колес, кулачков. За счет твердого поверхностного слоя резко возрастает износостойкость изделий, а сердцевина при этом становится пластичной и вязкой.

Образец 2. Сталь 60 (0,62 %) – доэвтектоидная углеродистая конструкционная качественная сталь. Это среднеуглеродистая термоулучшаемая сталь. Структура стали состоит из перлитных зерен, окруженных ферритной оторочкою. Перлит занимает около 75 % площади шлифа. В связи с большим содержанием углерода сталь 60 имеет более высокую твердость и прочность, чем сталь 20 (НВ 240). Стали 55,60, 70 применяют в качестве рессорно-пружинных материалов. Термическая обработка состоит из закалки и среднего отпуска, структура троостит отпуска.

Образец 3. Сталь У8 (0,76 %) – эвтектоидная углеродистая инструментальная качественная сталь.

Сталь эвтектоидная и поэтому должна иметь чисто перлитную структуру. Однако фактическое содержание углерода 0,76 % немного меньше эвтектоидного, что проявляется в небольшом количестве светлых выделений феррита. На микроструктуре хорошо заметно, что перлит – сложная составляющая, состоящая из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Темные пластинки, видимые в перлите – тени, отбрасываемые пластинками цементита после травления. Поэтому при небольших увеличениях перлит кажется сплошной темной массой, хотя в действительности образующие его феррит и цементит являются светлыми. Эта сталь в отожженном состоянии имеет следующие свойства:НВ 250.

Сталь У8 – инструментальная сталь и подвергается термической обработке, состоящей из закалки и низкого отпуска, после которой она приобретает твердость НRC 62-64. Основное назначение стали – измерительный инструмент.

Образец 4. Сталь У12 (1,15 %) – заэвтектоидная углеродистая инструментальная качественная сталь.

Ее структура состоит из перлитных зерен, которые окружены светлой сеткой вторичного цементита. В отожженном состоянии сталь имеет следующие свойства: НВ 260.

Инструмент из этой стали подвергается закалке и низкому отпуску, сталь приобретает твердость HRC 63-65. Сталь применяют для измерительного инструмента и для режущего инструмента с температурой на режущей кромке не более 180 °С.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ

  1. Зарисуйте диаграмму состояния Fe-Fe3C.

  2. В координатах температура-время схематично вычертите кривые охлаждения для сталей с содержанием углерода 0,2 % С; 0,6 % С; 0,8 % С и 1,2 % С. Укажите превращения, проходящие в сталях при охлаждении их из жидкого состояния до комнатной температуры.

  3. Изучите и зарисуйте микроструктуры углеродистых сталей в отожженном состоянии: сталь 20, сталь 60, У8 и У12. Выпишите их механические свойства и назначение.

  4. Определите по микроструктуре примерное содержание углерода для одного из образцов доэвтектоидной стали и установите марку этой стали.

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Дайте определение феррита, аустенита, цементита и перлита. Какими свойствами они обладают?

  2. В чем различие между микроструктурами доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталью в отожженном состоянии?

  3. Как меняются структуры и свойства у доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей с увеличением содержания углерода?

  4. Каким путем достигается равновесное состояние стали?

  5. Как по структуре можно ориентировочно определить содержание углерода в стали?

  6. Чем отличаются структура и свойства стали 20 и стали 60 в отожженном состоянии?

studfiles.net

7. Диаграмма состояния железо - цементит

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое желе­зо - металл серебристо-белого цвета; температура плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С; γ-железо — при 911-1392°С.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

1. Феррит(Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Рас­творимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначи­тельную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; ψ=80%).

2. Аустенит(А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является ниж­ней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеро­дистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пласти­чен (δ =40-50%).

3. Цементит(Ц) - химическое соединение железа с углеродом (кар­бид железа Fe3C).В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ-800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в оп­ределенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C.

4. Графит -это свободный углерод, мягок (НВ-3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изме­нением формы графитовых включений меняются механические и тех­нологические свойства сплава.

5. Перлит(П) - механическая смесь (эвтектоид, т.е. подобный эвтек­тике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, со­держащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернис­тым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной тем­пературе зернистый перлит имеет предел прочности σв =800МПа; отно­сительное удлинение δ =15%; твердость НВ 160. Перлит образуется сле­дующим образом. Пластинка (глобула) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неме­таллическое включение. При этом соседние области объединяются уг­леродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образова­нию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

6. Ледебурит (Л) -механическая смесь (эвтектика) аустенита и цемен­тита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превра­щается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре

Диаграмма состояния железо — цементит (в упрощенном виде):

А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит, Ф — феррит, Ц — цементит

ниже 727"С ледебу­рит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь пер­лита с цементитом.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азо­том, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые струк­турные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

Диаграмма состояния железо - цементит.В диаграмме состояния желе­зо — цементит (Fe—Fe3C)рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их струк­турах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной тем­пературы. Диаграмма(рис. 14)показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14до 6,67% — чугуном.

Диаграмма состояния Fe—Fe3Cпредставлена в упрощенном виде.Первичная кристаллизация,т.е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD.Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D- температуре ~ 1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса АЕСР соответствует температурам конца за­твердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидко­го сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD— цементит, называе­мый первичным цементитом. В точке С при 1147° С и содержании угле­рода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику — ледебурит. При темпера­турах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием уг­лерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECFсплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интер­вале 2,14—4,3% С — аустенита, а в интервале 4,3—6,67% С цементита пер­вичного (см.рис. 14).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержани­ем углерода до 2,14%, т.е. в сталях, образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т.е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация(превращение в твердом состоянии) про­исходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSKи ОРО. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода же­леза из одной аллотропической модификации в другую (у в а) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С пониже­нием температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSEнаходится аустенит. При охлаждении спла­вов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линии GS,и цементита, называемого вторичным, при тем­пературах, соответствующих лини и SE.Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделявшегося из жидкого расплава. В области диаграммыGSPнаходится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже ли­нии GР существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до тем­ператур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQпоказывает, что с понижением температуры

Микроструктура:

а - доэвтектоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участ­ки) при 500х увеличении, б — эвтектоидная сталь — перлит (1000'), в — заэвтектоидная сталь - перлит и цементит в виде сетки (200')

растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

В точке Sпри содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита—перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называютэвтектоидной (рис. 15, б).Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода называ­ютдоэвтектоидными (рис. 15,а), а от 0,8 до 2,14% углерода -заэвтектоидными (рис. 15, в).

При температурах, соответствующих линии PSK,происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием пер­лита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSKназывают линией перлитного превращения.

При температурах, соответствующих линии SE,аустенит насыщен уг­леродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

Вертикaль DFKLозначает, что цементит имеет неизменный химичес­кий состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что сущест­венно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристалли­зации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 16).Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называютдоэвтектическими,а от 4,3 до 6,67% углерода —заэвтектическими.

Микроструктура белого чугуна при 500х увеличении:

а — доэвтектический чугун — перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б—эвтектический чугун —ледебурит (смесь пер­лита и цементита), в - заэвтектический чугун - цементит (светлые пластины) и ледебурит

По достижении температуры 727°С (линия PSK)аустенит, обеднен­ный углеродом доэвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем мень­ше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, со­держащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения со­стоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSKвходящий в него аустенит пре­вращается в перлит, т.е. ледебурит при комнатной температуре представ­ляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое стро­ение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

Диаграмма состояния железо — цементит имеет большое практичес­кое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов терми­ческой обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штам­повка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

studfiles.net

§ 2. Диаграмма состояния железо-цементит

(метастабильное равновесие)

Диаграмма показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита 6,67% С.

Система Fe-Fe3Cметастабильная. Образование цементита вместо графита дает меньший выигрыш свободной энергии, но кинетическое образование карбида железа более вероятно.

Система Fe-С стабильная. Она характерна для сплавов, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде графита.

0,8 2,14 4,3 6,67

Рис. Диаграмма состояния Fe-Fe3C.

Линии и точки диаграммы.

Линия АВСД – линия ликвидус.

На линии АВ из жидкости выпадают кристаллы -феррита. На линии ВС из жидкости выпадают кристаллы аустенита , а на линии СД – первичного цементита.

Линия АНJECF– линия солидус.

На линии АН заканчивается кристаллизация -феррита и ниже её сплавы находятся в твёрдом состоянии со структурой-феррита. ЛинияHJB– линия перитектического превращения при температуре 1499ºС.

Линия ECF– линия эвтектического превращения.

Линия NH– верхняя граница существования двух фаз:-феррита и аустенита, а линияNJ– нижняя граница, соответствует температурам окончания превращения-феррита в аустенит.

Линия GS– верхняя граница существования-феррита и аустенита,GP– нижняя граница.

Линия SE– линия предельной растворимости углерода в-железе, начало выделения ЦII.

Линия PQ– линия предельной растворимости углерода в-железе, начало выделения ЦIII.

Линия PSK– линия эвтектоидного превращения аустенита.

Точки диаграммы.

Обозначение

точки

Температура

ºС

Концентрация

A

1539

0

B

1499

0.51

H

1499

0.1

N

1499

0.16

J

1392

0

E

1147

2.14

C

1147

4.3

F

1147

6.67

D

1600

6.67

G

911

0

P

727

0.02

S

727

0.8

K

727

6.67

Q

20

0.006

§ 3. Первичная кристаллизация сплавов.

Сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится от 0,02% до 2,14%, называются сталями.

Сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится от 2,14% до 6,67%, называются чугунами.

Первичная кристаллизация сталей

В сплавахлежащих левее точки Н(0,1%С)кристаллизация начинается на линии АВ выделением из жидкости кристаллов-феррита. Заканчивается кристаллизация на линии АН и ниже её сплавы находятся в однофазном состоянии в виде- феррита.

В сплавах, содержащих от 0,1 до 0,16%С (т. Н и J)по линии АВ начинает выделяться-феррит. При

температуре 1499º происходит перитектическая реакция (линия HJ):

образуется новый твёрдый раствор аустенит и остаётся избыточная фаза – -феррит.

В сплаве, содержащем 0,16% С (т. J)исходные кристаллы-феррита в результате взаимодействия с жидкой фазой при перитектической реакции полностью превращается в аустенит:

.

В сплавах содержащих от 0,16% С до 0,51% (т. J и В)при перитектической температуре в результате взаимодействия между-ферритом и жидкой фазой образуется аустенит, но жидкая фаза остаётся, хотя и в меньшем количестве:

.

В связи с этим при температурах ниже линии JВ сплав будет двухфазный: аустенит + жидкость. Процесс кристаллизации закончится при достижении температуры линии солидусJЕ. После затвердевания сплавы будут иметь однофазную структуру – аустенит.

Сплавы, содержащие от 0,51% С до 2,14% Скристаллизуются в интервале температур, ограниченном линиями ВС иJE. Ниже линии ВС сплав находится в двухфазном состоянии – аустенит + жидкость. Состав жидкости изменяется по линии ликвидус ВС, а состав аустенита – по линии солидусJE. После затвердевания сплавы будут иметь структуру – аустенит.

Первичная кристаллизация чугунов

Ж.с

Ж.с.+ ж.с

А + Ц1

Л → А + Ц1

Первичная кристаллизация чугунов характеризуется образованием эвтектики. В сплаве, содержащем 4,3% С, называемом эвтектическим, при температуре 1147˚ в точке С из жидкости происходит попеременное выделение кристаллов аустенита и цементита первичного. При этом образуется механическая смесь этих двух кристаллов, которая называется ледебуритом.Ледебурит имеет высокую твердость и низкую пластичность и под микроскопом выглядит в виде темных точек на светлом поле.

В чугунах, содержащих от 2,14%С до 4,3%С , называемых доэвтектическими, первичная кристаллизация начинается на линии ВС выделением из жидкости кристаллов аустенита. С понижением температуры состав жидкости изменяется по линии ликвидус ВС, а состав аустенита - по линии солидус - JE.При достижении температуры 1147˚ жидкость обогащается углеродом , приобретает эвтектический состав и затвердевает с образованием ледебурита. Таким образом, структура доэвтектических чугунов после первичной кристаллизации – аустенит и ледебурит.

В чугунах, содержащих от 4,3% до 6,67%С, называемых заэвтектическими, первичная кристаллизация начинается на линии СД выделением из жидкости кристаллов цементита первичного. При этом с понижением температуры состав жидкости меняется по линии ликвидус ДС и при достижении эвтектической температуры 1147˚ приобретает эвтектический состав. Происходит затвердевание эвтектики – ледебурит. Структура заэвтектических сплавов после первичной кристаллизации – ледебурит и первичный цементит.

studfiles.net

7. диаграмма состояния железо - цементит структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

7. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО - ЦЕМЕНТИТ

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое желе­зо - металл серебристо-белого цвета; температура плавления 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: α и γ. Модификация α существует при температурах ниже 911°С и выше 1392°С; γ-железо — при 911-1392°С.

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.

1. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Рас­творимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначи­тельную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; ψ=80%).

2. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является ниж­ней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеро­дистых сплавах. Аустенит имеет твердость НВ 160-200 и весьма пласти­чен (δ =40-50%).

3. Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (кар­бид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ-800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в оп­ределенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C.

4. Графит - это свободный углерод, мягок (НВ-3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, шаровидной и др.). С изме­нением формы графитовых включений меняются механические и тех­нологические свойства сплава.

5. Перлит (П) - механическая смесь (эвтектоид, т.е. подобный эвтек­тике, но образующийся из твердой фазы) феррита и цементита, со­держащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернис­тым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной тем­пературе зернистый перлит имеет предел прочности σв =800МПа; отно­сительное удлинение δ =15%; твердость НВ 160. Перлит образуется сле­дующим образом. Пластинка (глобула) цементита начинает расти или от границы зерна аустенита, или центром кристаллизации является неме­таллическое включение. При этом соседние области объединяются уг­леродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образова­нию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

6. Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цемен­тита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147°С. Ледебурит имеет твердость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727°С аустенит превра­щается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре

Диаграмма состояния железо — цементит (в упрощенном виде):

А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит, Ф — феррит, Ц — цементит

ниже 727"С ледебу­рит представляет собой уже не смесь аустенита с цементом, а смесь пер­лита с цементитом.

Помимо перечисленных структурных составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды — соединения с кислородом, азо­том, серой и фосфором. На их основе могут образовываться новые струк­турные составляющие, например фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С. Она образуется при больших содержаниях фосфора в чугуне. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика в виде сплошной сетки выделяется по границам зерен и повышает хрупкость чугуна.

Диаграмма состояния железо - цементит. В диаграмме состояния желе­зо — цементит (Fe—Fe3C) рассматриваются процессы кристаллизации железоуглеродистых сплавов (стали и чугуна) и превращения в их струк­турах при медленном охлаждении от жидкого расплава до комнатной тем­пературы. Диаграмма (рис. 14) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Сплавы с содержанием углерода до 2,14% называют сталью, а от 2,14до 6,67% — чугуном.

Диаграмма состояния Fe—Fe3C представлена в упрощенном виде. Первичная кристаллизация, т.е. затвердевание жидкого сплава начинается при температурах, соответствующих линии ликвидуса ACD. Точка А на этой диаграмме соответствует температуре 1539° плавления (затвердевания) железа, точка D - температуре ~ 1600°С плавления (затвердевания) цементита. Линия солидуса АЕСР соответствует температурам конца за­твердевания. При температурах, соответствующих линии АС, из жидко­го сплава кристаллизуется аустенит, а линии CD — цементит, называе­мый первичным цементитом. В точке С при 1147° С и содержании угле­рода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и цементит (первичный), образуя эвтектику — ледебурит. При темпера­турах, соответствующих линии солидуса АЕ, сплавы с содержанием уг­лерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. На линии солидуса ECF сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% окончательно затвердевают с образованием эвтектики (ледебурита) и структур, образовавшихся ранее из жидкого сплава, а именно: в интер­вале 2,14—4,3% С — аустенита, а в интервале 4,3—6,67% С цементита пер­вичного (см.рис. 14).

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержани­ем углерода до 2,14%, т.е. в сталях, образуется однофазная структура — аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14%, т.е. в чугунах, при первичной кристаллизации образуется эвтектика ледебурита.

Вторичная кристаллизация (превращение в твердом состоянии) про­исходит при температурах, соответствующих линиям GSE, PSK и ОРО. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода же­леза из одной аллотропической модификации в другую (у в а) и в связи с изменением растворимости углерода в аустените и феррите. С пониже­нием температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода выделяется из твердых растворов в виде цементита.

В области диаграммы AGSE находится аустенит. При охлаждении спла­вов аустенит распадается с выделением феррита при температурах, соответствующих линии GS, и цементита, называемого вторичным, при тем­пературах, соответствующих лини и SE. Вторичным называют цементит, выделяющийся из твердого раствора аустенита, в отличие от первичного цементита, выделявшегося из жидкого расплава. В области диаграммы GSP находится смесь феррита и распадающегося аустенита. Ниже ли­нии GР существует только феррит. При дальнейшем охлаждении до тем­ператур, соответствующих линии PQ , из феррита выделяется цементит (третичный). Линия PQ показывает, что с понижением температуры

Микроструктура:

а - доэвтектоидная сталь - феррит (светлые участки) и перлит (темные участ­ки) при 500х увеличении, б — эвтектоидная сталь — перлит (1000'), в — заэвтектоидная сталь - перлит и цементит в виде сетки (200')

растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02% при 727°С до 0,005% при комнатной температуре.

В точке S при содержании 0,8% углерода и температуре 727°С весь аустенит распадается и превращается в механическую смесь феррита и цементита—перлит. Сталь, содержащую 0,8% углерода, называют эвтектоидной (рис. 15, б). Стали, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода называ­ют доэвтектоидными (рис. 15, а), а от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидными (рис. 15, в).

При температурах, соответствующих линии PSK, происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием пер­лита, представляющего собой механическую смесь феррита и цементита. Линию PSK называют линией перлитного превращения.

При температурах, соответствующих линии SE, аустенит насыщен уг­леродом, и при понижении температуры из него выделяется избыточный углерод в виде цементита (вторичного).

Вертикaль DFKL означает, что цементит имеет неизменный химичес­кий состав. Меняется лишь форма и размер его кристаллов, что сущест­венно отражается на свойствах сплавов. Самые крупные кристаллы цементита образуются, когда он выделяется при первичной кристалли­зации из жидкости.

Белый чугун, содержащий 4,3% углерода, называют эвтектическим (рис. 16). Белые чугуны, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода, называют доэвтектическими, а от 4,3 до 6,67% углерода — заэвтектическими.

Микроструктура белого чугуна при 500х увеличении:

а — доэвтектический чугун — перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), б—эвтектический чугун —ледебурит (смесь пер­лита и цементита), в - заэвтектический чугун - цементит (светлые пластины) и ледебурит

По достижении температуры 727°С (линия PSK) аустенит, обеднен­ный углеродом доэвтектоидного состава (0,8% углерода), превращается в перлит. После окончательного охлаждения доэвтектические белые чугуны состоят из перлита, ледебурита (перлит + цементит) и цементита (вторичного). Чем больше в структуре такого чугуна углерода, тем мень­ше в нем перлита и больше ледебурита.

Белый эвтектический чугун (4,3% углерода) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита. Белый заэвтектический чугун, со­держащий более 4,3% углерода, после окончательного охлаждения со­стоит из цементита (первичного) и ледебурита. Следует отметить, что при охлаждении ледебурита ниже линии PSK входящий в него аустенит пре­вращается в перлит, т.е. ледебурит при комнатной температуре представ­ляет собой уже смесь цементита и перлита. При этом цементит образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое стро­ение ледебурита является причиной его большой твердости (НВ>600) и хрупкости.

Диаграмма состояния железо — цементит имеет большое практичес­кое значение. Ее применяют для определения тепловых режимов терми­ческой обработки и горячей обработки давлением (ковка, горячая штам­повка, прокатка) железоуглеродистых сплавов. Ее используют также в литейном производстве для определения температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого железоуглеродистого сплава в литейные формы.

ГЛАВА III. ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

8. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ ЧУГУНА И СТАЛИ

Выплавка чугуна и стали. Современное металлургическое производст­во чугуна и стали состоит изсложного комплекса различных производств (рис. 17).

1. Шахт и карьеров по добыче руд, каменных углей, флюсов, огне­упорных материалов.

2. Горно-обогатительных комбинатов, на которых подготовляют руды к плавке обогащают их, удаляя часть пустой породы, и получают кон­центрат - продукт с повышенным содержанием железа по сравнению с рудой.

3. Коксохимических цехов и заводов, на которых осуществляют под­готовку коксующихся углей, их коксование (сухую перегонку при тем­пературе ~ 1000" С без доступа воздуха) в коксовых печах и попутное из­влечение из них ценных химических продуктов: бензола, фенола, камен­ноугольной смолы и др.

4 . Энергетических цехов для получения и трансформации электро­энергии сжатого воздуха, необходимого для дутья при доменных про­цессах кислорода для выплавки чугуна и стали, атакже очистки газов металлургических производств с целью охраны природы и сохранения чистоты воздушного бассейна.

5. Доменных цехов для выплавки чугуна и ферросплавов.

6 Заводов для производства различных ферросплавов.

7. Сталеплавильных цехов - конвертерных, мартеновских, электро­сталеплавильных для производства стал и.

8. Прокатных цехов, в которых нагретые слитки из стали перерабаты­ваются в заготовки (блюмы и слябы) и далее в сортовой прокат, трубы, лист, проволоку и т.п.

Современное производство стали основано на двухступенчатой схе­ме, которая состоит из доменной выплавки чугуна и различных спосо­бов последующего его передела в сталь. В процессе доменной плавки, осуществляемом в доменных печах, происходит избирательное восста­новление железа из его окислов, содержащихся в руде. Одновременно с этим из руды восстанавливаются также фосфор и в небольших коли­чествах марганец и кремний; происходит науглероживание железа и частичное насыщение его серой топлива (кокса). Таким образом из руды получают чугун—сплав железа с углеродом более 2,14%, кремнием, мар­ганцем, серой и фосфором.

Передел чугуна в сталь осуществляют в металлургических агрегатах: в конвертерах, мартеновских и электрических печах. В них из-за ряда про­исходящих химических реакций осуществляется избирательное окисле­ние примесей чугуна и перевод их в процессе плаг-ки в шлак и газы. В результате получают сталь заданного химического состава.

Продукция черной металлургии. Основной продукцией черной метал­лургии являются передельный чугун, литейный чугун, доменные фер­росплавы, стальные слитки и прокат.

Передельный чугун, используемый для передела на сталь, содер­жит 4,0-4.4 % С; до 0,6-0,8% Si; до 0,25-1,0% Mn; 0,15-0,3% Р и 0,03-0,07% S. Некоторые марки чугуна, предназначенные для передела в сталь в конвертерах, имеют пониженное до 0,07% содержание фосфора. До 90% всего выплавляемого чугуна приходится на чугун передельный.

Литейный чугун, предназначенный для производства фасонных отли­вок способами литья на машиностроительных заводах, имеет повышен­ное содержание кремния (до 2,75-3,25%).

Ферросплавы — сплавы железа с повышенным содержанием марганца, кремния, ванадия, титана и других металлов. Их применяют для раскисления и производства легированных сталей. К ферросплавам относят доменный ферросилиций, содержащий 9—13% Si и до 3% Мn; доменный ферромарганец, содержащий 70—75% Мn и до 2% Si; зеркальный чугун с 10-25%Мn и до2%Si.

Стальные слитки, полученные в изложницах или кристаллизаторах, подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Прокат используют непосредственно в конструкциях (мостах, зданиях, железобетонных кон­струкциях, железнодорожных путях, станинах машин и т.д.), в качестве заготовок для изготовления деталей резанием и заготовок для последую­щей ковки и штамповки.

Форму поперечного сечения прокатанного металла называют профи­лем. Совокупность различных профилей разных размеров называют сор­таментом. Сортамент прокатываемых профилей разделяют наследую­щие группы: заготовки, сортовой прокат, листовой прокат, трубы и спе­циальные виды проката.

Заготовки прокатывают в горячем состоянии непосредственно из слит­ков. Заготовки квадратного сечения с размерами от 150 х 150 до 450х450 мм называют блюмами. Они предназначены для последующей прокатки на сортовых станах и в качестве заготовок для изготовления поковок ков­кой. Заготовки прямоугольного сечения толщиной 65—300 мм и шири­ной 600-1600 мм называют слябами. Их используют для прокатки толстых листов.

Сортовой прокат по профилю подразделяют на две группы: простой геометрической формы (квадрат, круг, шестигранник, прямоугольник) и сложной — фасонной формы (швеллеры, двутавровые балки, рельсы, уголки и т.д.).

Листовой прокат подразделяют по назначению (судостроительный, электротехнический, аптолист и т.д.) и по толщине. Листовую сталь с толщиной 4 - 160 мм называют толстолистовой, а с толщиной 0,2-4 мм -тонколистовой. Листы с толщиной менее 0,2 мм называют фольгой.

Трубы также подразделяют по назначению и способу изготовления. Они бывают бесшовные и сварные (с прямым и спиральными швами).

Специальные виды проката — колеса и оси железнодорожных вагонов, кольца, зубчатые колеса, периодические профили и т.п. Периодическим профилем называют прокатанную заготовку, форма и площадь сечения которой периодически изменяются вдоль оси.

Побочными продуктами металлургического производства являются коксовальный газ и извлекаемые из него ценные химические продукты, а также доменный шлаки колошниковый газ. Доменным шлаком назы­вают легкоплавкое соединение флюса (СаСО, — известняк) с пустой по­родой руды и золой топлива. Шлак используют для строительства дорог, из него изготовляют шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковый (доменный) газ после очистки от пыли используют как топливо для на­грева воздуха, вдуваемого в доменную печь, а также в цехах металлурги­ческих заводов.

Современное металлургическое производство все более развивается по пути внедрения малоотходных и безотходных технологических процес­сов.

Схема современного металлургического производства

9. ЧУГУНЫ

Влияние компонентов на свойства чугунов. Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, лучшими литейными свойства­ми. Он не способен в обычных условиях обрабатываться давлением и дешевле стали. В чугунах имеются примеси кремния, марганца, фосфора и серы. Чугуны со специальными свойствами содержатлегирующие эле­менты — никель, хром, медь, молибден и др. Примеси, находящиеся в чугуне, влияют на количество и строение выделяющегося графита.

Механические свойства отливок из чугуна зависят от его структуры. Чугуны имеют следующие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, ледебурит и фосфидную эвтектику. По микроструктуре чугуны делят на белый чугун I (рис. 18), содержащий ледебуритный цементит Ц и перлит П; серый перлитный чугун II, содержащий перлит П и графит Г; серый ферритный чугун III, содержащий феррит Ф и графит Г.

Микроструктуры чугуна

В ферритном чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Существуют чугуны с промежуточными микроструктурами: половинчатый IIа, в котором имеются перлит, ледебуритный цементит и графит; перлитно-ферритный II6, содержащий феррит, перлит и графит; высокопрочный IV- перлит и шаровидный графит.

На образование той или иной микроструктуры чугуна большое влия­ние оказывают его химический состав и скорость охлаждения отливки.

Углерод в обычных серых чугунах содержится в количестве от2,7до 3,7%. Выделение графита увеличивается с повышением содержания углерода в чугуне. Во всех случаях пределы содержания углерода принимают: ниж­ние — для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.

Существенное влияние на образование структуры чугуна оказывает скорость охлаждения отливки, которая становится тем меньше, чем боль­ше толщина стенки отливки. С увеличением скорости охлаждения от­ливки количество цементита в структуре чугуна возрастает, а с уменьше­нием ее в структуре чугуна увеличивается содержание графита. Поэтому при одном и том же химическом составе чугуна отливка, имеющая разную толщину стенок, будет иметь разную микроструктуру, а следовательно, и механические свойства.

Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферри­том и цементитом. Марганец в некоторой степени препятствует графитизации чугуна. Марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Содержание марганца в сером чугуне составляет обычно 0,5-0,8%. Уве­личение содержания марганца до 0,8-1,0% приводит к повышению ме­ханических свойств чугуна, особенно в отливках с тонкими стенками.

Фосфор не оказывает практического влияния на процесс графитизации чугуна. В количестве 0,1 -0,3% фосфор находится в твердом чугуне в растворенном состоянии. Фосфор повышает хрупкость, так как в чугунах с содержанием фосфора около 0,5-0,7% образуется тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P+Fe3C) с температурой плавления 950°С, которая выделяется в виде хрупкой сплошной сети по границам зерен. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатыва­емость чугуна. Для ответственных отливок содержание фосфора допус­кается 0,2-0,3%. Отливки, предназначенные для работы на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% фосфора, тонкостенные отливки и отлив­ки художественного литья - около 1% фосфора.

Сера является вредной примесью, образует при затвердевании серни­стое железо (FeS), ухудшает литейные свойства чугуна (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин). Сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fe + FeS), которая плавится при температуре 988°С. Эвтектика затвер­девает в последнюю очередь и располагается между зернами, приводя к хрупкости и понижению прочности чугуна при повышенных темпера­турах, т. е. к красноломкости. Добавкой марганца в количестве, в 5-7 раз превышающем содержание серы, нейтрализуют ее вредное влияние. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который находится в расплавленном чугуне в твердом состоянии, поскольку плавится при 1620"С. Большая часть образующегося сернистого марганца переходит из жидкого чугуна в шлак. Содержание серы в чугуне ограничивается до 0,12%, а в высокопрочных должно быть не более 0,03%.

Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Ti, Mn, Си и др.) улучшают свойства чугуна. Хром и никель для легирования чугуна обычно применяют сов­местно. В результате легирования чугуна перлит размельчается или об­разуются другие, еще более тонкие структуры.

Белый и серый чугун. Серый и белый чугун ы резко различаются по свойствам. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, плохо обрабатыва­ются режущим инструментом, идут на переплавку в сталь и называются передельными чугунами. Часть белого чугуна идет на получение ков­кого чугуна.

Серые чугуны — это литейный чугун. Серый чугун поступает в произ­водство в виде отливок. Серый чугун является дешевым конструкцион­ным материалом. Он обладает хорошими литейными свойствами, хоро­шо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способ­ностью рассеивать колебания при вибрационных и переменных на­грузках. Свойство гасить вибрации называется демпфирующей способ­ностью. Демпфирующая способность чугуна в 2—4 раза выше, чем ста­ли. Высокая демпфирующая способность и износостойкость обуслови­ли применение чугуна для изготовления станин различного оборудова­ния, коленчатых и распределительных валов тракторных и автомо­бильных двигателей и др. Выпускают следующие марки серых чугунов (в скобках указаны числовые значения твердости НВ) :СЧ 10(143—229), СЧ 15 (163-229), СЧ 20 (170-241), СЧ 25 (180-250), СЧ 30(181-255), СЧ 35 (197-269), СЧ 40 (207-285), СЧ 45 (229-289).

Серый чугун получают при добавлении в расплавленный металл веществ, способствующих распаду цементита и выделению углерода в виде графита. Для серого чугуна графитизатором является кремний. При введе­нии в сплав кремния около 5% цементит серого чугуна практически пол­ностью распадается и образуется структура из пластичной ферритной основы и включений графита. С уменьшением содержания кремния цементит, входящий в состав перлита, частично распадается и образуется ферритно-перлитная струк­тура с включениями графита. При дальнейшем уменьше­нии содержания кремния формируется структура серо­го чугуна на перлитной осно­ве с включениями графита.

Механические свойства серых чугунов зависят от метал­лической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочными являются серые чугуны на пер­литной основе, а наиболее плас­тичными —серые чугуны на ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую проч­ность и не имеет связи с метал­лической основой чугуна, поло­сти, занятые графитом, можно рассматривать как пустоты, над­резы или трещины в металличе­ской основе чугуна, которые значительно снижают его проч­ность и пластичность. Наиболь­шее снижение прочностных свойств вызывают включения графита в виде плас­тинок, наименьшее — включения точечной или шарообразной формы.

По физико-механическим характеристикам серые чугуны условно можно разделить на четыре группы: малой прочности, повышенной проч­ности, высокой прочности и со специальными свойствами.

Легированный серый чугун имеет мелкозернистую структуру и лучшее строение графита за счет присадки небольших количеств никеля и хрома, молибдена и иногда титана или меди.

Модифицированный серый чугун имеет однородное строение по сечению отливки и более мелкую завихренную форму графита. Химический состав шихты для изготовления модифицированного чугуна подбирают таким, чтобы обычный модифицированный чугун затвердевал бы в отливке с отбелом (т.е. белым или половинчатым). Модификаторы — ферросили­ций, силикоалюминий, силикокальций и др. — добавляют в количестве 0,1 —0,3% от массы чугуна непосредственно в ковш во время его заполне­ния. В структуре отливок из модифицированного серого чугуна не со­держится ледебуритного цементита. Вследствие малого количества вводи­мого в чугун модификатора его химический состав практически остается неизменным. Жидкий модифицированный чугун необходимо немедлен­но разливать в литейные формы, так как эффект модифицирования ис­чезает через 10—15 мин.

Высокопрочный чугун. Механические свойства высокопрочного чугуна позволяют приме­нять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелых ус­ловиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляют детали прокатных станов, кузнеч но-прессового оборудования, паровых турбин (лопатки направляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др. Так, напри­мер, коленчатый вал легковой автомашины "Волга" изготовляют из высокопрочного чугуна следующего состава: 3,4-3,6% С; 1,8-2,2% Si; 0,96-1,2% Mn; 0,16-0,30% Cr; <0,01 % S; <0,06% P и 0,01-0,03% Mg. Низкое содержание серы и фосфора и небольшие пределы содержания других химических элементов обеспечиваются тем, что такой чугун выплавляют не в вагранке, а в электрической печи. После термической обработки механические свойства чугуна получаются весьма высоки­ми: Ов= 620-650 МПа; §= 8-12 % и твердость НВ = 192-240.

Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название более пластичного чугуна по сравнению с серым. Ковкий чугун никогда не куют. Отливки из ковкого чугуна получают длительным отжигом отливок из белого чугуна с перлитнс-цементитной структурой. Толщина стенок отливки не должна превышать 40—50 мм. При отжиге цементит белого чугуна распа­дается с образованием графита хлопьевидной формы. У отливокс толщиной стенокболее 50 мм при отжиге будет образовываться нежелательный пластинчатый графит.

Ковкий чугун широко применяют в автомобильном, сельскохозяйст­венном и текстильном машиностроении. Из него изготовляют детали высо­кой прочности, способные воспринимать повторно-переменные и удар­ные нагрузки и работающие в условиях повышенного износа, такие как картер заднего моста, тормозные колодки, ступицы, пальцы режущих аппа­ратов сельскохозяйственных машин, шестерни, крючковые цепи и др. Широкое распространение ковкого чугуна, занимающего по механичес­ким свойствам промежуточное положение между серым чугуном и сталью, обусловлено лучшими по сравнению со сталью литейными свойствами белого чугуна, что позволяет получать отливки сложной формы. Ковкий чугун характеризуется достаточно высокими антикоррозионными свой­ствами и хорошо работает в среде влажного воздуха, топочных газов и воды.

Чугуны со специальными свойствами. Такие чугуны используют в различных отраслях машиностроения тогда, когда отливка, кроме проч­ности, должна обладать теми или иными специфическими свойствами (износостойкостью, химической стойкостью, жаростойкостью и т. п.). Из большого количества чугунов со специальными свойствами приве­дем в качестве примеров следующие.

Магнитный чугун используют для изготовления корпусов электричес­ких машин, рам, щитов и др. Для этой цели наилучшим является ферритный чугун с шаровидным графитом.

Немагнитный чугун используют для изготовления кожухов и бандажей различных электрических машин. Для этого применяют никеле-марган-цовистый чугун, содержащий 7-10% Мп и 7-9% Ni, а также марганцево-меднистый чугун, в котором содержится 9,8% Мn и 1,2-2,0% Си.

Жаростойкий чугун - чугаль содержит 20-25% А1.

К чугунам со специальными свойствами относят также упомянутые ранее ферросплавы - ферромарганец, ферросилиций и т.д., предназна­ченные для раскисления и легирования стали при ее выплавке.

refdb.ru


Смотрите также