Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Так, например, карбид Сг

при температуре 20 °С растворяет до

55 % Fe, образуя сложный карбид (CrFe)

, а карбид Сг

— до

35 % Fe, образуя карбид (Cr, Fe)

Приняты следующие обозначения карбидов: М

С (карбиды

цементитного типа), М

и М

(карбиды, имеющие

кристаллическую решетку карбидов хрома), М

С и М

С (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 М

С, М

, М

и М

С(М

С), 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 Мо

С и W

C. 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 Fe

, Fe

Ti 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

CrMo 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 М

С (рис. 98, б),

выделяющиеся при охлаждении

из аустенита. Доэвтектоидные,

эвтектоидные и заэвтектоидные

легированные стали независимо

от структуры (дисперсности)

эвтектоида или квазиэвтекто-

ида 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— Fe

C перемещаются влево, поэтому

граница между доэвтектоид-ными, заэвтектоидными и

ледебуритными сталями сдвинута в область других содержаний

углерода, чем в системе Fe—Fe

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—Fe 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,

, σ , t )?

ic 0,2 50

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?

ГЛАВА 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 Fe

C. 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 Fe

C. Структура такого чугуна —

перлит, ледебурит и пластинчатый графит

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 Fe

C, входящего в состав перлита.

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)S

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 (Fe

P + аусте-

нит), а в белых — тройной (Fe

C + Fe

P + 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

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

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/мм

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/мм

), 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 мм

, 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 % .

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

марок

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;

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