Влияние химического состава на графитизацию чугуна

Оценка отлично. Московский институт стали и сплавов. ...

Введение…………………………………………………………………………...3
Влияние химического состава на графитизацию чугуна……………………….4
Список литературы………………………………………………………………18

Чугуны - это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.
Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20% всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.
Литейные и механические свойства чугуна зависят от того, насколько близок его состав к эвтектическому.
Чугу ны подразделяются на: доэвтектические (Sэ < 1, Cэв < 4,2–4,3), эвтектические (Sэ 1, Сэк 4,2–4,3) и заэвтектические (Sэ > 1, Cэв > 4,2–4,3).
Чугуны при кристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному: либо в соответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe - Fe3C (белые чугуны, в которых углерод присутствует в виде Fe3C), либо в соответствии со стабильной диаграммой Fe - C (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).

При более низком содержании не весь графит получает шаровидную форму; часть его содержится в виде пластинок, что снижает механические свойства сплава. При повышенном содержании магния (и церия) в структуре сплава образуется цементит и, следовательно, снижаются механические свойства. Оптимальное содержание остаточного магния - 0,04-0,08%-Химический элементСерый чугунВысокопрочный чугунКовкий чугунСераСера снижает прочность и пластичность, но несколько повышает износостойкость сплава, считается вредной примесью, придает чугуну красноломкость (образование трещин при высоких температурах), препятствует выделению графитаЧем выше содержание серы в исходном чугуне, тем труднее получить полностью шаровидную форму графита и, следовательно, высокие механические свойстваСодержание серы в ферритном ковком чугуне, модифицированном алюминием, может быть повышено до 0,2 %; при этом механические свойства возрастают за счет улучшения формы графита. Определяющее влияние на механические свойства чугуна оказывает отношение содержания марганца и серы, которое должно быть в пределах 0,8-3,0ФосфорФосфор на процесс графитизации углерода влияет слабо, но повышает жидкотекучесть сплава, придает чугуну хладноломкость, т. е. хрупкостьФосфор оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства. Чтобы получить чугун с высокой пластичностью, содержание фосфора не должно превышать 0,08%. Для получения чугуна с невысокой пластичностью содержание фосфора увеличивают до 0,12-0,15%Фосфор оказывает такое же, как для серого чугуна влияние на структуру и механические свойства сплаваНикельНикель - легирующий элемент, благоприятно влияет на выравнивание механических свойств в отливках с различной толщиной стенок, повышает твердость на 10 НВ. С увеличением содержания никеля возрастает коррозионная стойкость и улучшается обрабатываемость сплаваНикель влияет на тепло- и электропроводность, а также на коррозионную стойкость и жаростойкость сплава. С увеличением содержания никеля эти свойства повышаютсяНикель способствует графитизации углерода и увеличивает количество перлита в металлической основе сплаваХромХром - карбидообразующий элемент. С увеличением хрома растет прочность и твердость отливок, замедляется процесс графитизации углеродаС увеличением содержания хрома в определенных пределах повышается жаростойкость, коррозионная стойкость и износостойкость сплаваХром замедляет процесс графитизации углерода. Содержание хрома в сплаве не превышает 0,06-0,08%; повышение содержания до 0,1 -0,12% приводит к образованию в структуре сплава стойких карбидовКлассификация серых чугуновСерый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:чугун с пластинчатым графитом; чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун); чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун); чугун с вермикулярным графитом. На рисунке 1 дана обобщенная классификация чугунов по строению металлической основы и форме графита.Рисунок 1. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме графитовых включенийРазличные формы графита в чугуне: а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит. × 200Рисунок 2. Микроструктура чугуновПо сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовые включения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлической основе, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графита определяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка; хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокие демпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.В отдельную группу при классификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, эти чугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные, износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.Чугун с пластинчатым графитом для отливокНа долю серого чугуна с пластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунных отливок. Пластины графита с острыми краями уменьшают живое сечение металлической матрицы и, главное, являются внутренними концентраторами напряжений, способствующими зарождению и развитию трещин. Коэффициент концентраций растягивающих напряжений около пластин графита достигает 7,5. Пластины графита сильно снижают прочность и пластичность чугуна при растяжении. Относительное удлинение серых чугунов с пластинчатым графитом, как правило, не превышает 0,5 – 1,0 % и стандартом не гарантируется. На прочность при сжатии включения графита влияют значительно слабее, поэтому чугун особенно, выгодно использовать для изготовления деталей, работающих на сжатие.Наличие большого количества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делает серый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резким переходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другим неровностям поверхности отливки.Количественные параметры структуры чугуна оценивают в соответствии с ГОСТ 3443–87. Форму, размер, распределение и объемную долю включений графита, соотношение феррита и перлита и дисперсность пластинчатого перлита определяют сравнением с эталонными структурами. Микроструктуры чугунов с пластинчатым графитом приведены на рисунке 3.Рисунок 3. Микроструктура серых чугунов на ферритной (а), феррито-перлитной (б) и перлитной (в) основах. Серый чугун с пластинчатым графитом маркируют буквами СЧ, за которыми следует число, обозначающее гарантируемое временное сопротивление при растяжении в МПа · 10–1. ГОСТ 1412–85 включает шесть основных марок серого чугуна — от СЧ 10 до СЧ 35 (таблица 2). По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24. Сдаточной характеристикой является только sв. Приведенный в таблице 2 химический состав не является сдаточной характеристикой, но от него зависят структура чугуна и, соответственно, уровень sв. Химический состав устанавливает завод-изготовитель отливок для обеспечения необходимого уровня sв.Чем выше углеродный эквивалент, тем ниже прочность. У чугуна СЧ 10 Сэ = 4,25 – 4,6, а у чугуна СЧ 35 Сэ = 3,3 – 3,5. Чугун СЧ 10 по структуре эвтектический или слегка заэвтектический, а чугун СЧ 35 — доэвтектический.Снижение прочности с увеличением Сэ обусловлено большой полнотой графитизации, образованием более крупных включений графита и уменьшением доли перлита (увеличением доли феррита). Чугун СЧ 10 имеет ферритную основу, а чугун СЧ 35 — перлитную. Поскольку строение чугуна зависит не только от его химического состава, но и от условий плавки и литья, то эти условия также влияют на механические свойства чугуна. С ускорением охлаждения мельче становятся включения графита, уменьшается его количество, увеличивается доля перлита и уменьшается межпластиночное расстояние в перлите. Все эти факторы приводят к повышению прочности и твердости при заданном химическом составе чугуна.В реальных фасонных отливках скорости охлаждения зависят от сечения их стенок. С увеличением сечения стенок скорость охлаждения уменьшается, что приводит к снижению sв и НВ. В ГОСТ 1412–85 в качестве справочных данных приведены сведения о влиянии сечения стенки отливки на прочность и твердость чугунов (таблица 2).Таблица 2. Прочность и химический состав (масс. %) чугунов с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412–85)Марка чугунаs в, МПа (кгс/мм2)УглеродКремнийМарганецФосфорСеране более3,5–3,72,2–2,60,5–0,80,30,15СЧ 15150 (15)3,5–3,72,0–2,40,5–0,80,20,15СЧ 20200 (20)3,3–3,51,4–2,40,7–1,00,20,15СЧ 25250 (25)3,2–3,41,4–2,20,7–1,00,20,15СЧ 30300 (30)3,0–3,21,3–1,90,7–1,00,20,12СЧ 35350 (35)2,9–3,01,2–1,50,7–1,10,20,12 Благодаря включениям графита, чугун отличается высокой демпфирующей способностью. Решающее значение для уровня демпфирующих свойств чугуна имеют количество, форма и распределение графита в чугуне.  Наивысший демпфирующей способностью обладают чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 10 и СЧ 15, которые имеют в своей структуре максимальное количество графита (углеродный эквивалент Сэ = 4,25–4,6). Графит делает стружку ломкой, благодаря чему серый чугун хорошо обрабатывается резанием.