1.5 Вопросы для допуска

1. Назовите тему и цель лабораторной работы?

2. Какова структура доэвтектоидной стали?

3. Дать определения микроструктурам сталей и чугунов.

4. Какова структура заэвтектоидной стали?

5. Что необходимо для выполнения этой лабораторной работы?

6. Что такое ледебурит?

7. Для чего нужна диаграмма железо-цементит?

8. Что такое перлит?

9. Что определяют по диаграмме железо-цементит?

10. Чем отличается структура чугуна от структуры стали?

1.6 Порядок выполнения работы

• Отрегулировать освещение, используя диафрагмы и светофильтры микроскопа, подобрать необходимое увеличение.

• Установить на предметный столик микроскопа поочередно микрошлифы стальных и чугунных образов, рассмотреть их микроструктуры и изучить при увеличениях 200-500 раз.

• Пользуясь атласом микроструктур внимательно рассмотреть на фотографиях элементы структур исследуемых углеродистых сталей и чугунов. каждую микроструктуру зарисовать в квадратах размером 40x40 мм.

• Под каждой зарисованной микроструктурой указать степень увеличения, наименование сплава и структурных составляющих

• Пользуясь диаграммой состояния «железо-цеменит» дать описание процессов превращений исследуемых сплавов, происходящих при охлаждении от температуры расплавления до комнатной температуры.

1.7 Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе оформлять на бланке приложения, в котором приводятся следующие данные:

1. Наименование лабораторной работы, фамилия студента, номер учебной группы и дата выполнения работы.

2. Цель работы, ее техническое оснащение, описание методики выполнения работы.

3. Диаграмма состояния «железо-цементит», зарисовки и описания микроструктур стальных и чугунных образцов, выводы о работе.

1.8 Контрольные вопросы.

1 Какова структура белых чугунов?

2 Как можно определить содержание углерода в доэвтектоидной стали?

3 Какова структура высокопрочных чугунов?

4 Как можно определить содержание углерода в заэвтектоидной стали?

5 Что называется сталью и чугуном?

6 Рассказать порядок выполнения работы? Что для этого необходимо?

7 Что представляет собой микроскоп МИМ-8?

8 Рассказать чем отличаются друг от друга ковкий, высокопрочный и серый чугуны?

9 Что такое перлит?

10 Какова структура ковких чугунов?

11 Какое максимальное содержание углерода в чугуне?

12 Какова структура эвтектоидной стали?

13 Какой бывает графит?

14 Какое максимальное содержание углерода в стали?

15 Какую роль выполняет диаграмма железо-цементит?

2 Лабораторная работа микроструктурный анализ чугунов

2.1 Цель работы

Изучение структуры и маркировки чугунов, применяемых для изготовления деталей автомобилей.

2.2 Техническое оснащение работы

• Металлографический микроскоп МИМ -8

• Набор микрошлифов чугунных деталей

• Атлас-микроструктур-чугунов

• 3-4% раствор азотной кислоты HNО₃ в спирте

2.3 Задание

До начала занятий изучить теоретические положения по –методической разработке. На основе эталонных образцов, чугунных деталей изучить под микроскопом их микроструктуры. Изучить маркировку чугунов, применяемых на основных деталях автомобилей. Составить отчет о работе.

2.4 Основные теоретические положения

Чугун является важнейшим материалом для изготовления основных деталей автомобиля; т.к. отличается от стали по технологическим свойствам, лучшими - литейными качествами, малой способности к пластической деформации и дешевле стали. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают: белый чугун, в котором весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита (НВ до 800) или карбида железа. Этот чугун хрупок, тверд и в деталях автомобиля применения не имеет в чистом виде, а используется - для получения ковкого чугуна путем длительного отжига при Т 950-970^ОС. Чугун в котором углерод находится в значительной степени или полностью в свободном состоянии, в виде пластинчатого графита называют серым. Механические свойства этого чугуна зависят от его структуры, главным образом, графитной составляющей. Чугуны можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов и пустот. Так как графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, следовательно, механические свойства чугуна будут зависеть от количества, величины распределения включений графита. На процесс графитизации оказывает влияние химический состав и скорость, охлаждения чугуна после заливки его в формы. Углерод и кремний усиливают графитизацию. Марганец препятствует графитизации и повышает способность чугуна к отбеливанию, т.е. к появлению особенно, в поверхностных слоях структурно свободного цементита. Чем меньше скорость охлаждения чугуна в литейной форме, тем больше степень графитизации. В практических условиях скорость охлаждения определяется главным образом величиной поперечного сечения отливки (толщиной стенки). В зависимости от формы графита и условий его образования различают чугуны: серые, высокопрочные и ковкие.

а б

в

Рисунок 1. Структуры: а) серого б) высокопрочного

в) ковкого чугунов

У серого чугуна графит в виде вытянутых лепестков и его называют пластинчатым. Шаровидный графит имеет форму в современных, так называемых, высокопрочных чугунах, выплавленных, с присадком небольшого количества магния и церия. Форма хлопьевидного графита получается при обжиге белого чугуна в нагревательных печах индукционного типа ОКБ 526, когда неустойчивый цементит распадаясь превращается в графит. Так как процесс длительный отжига и составляет около. 60 часов, то для ускорения процесса применяют различные меры: чугун модифицируют алюминием, реже бором, висмутом и другими элементами, повышают температуру чугуна перед разливкой, применяют перед отжигом старение, чаще в процессе нагрева до 350-400°С, повышают температуру на первой стадии графитизации, но не выше 1080°С и т.д., Такой чугун в практике называют ковким. Кроме формы графитовых включений структура чугунов состоит из металлической основы. По строению металлической основы, чугуны подразделяются на: ферритную, феррито-перлитную, перлитную основы.

Рисунок2. Структура а) серого б) ковкого

в) высокопрочного чугунов на ферритной металлической основе.

а)перлит

графит

графит

графит

перлит

феррит

Рисунок 3. Структура а) серого б) ковкого

в) высокопрочного чугунов на феррито - перлитной металлической основе перлит

графит

а

графит

Рисунок 4. Структура а) серого б) ковкого

в) высокопрочного на металлической перлитной основе

Этой основой обладают все виды чугунов. Из этого можно заключить, что металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, деэвтектоидной стали и железа. Следовательно, по структуре чугуны отличаются от стали тем, что в чугунах имеются графитовые включения предопределяющие специфические свойства чугунов.

Ферритные и феррито-перлитные серые чугуны марок СЧ 20, СЧ 25, СЧ 35 применяются для многих деталей автомобилей. Механические свойства серых чугунов ГОСТ 1412 -85 СЧ 20- расшифровывается как δ _в = 200 МПа (20 кг/мм³) при растяжении. Твердость такого чугуна по ГОСТ 1412-85 составляет НВ 143-255. Для СЧ 35 δ _в = 350 МПа и НВ 179-290, Основные детали, которые изготовляются их этих чугунов : выпускной трубопровод, картер коробки переменной передачи, детали сцепления, тормозные барабаны автомобиля (марок ЗИЛ, ГАЗ и др.). Перлитные чугуны СЧЗО СЧ35, СЧ40 ГОСТ 1412-85 применяют для отечественных деталей, работающих при высоких статических нагрузках, иногда, динамических блок (цилиндров, гильзы цилиндров, маховики) различных автомобилей. В структуре таких чугунов преобладает пластинчатый графит, который получается в результате модифицирования. Модифицирование производится введением в расплав кремния в виде ферросилиция и силикокальция. При этом чугуны очищаются от окислов и газов. Его структура измельчается и повышается механические свойства. К таким модифицированным серым чугунам относятся СЧ45, у которого пластинчатый графит получается мелким в перлитной основе в результате модифицирования отливки получаются плотными δ _в= 635 МПа НВ 229-289. Такой чугун идет на изготовление поршневых колец ДВС. Химсостав такого чугуна: 3,6-4%С, 2,4-3% Si, 0.5 -0.8% Мn, 0.4 – 0,6 Р, 0.12% S, 0.3 % Cr, 0.3% Cu. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом см. Рис 2,3,4 маркируется по ГОСТ 7293-85 буквами ВЧ. Затем следуют цифры. Первые цифры марки показывают среднее значение временного сопротивления при растяжении (кг/мм³, МПа), вторые - относительное удлинение (%).. Чугуны ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ 70-3, ВЧ 80-3, ВЧ 100-4, ВЧ 120-4 имеют перлитную металлическую основу, чугуны ВЧ 45-5 - перлитно-ферритную и ВЧ 38-17. ВЧ 42-12, ВЧ 42-17 - ферритную основу (ГОСТ 7293-85) и, следовательно, более высокую пластичность. Высокопрочный чугун получают введением в чугуны двух модификаторов кремния и магния или церия. Под влиянием магния графит принимает не пластинчатую, а шаровидную форму, меньше ослабляет металлическую основу и не является активным концентратором напряжений. Механические свойства высокопрочного чугуна можно повысить введением легирующих элементов и термической обработкой. В автомобилестроении из высокопрочного чугуна изготавливают коленчатые валы для двигателей ГАЗ, ЗМЗ, УЗАМ и других автомобилей, а также распредвалы из специального легированного чугуна для а/м "Москвич", из легированного чугуна изготавливаются также блоки цилиндров, головки цилиндров, гильзы для двигателей ЯМЗ, а также блоки цилиндров для КАМАЗ - 740, ЯМЗ - 740. Специальный легированный чугун получают добавлением легирующих элементов для получения заданных свойств в чугуне: жаростойкости, жаропрочности, коррозионностойкости и т.д. Например марка чугуна ЧН15ДЗШ, идущего для деталей автомобиля : вставка гильз цилиндров, седла клапанов, выхлопные коллекторы и т.д. расшифровывается так Ч-чугун, Н - никель - 15%, ДЗ -медь - 3%, Ш - шаровидная форма графита, т.е. это легирующие элементы, а без этих добавок он серый чугун с содержанием 2.5- 3% С, 2 - 2.5 Si, 1.3- 1.8% Мn, 0.2% Р, 0.1 % S. НВ 120 - 255 и δ=4%. Тоже и блок цилиндров из легированного чугуна, который получится добавлением присадок легирующих элементов в СЧ. Химический состав такого чугуна составляет: С = 3 - 3.5%, Si = 2.2 - 2.5%, Мn - 0.5 - 0.9%, Р = 0.2 - 0.5%, S до 0.12%, Ni = 0.3-0.6%, Сг - 0.2-0.5%.

Марка высокопрочного чугуна для отливки коленвалов ВЧ 50-2 согласно техническим условиям завода. Химический состав легирующих чугунов определен заводом изготовителем. Высокие механические свойства чугунов, применяемых для коленвалов, обеспечивается закалкой с нагревом до 950°С, охлаждение до 600°С и подогревом до 400° - 725°С с длительной выдержкой при этой температуре. При этом получается структура мелкозернистого перлита и обеспечивается твердость до HRc 52-56.

Химический состав белого чугуна обжигаемого на ковкий, имеет пониженное содержание углерода меньше 3%, и кремния меньше 2%, что способствует повышению пластичности, т.к. при этом уменьшается количество графита, выделяющего при обжиге, а пониженное содержание кремния исключает появление пластинчатого графита в структуре отливок при охлаждении их (когда он был белым чугуном) к форме. При нагревании такого чугуна выше 727°С образуется аустенит и цементит, который распадается при дальнейшем нагревании до 950 - 970°С на хлопьевидный графит. Затем после выдержки при этой температуре его охлаждают до 740°С с длительной выдержкой, что вызывает распад цементита, входящего в перлит. При таком томлении (отжиге), весь связанный в цементите углерод распадается в виде хлопьевидного графита, и структура металлической основы будет графитная. Ковкий чугун маркируется по ГОСТ 1215 - 79 буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают на временное сопротивление при растяжении (кг/мм³, МПа), вторые - относительное удлинение в (%). Ферритные ковкие чугуны КЧ 35 - 10, КЧ 37-12 и др. используют для изготовления многих деталей автомобилей, работающих при значительных нагрузках: картер главной передачи (редуктор), картер рулевого управления, ступицы колес, чашки дифференциала, корпуса цилиндров тормозной магистрали и др. КЧ 30-6 и КЧ 33-8 для менее ответственных деталей (головки, хомутики, гайки, муфты, глушители, фланцы). Твердость ферритного чугуна НВ 163 не более. Перлитные ковкие чугуны КЧ50-4, КЧ 63-2 обладают высокой прочностью, умеренной пластичностью и хорошими антифрикционными свойствами. Твердость перлитного чугуна НВ 241 - 269. Из перлитного ковкого чугуна изготавливают вилки карданных валов, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д. Для повышения твердости, износостойкости и прочности ковкого чугуна иногда применяют нормализацию с 800 - 850°С или закалку с 850 -900°с и отпуск при 450 - 700°С. Находят применение в деталях автомобилей антифрикционные чугуны по ГОСТ 1585-85 марки АЧС, АЧВ, АЧК. А -антифрикционный, Ч- чугун, С- серый, В - высокопрочный, К - ковкий с соответствующей структурой графита: пластинчатым для АЧС, шаровидным - АЧВ, хлопьевидным - АЧК. После буквенного обозначения идет цифра 1,2,3,4 и т.д., которая указывает на номер марки. Эксплутационные характеристики некоторых антифрикционных чугунов составляют: АЧС - 2 НВ 180-230, р = 1.8 МПа V = 0.2 м/с предназначен для работы в паре с закаленным или нормализованным валом. АЧВ - 2 НВ 210 - 260, р = 12 МПа V = 1 м/с предназначается в узлах трения с сырым в состоянии поставки валом. АЧК-2 НВ 190- 280, р = 12 МПа V = 1 м/с для работы с сырым валом. Применяются чугуны для втулок разводных кулаков, всевозможных направляющих узлов трения там, где поверхность смазывается.