Лабораторная работа №4 структура чугунов
Цель работы: ознакомится с микроструктурой белых и графитных чугунов.
Общие сведения
Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% С называется ЧУГУНОМ.
Однако, строго говоря, чугун является многокомпонентным сплавом: в промышленных марках содержится Si, Mn, P, S.
В небольших количествах может присутствовать Cr, Ni, Cu, которые попадаю из руды. Соответственно диаграмма состояния сплавов «железо-углерод» только в первом приближении описывает поведение сплавов, которые относят к чугунам. Вместе с тем, изучение бинарной системы, рассмотрение вопроса в целом, позволяет получить необходимые и наиболее ценные сведения по характеру важнейших структкрно-фазовых изменений, протекающих в чугунах.
Рассматривая область чугунов в диаграмме, следует подчеркнуть, что по сравнению с областью сталей она отличается большей сложностью. Это связано с возможностью выделения углерода в двух формах: связанном (Fe3C) и свободном (графит) виде. Соответственно отличают метастабильную («Fe-Fe3C» сплошные линии на рис. 1) и стабильную («Fe-C – пунктирные линии») диаграммы состояния сплавов «железо-углерод».
Решающее влияние на форму выделения углерода оказывают условия кристаллизации (главным образом, скорость охлаждения в зоне первичной кристаллизации) и химический состав чугунов. При малых скоростях кристаллизации (до 10 К/мин) углерод из жидкой фазы выделяется в свободном состоянии (графит), при больших скоростях процесс протекает с выделением углерода в связанном состоянии (цементит). Перегрев чугуна, способствуя растворению твердых частичек (тугоплавкие примеси), являющихся обычно зародышами графита, приводит к образованию метастабильной структуры. Повышение содержания углерода в чугунах увеличивает вероятность и образования графита. Однако снижение углерода отрицательно сказывается на жидкотекучести. Стимулирует процесс графитизации такие элементы, как Si, Ni, Cu (особенно Si). Отбеливающими элементами, препятствующими процессу графитизации, являются S, Mn, Cr и др. поэтому на степень графитизации чугуна регулируется изменением количественного отношения кремния и марганца. Введение в чугун малых добавок Mg, Ca, Al и других элементов, образующие тугоплавкие окиси, на поверхности которых адсорбируются атомы углерода, облегчает образование графита. Такие добавки, изменяющие химический состав чугуна, но влияющие на процесс кристаллизации, называются МОДИФИКАТОРАМИ.
Таким образом, в зависимости от кристаллизации и химического состава, углерод в чугунах может находиться в связанном (цементит) или свободном (графит) состоянии. Соответственно чугуны делятся на две большие группы: БЕЛЫЕ и ГРАФИТНЫЕ.
Белые чугуны
Белые чугуны, фазовые превращения которых протекает согласно диаграмме состояния Fe-Fe3C, в зависимости от количества углерода подразделяются по микроструктуре на эвтектические (содержащие 4,3 % углерода), доэвтектические (с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %) и заэвтектические (с содержанием углерода более 4,3 %).
Чугуны эвтектического состава также называются ледебуридными и представляют собой в момент образования в метастабильной системе механическую смесь аустенита состава точки Е и цементита. Образование эвтектики происходит при температуре 1147° C по реакции
При дальнейшем охлаждении, вплоть до температуры эвтектоидного превращения (линия «PSK» на рис.1), состав аустенита изменяется по «» линии «SE» с одновременным выделением цементита вторичного (ЦII). При температуре 727° С происходит эвтектоидное превращение аустенита состава точки «S» в перлит (механическая смесь феррита состава точки «P» и цементита) по реакции
В процессе охлаждения до комнатной температуры состав феррита изменяется по линии «PQ» с выделением третичного цементита (ЦIII). При комнатной температуре эвтектика (ледебурит) состоит из механической смеси феррита состава точки «Q» и цементита.
Структура эвтектического чугуна представлена на рис. 2 а. Она состоит из одного ледебурита.
Структура доэвтекического чугуна при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита, цементита вторичного и третичного. Однако в оптическом микроскопе наблюдается две структурные составляющие: перелит в виде темных крупных зерен и ледебурит – темные вкрапления перлита на светлой цементитной основе (рис. 2 б).
Структура белого заэвтектического чугуна состоит из цементита первичного (крупные светлые пластины) и ледебурита (рис. 2 в). Присутствие в белых чугунах цементита обуславливает его высокую твердость и хрупкость.
Применение белых чугунов для изготовления деталей машин ограниченно. В отдельных случаях белый доэвтектический чугун используют в качестве литейного материала для изготовления деталей, работающих на износ (прокатный валки, тормозные колодки, лемехи плугов и т.п.). чаще всего литые детали из белого доэвтектического чугуна подвергают длительному графитизирующему отжигу, в процессе которого белый чугун превращается в ковкий. Белый заэвтектический чугун относится к числу предельных и используется при производстве стали.