1. Идентификация чугунов по структурным составляющим

Цель занятия - приобрести практические навыки идентификации (распознавания) чугунов по структуре.

Задачи:

изучить теорию вопроса, объясняющую возможность получения чугунов с разными свойствами при одинаковом химическом составе;

изучить зависимость свойств чугунов от их структуры;

приобрести навыки идентификации чугунов по структурным составляющим при просмотре шлифов на металлографическом микроскопе;

экспериментально определить разновидности чугуна по шлифам из имеющейся коллекции.

ВВЕДЕНИЕ

Чугун широко применяется в машиностроении в качестве конструкционного материала для изготовления корпусных деталей машин и механизмов (корпуса насосов, детали запорной и регулирующей арматуры, станины станков и др.) методом литья. Этому способствует ряд особенностей, присущих чугуну:

являясь продуктом первичной переработки железных руд, чугун имеет более простую технологию обработки и более низкую (в сравнении со сталью и другими сплавами) себестоимость;

обладает хорошими литейными свойствами, поэтому изготовление корпусных деталей довольно сложной формы методом литья является наиболее технологичным и экономически оправданным в сравнении с другими методами обработки (ковка, штамповка, механическая обработка);

обладает довольно хорошей сопротивляемостью коррозионному разрушению при ограниченном применении специальных мер по защите от воздействий коррозионно-активной среды.

Свойства чугуна существенно зависят от состава и структуры, поэтому для специалистов, практическая деятельность которых будет связана с проектированием, сооружением и эксплуатацией трубопроводов, предназначенных для транспортирования нефти и нефтепродуктов, представляется важным изучение методов идентификации чугуна по структуре для более обоснованного использования свойств чугунных деталей.

При выполнении данной лабораторной работы студенты приобретают навыки распознавания, идентификации чугуна по структурным составляющим и изучают свойства, характерные для отдельных его разновидностей.

1.1. Разновидности чугунов и области их применения

Чугун является продуктом первичной переработки железной руды в домнах. Теоретически (по диаграммеFe-Fe₃Cна рис. 1.1) чугун может содержать от 2,14% до 6,67% углерода; практически он обычно содержит до 4,3%С. При более высоком содержании углерода чугун становится очень твёрдым, труднообрабатываемым и хрупким. Кроме углерода чугун ещё содержит кремний (от 0,5 до 4,5%), марганец (от 0,4 до 1,3%), а также серу (0,08-0,12%) и фосфор (0,3-0,8%), небольшое количество примесей хрома, никеля и других элементов. Как это часто бывает, входящие в состав чугуна компоненты оказывают противоречивое влияние на его свойства. Так,кремний способствует графитизации углерода, делает чугун более мягким, легко обрабатываемым; марганец препятствует графитизациии способствует образованию цементитаFe₃C, т.е. повышает прочность, твёрдость и хрупкость чугуна.Сера снижает жидкотекучесть, способствует, как и марганец, отбеливанию чугуна, поэтому является нежелательной примесью.Фосфор- полезная примесь,повышает жидкотекучестьпри сохранении твёрдости и износостойкости чугуна. Никель, хром, алюминий, молибден и другие элементы улучшают свойства чугуна. Специальные чугуны,ферросплавы(ферромарганец, ферросилиций), используемые при выплавке сталей, содержат повышенное количество марганца и кремния.

Примерно 80% выплавляемого в домнах чугуна предназначается для переплавки в сталь (передельные чугуны, ферросплавы), часть чугуна используется для изготовления деталей методом литья (литейные чугуны). Именно литейные чугуны, обеспечивающие возможность получения отливок с заданными свойствами, рассматриваются в настоящей работе более подробно.

Рис. 1.1. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

По содержанию углерода и по структуре чугуны делятся на три разновидности: доэвтектические,эвтектическиеизаэвтектические.

Структура эвтектического чугуна при 4,3% С на 100% состоит из ледебурита, который при комнатной температуре является механической смесью перлита и цементита и характеризуется наименьшей температурой плавления. Присутствие цементита в структуре эвтектического чугуна в виде сплошной сетки, в которой размещены колонии перлита, способствует повышению его твёрдости (НВ>600) и хрупкости.

Доэвтектические чугуны (от 2,14 до 4,3% С) кроме ледебурита имеют в структуре перлит и цементит (вторичный). Регулируя температуру охлаждения, в структуре отливок из доэвтектического чугуна можно получать свободный графит, что приводит к снижению твёрдости и повышению пластических свойств.

Заэвтектические чугуны (выше 4,3% С) кроме ледебурита содержат в структуре цементит первичный; по причине высокой твёрдости и хрупкости отливок заэвтектические чугуны в основном используются для передела в сталь.

Управляя режимом охлаждения, изменяя состав (путём введения модификаторов), и структуру чугуна можно получать отливки с разными свойствами.

При быстром охлажденииотливок из чугуна углерод не успевает выделиться из связанного (Fe₃C) состояния, чугун получается очень твёрдым, хрупким, с изломом белого цвета, поэтому его называютбелым. Отливки из белого чугуна практически невозможно подвергать механической обработке, поэтому этим способом изготавливают непосредственно методом литья размольные элементы мельниц, дробилок для измельчения полезных ископаемых (шары), опорные (траки) и породоразрушающие элементы землеройных машин и т.д.

Примедленном охлажденииотливок часть углерода в них выделяется в виде графита, имеющего форму изогнутых в пространстве пластин (рис. 1.2,а); чугун в изломе имеет серый цвет и называетсясерым.Достоинствасерого чугуна: хорошая жидкотекучесть, малая твёрдость, хорошая обрабатываемость, высокие демпфирующие возможности (станина из серого чугуна хорошо гасит колебания и вибрации, возникающие при работе станка).

а б в

Рис. 1.2. Структура чугуна: