4. Микроструктурный анализ чугунов
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие от 2,14 до 6,67% С (рис. 2.1). Углерод в них может находиться как в химически связанном состоянии в виде цементита Fе3С, так и в структурно-свободном в виде включений графита. Соответственно чугуны, кристаллизующиеся по диаграмме «Fe – Fe3C» называются белыми, а по диаграмме «Fe – C» – серыми. Графитизации способствует низкая скорость охлаждения и наличие графитообразующих элементов Si, С.
В белых чугунах большая часть углерода находится в виде цементита Fe3C. Их получают при высокой скорости охлаждения и наличии карбидообразующих элементов Мn, Cr, S. В структуре белых чугунов имеется высокоуглеродистая эвтектика – ледебурит (С = 4,3 %) – смесь аустенита и цементита первичного. При охлаждении ниже 727°С аустенит превращается в перлит, поэтому ледебурит при комнатой температуре называют превращенным, а структурными составляющими белых чугунов, по существу, являются цементит (первичный и вторичный) и перлит. Эвтектический белый чугун (С = 4,3 %) состоит полностью из ледебурита превращенного (мелкодисперсионная смесь светлого цементита и мелких темных зерен перлита) (рис. 2.3, а). Доэвтектический белый чугун (2,14 < С < 4,3 %) состоит из перлита (крупные темные зерна), ледебурита превращенного (перлито-цементитная мелкодисперсионная смесь) и цементита вторичного (светлые пластины, сливающиеся с цементитом ледебурита) (рис. 2.3, б). Заэвтектический белый чугун (С > 4,3 %) состоит из цементита первичного (крупные светлые пластины) и ледебурита превращенного (рис. 2.3, в).
а)
б)
в)
Рис. 2.3. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектического;
б – эвтектического; в – заэвтектического
Белые чугуны используются в основном как передельные – в качестве полуфабриката для производства стали и ковкого чугуна. В машино-строительных конструкциях применяются в редких случаях, вследствие сложности обработки из-за высокой твёрдости структурных составляющих.
В серых чугунах часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде включений графита. Графитовые включения резко понижают прочность (особенно при растяжении) и пластичность чугунов, т.к. нарушают сплошность металлической основы. Степень понижения механических свойств обуславливается количеством и формой включений графита, а также их размерами и равномерностью распределения. В зависимости от формы графитовых включений, разновидностями серых чугунов являются: серый обычный, ковкий и высокопрочный.
Структурная особенность серых обычных чугунов состоит в том, что включения графита имеют в поле зрения микроскопа форму изогнутых пластинок (рис. 2.4, а). Включения графита пластинчатой формы действуют как внутренние трещины, разупрочняющие металлическую основу. Чем крупнее и длиннее пластинки графита, менее обособлены друг от друга, тем сильнее их отрицательное влияние на механические свойства. Для измельчения пластинок графита применяют модифицирование Si.
Маркируют обычные серые чугуны буквами СЧ (ГОСТ 1412-85) и цифрами, обозначающими значение предела прочности при растяжении σВ . Так, наилучшими по механическим свойствам являются серые чугуны марок СЧ40 и СЧ45, соответственно σВ ≥ 400 и 450 Н/мм2. Их применяют для изготовления достаточно ответственных деталей машин.
Ковкие чугуны – это чугуны с хлопьевидной формой графитовых включений (рис. 2.4, б). По сравнению с пластинчатым, хлопьевидный графит располагается в металлической основе более компактно, поэтому в меньшей степени разупрочняет ее. Ковкие чугуны (название условное, характеризующее повышенную пластичность) получают специальным графитизирующим отжигом отливок доэвтектического белого чугуна.
Р
а)
б)
в)
б – ковкий ферритный; в – высокопрочный феррито-перлитный
Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ (ГОСТ 1215-79) и числами: первое обозначает значение предела прочности при растяжении σВ, второе относительное удлинения δ. Например, чугун марки КЧ35-10 имеет σВ ≥ 350 Н/мм2 и δ ≥ 10 %, что указывает на хорошее сочетание прочности и пластичности. Ковкие чугуны используют для изготовления деталей машин, работающих при средних и высоких статических и динамических нагрузках: кронштейнов, корпусов редукторов.
Высокопрочные чугуны – это чугуны с шаровидной формой графитовых включений. Шаровидный графит – это менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый и хлопьевидный, поэтому в меньшей степени разупрочняет металлическую основу. Высокопрочные чугуны получают введением в жидкий чугун магния, церия или иттрия, способствующих сфероидизации графита (рис. 2.4, в).
Маркируют высокопрочные чугуны буквами ВЧ (ГОСТ 7293-85) и числом, обозначающим значение предела прочности при растяжении σВ. Например, чугун марки ВЧ100 имеет σВ ≥ 1000 Н/мм2. Высокопрочные чугуны используют для изготовления деталей машин, работающих при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания: коленчатых валов, крупных деталей, корпусов турбин, насосов и др.
Механические свойства серых чугунов (серого обычного, ковкого, высокопрочного) в значительной степени определяются структурой металлической основы. Последняя зависит от того, насколько полно произошёл распад цементита при кристаллизации:
а) свободный цементит распался полностью, а находящийся в перлите сохранился. Металлическая основа чугуна состоит из перлита и он имеет дополнительное название перлитный;
б) свободный цементит распался полностью, а находящийся в перлите частично. Металлическая основа чугуна состоит из феррита и перлита и он дополнительно называется феррито-перлитным;
в) при распаде всего цементита (свободного и входящего в перлит) металлическая основа полностью состоит из феррита. Это ферритный чугун.
Серые чугуны с перлитной структурой имеют наибольшую прочность, твердость, износостойкость.
По сравнению со сталями, серые чугуны являются более дешевым конструкционным материалом и имеют хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, низкую усадку и др.). Кроме того, включения графита обеспечивают серым чугунам хорошую обрабатываемость резанием, антифрикционные свойства и способность гасить вибрации, в то же время плохую свариваемость и слабые магнитные свойства.