Исседование микроструктуры чугунов

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Нефти и Газа

институт

Разработка  и эксплуатация нефтяных и газовых  месторождений

кафедра

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Изучение  микроструктуры чугунов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преподаватель                         __________               Галиахметов Р.Н.

                                                              подпись, дата                          

 

        Студент     ГБ 12-04             __________   

                                      номер группы        номер зачетной книжки         подпись, дата      инициалы, фамилия

 

 

Красноярск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

 

Цель работы……………….………………………………………………….…. .3

Приборы и материалы…….……………………………………………………...3

Краткие теоретические сведения………………………………………………..4

Задания к лабораторной работе……….……………..…………………………17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель  работы

Изучить микроструктуру различных  видов чугунов: белого, серого,

ковкого, высокопрочного.

 

Приборы и материалы

Микроскоп МИМ-7; комплект микрошлифов  чугунов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Краткие теоретические  сведения

Чугун является одним из основных среди литейных материалов, применяемых в металлургии  и машиностроении. Широкое распространение  отливок из чугуна объясняется экономической  целесообразностью получения деталей сложной формы путем литья.

Чугун отличается лучшими технологическими свойствами: жидкотекучестью, хорошим заполнением формы в тонких сечениях и малой усадкой.

 

2.1. Классификация чугунов по  состоянию 

углерода и форме графита

 

Чугунами называются сплавы железа с углеродом и другими элементами при содержании углерода свыше 2,14%, то есть более предельной растворимости углерода в гамма-железе. Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии (в виде цементита) и в свободном состоянии (в виде графита). Состояние углерода в чугуне и форма графитных включений играют решающую роль в достижении наиболее высоких показателей механических свойств. Поэтому главными классификационными признаками чугунов являются состояние углерода (связаннее или свободное) и форма графитных включений (пластинчатая или округлая). В соответствии с этим различают:

• белый чугун - весь углерод в белом чугуне находится в связанном состоянии в виде карбида железа - цементита;
• серый чугун - углерод в основном находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы и частично может находиться в перлитной составляющей металлической основы в виде цементита (до 0,8);
• высокопрочный чугун содержит до 0,8% С в металлической основе в связанном состоянии, а остальной углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита;
• ковкий  чугун получается путем отжига (графитизирующий отжиг или томление) отливок белого чугуна, в результате чего цементит распадается с образованием своеобразных по форме хлопьевидных графитных включений, при этом связанный углерод присутствует только в перлите металлической основы.

 

2.2. Получение и практика использования  чугунов

 

Строение  белых чугунов формируется при  первичной кристаллизации в соответствии с диаграммой состояния "железо-цементит" (рис.1).

В зависимости  от содержания углерода белые чугуны классифицируются:

-  на  эвтектические, содержащие 4,3% С;

-  доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% С;

-  заэвтектические, содержащие свыше 4,3% С.

При дальнейшем охлаждении происходят вторичные превращения, обусловленные распадом аустенита, с выделением вторичного цементита и образованием перлита. Однако форма структурных составляющих, полученных при затвердевании, сохраняется.

Белые чугуны являются весьма твердыми (до 750 НВ), в  связи с чем их используют как конструкционный материал для изготовления деталей,  которые подвержены в эксплуатации интенсивному изнашиванию, например шары для мельниц и камнедробилок, дробь для очистки литых деталей в дробеструйных аппаратах и др. Используются также белые чугуны в металлургической промышленности в качестве передельных на сталь и для получения ковких чугунов. В связи с повышенной хрупкостью и трудной обрабатываемостью резанием белые чугун, как конструкционный материал, имеют ограниченное применение.

 

Рис.1. Диаграмма  состояния “железо-цементит”

 

Используются  в практике белые чугуны,  как  правило, доэвтек-тического состава: 2,8...3,6% углерода; 0,5...0,8% кремния; 0,4...0,6% марганца.

В настоящее  время развивается новое направление  использования белых чугунов, получаемых наплавкой, на быстроизнашивающихся поверхностях рабочих органов землеройных машин.

Серый чугун получают при более медленном охлаждении, чем белый чугун. Скорости охлаждения до 0,1 град/мин обусловливают необходимость в меньших степенях переохлаждения для начала кристаллизации, которая начинается с выделения графита. При таких, более равновесных, условиях кристаллизации получается стабильная диаграмма состояния сплавов "железо-графит", отличие которой от железо-цементитной диаграммы состояния показано пунктирными линиями на рис.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Диаграмма  состояния:

сплошные  линии – цементитная система; пунктирные- графитная

 

Вместе  с тем, практика получения серых чугунов существенно отличается от условий равновесия, вытекающих из стабильной диаграммы состояния "железо-графит". В реальных условиях структура серого чугуна в отливке зависит не только от скорости кристаллизации, обусловливаемой толщиной стенки отливки, но и в сильной мере от химического состава сплава.

Наибольшее  влияние на процесс графитизации оказывает кремний, который вводится в сплав в повышенных количествах. Учитывая сильное влияние кремния на процесс структурообразования, серый чугун (в отличие от стали) рассматривается как трехкомпонентная система: "железо-углерод-кремний". Типичный состав серого чугуна: 3,5...3,6% углерода; 1,5...3,0% кремния; 0,4...0,6% марганца; 0,3...0,8% фосфора; 0,10...0,12% серы. Иногда в серый чугун вводят и другие элементы, например, хром, никель, медь или повышенное содержание фосфора и др. Делают это с целью достижения более высоких механических, антикоррозийных, износостойких и дp. свойств. Такие серые чугуны называются легированными или специальными. Процесс структурообразования в них будет еще зависеть от характера влияния легирующих добавок.

Применяются серые чугуны довольно широко: в  станкостроении (станины, литые корпусные  детали, червяки, шестерни); в автотракторостроении (блоки цилиндров, цилиндры, поршни); в турбино- и сельхозмашиностроении и т.д.

Высокопрочный чугун получают путем двойного модифицирования. Вначале в расплав вводят редкоземельные или щелочные металлы, например, магний, церий, бор и др., а затем - кремний или силикокальций. Первый модификатор (обычно вводится в количестве 0,3…0,5%), являясь поверхностно активным, способствует формированию сфероидальных зародышей графита, а второй - инициирует процесс графитизации. Примерный состав высокопрочного чугуна: 3,3% углерода: 2,2…2,5% кремния; 0,5...0,8% марганца; 0,14% фосфора; 0,2 % серы.

Применяются высокопрочные чугуны для отливки  деталей ответственного назначения: коленчатых валов, валков прокатных станов, подшипников скольжения, шаботов, молотов, деталей вентилей, компрессоров и др. Широкое распространение высокопрочного чугуна сдерживается технологической трудностью введения первого модификатора в расплав чугуна из-за вызываемого им сильного пиротехнического эффекта.

Ковкий чугун получают длительным отжигом (томлением) отливок из белого чугуна следующего состава: 2,4...2,8% углерода; 0,8...1,4% кремния; до 1,0% марганца; до 0,1% серы; до 0,2% фосфора. В результате отжига цементит графитизируется, приобретая форму хлопьевидных включений. Получаемый чугун характеризуется повышенными показателями пластичности и вязкости по сравнению с серым литейным чугуном. Отжиг, в основе которого лежит диффузионный механизм образования структурно свободного углерода (графита хлопьевидной формы), является длительной операцией и составляет 70...80 ч (рис.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Режимы термической обработки ковкого  чугуна

 

В зависимости  от степени завершенности графитизации на 2-й стадии (рис.3) микроструктура металлической основы ковкого чугуна будет ферритной или перлитной. В изломе ферритный ковкий чугун имеет темный цвет и его принято называть черносердечным, а перлитный ковкий чугун по его цвету излома - светлосердечным.

Применять ковкий чугун, как конструкционный материал, целесообразно для деталей, работающих в трудных условиях знакопеременных и вибрационных нагрузок. В практике из ковкого чугуна изготовляют детали, работающие при высоких динамических и статических нагрузках (картеры редукторов, задние мосты, ступицы, крюки, скобы, кронштейны и др.), детали, испытывающие в работе повышенный износ (вилки карданных валов, шестерни, собачки, звенья и ролики цепей конвейеров, муфты, тормозные колодки, подшипники скольжения). Следует отметить, что из ковкого чугуна изготовляют детали сечением до 50 миллиметров. Объясняется это тем, что в отливках с большей толщиной не удается предотвратить образование пластинчатого графита при первичной кристаллизации, лишая тем самым ковкий чугун преимуществ перед серым чугуном.

 

 

 

2.3. Термическая обработка чугунов

 

К чугунам  применяют те же операции термической  обработки, что и для стали: отжиг, нормализацию и закалку с отпуском. Термообработкой достигаются следующие цели:

- устранение  напряжений в отливках для предохранения их от коробления и растрескивания;

-  изменение  структуры металлической основы  чугуна для улучшения обрабатываемости резанием или получения заданных физико-механических свойств;

-  устранение  отбеленной корки.

Наиболее  часто для чугунов применяются  следующие виды отжига.

Отжиг   низкотемпературный    с нагревом до 550°С и выдержкой 1...8 часов. Цель отжига - предотвратить коробление и трещинообразование на отливках при механической обработке и в эксплуатации. Строение чугуна при таком отжиге остается неизменным. Иногда этот отжиг называют стабилизирующим или старением. Применяется ко всем видам чугунов.

Отжиг графитизирующий с нагревом до диапазона температур 650...750 °С и выдержкой при этих температурах, обеспечивающей распад эвтектоидного цементита. Конечная микроструктура после отжига состоит из перлита и графита. В заводской практике этот вид отжига может называться смягчающим, или низким, или отжигом для улучшения обрабатываемости резанием. Применяется для всех видов чугунов.

Отжиг графитизирующий высокотемпературный с нагревом до 950°С    и выдержкой, достаточной для распада цементита и образования структуры, состоящей из аустенита и графита. Такой отжиг применяют для чугунов с исходной структурой, состоящей из ледебурита и перлита или ледебурита, перлита и графита. После отжига структура чугуна состоит из феррита и графита или феррита, перлита и графита. В заводской практике этот вид отжига можно встретить под названиями «отжиг отбеленного чугуна»,  «снятие отбела»,  «отжиг кокильного литья». В этих целях применяют иногда и нормализацию.

В качестве упрочняющей термообработки применяется  закалка с последующим отпуском. Температура нагрева под закалку  выбирается в интервале 830...950°С, а отпуска - ниже нижней критической точки, как и для стали. Микроструктура металлической основы чугуна после закалки с отпуском может быть: мартенсит отпущенный, троостит отпуска или сорбит отпуска. В заводской   практике этот вид упрочняющей обработки может называться как "закалка", "улучшение" или "термическая обработка для повышения механических свойств".

 

2.4. Маркировка чугунов

 

Серые, высокопрочные  и ковкие чугуны классифицируются по маркам, различающимся между собой уровнем гарантируемых механических свойств.

Серые чугуны обозначаются по ГОСТ 1412-85: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20 ... СЧ 35. Расшифровывается марка следующим образом: СЧ - серый   чугун, двузначная цифра характеризует предел прочности серого чугуна при растяжении в кгс/мм.

Высокопрочные чугуны подразделяются по ГОСТ на восемь марок (ГОСТ 7293-85): ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45 ... ВЧ 100. Читается марка так: ВЧ - высокопрочный чугун, двузначная или трехзначная цифра показывает предел прочности при растяжении в кгс/мм².

Ковкие чугуны делятся по ГОСТ 1215-79 на одиннадцать марок: КЧ 30-6, КЧ-33-8, КЧ 35-Ю … КЧ 80-1,5. Расшифровывается марка ковкого чугуна следующим образом: КЧ -ковкий чугун; первая двузначная цифра гарантирует минимальный предел прочности при растяжении в кгс/мм², вторая однозначная или двузначная - относительное удлинение в %.

Специальные чугуны, предназначенные для работы в особых условиях эксплуатации, удовлетворяют повышенным требованиям по жаростойкости, износостойкости и коррозионной стойкости. Как правило, такие чугуны легируются хромом, кремнием, никелем и др. элементами.