Л8 Материаловедение. Чугуны

1.

1
Железоуглеродистые сплавы.
Чугуны.

2.

2

3. Чугуны

3
Чугуны - железоуглеродистые сплавы с содержанием
углерода более 2,14 % (до 6,67%С).
В состав чугунов всегда входят кремний (0,5…3 %) и
марганец (0,5…1,5 %).
!!!! Чугуны являются исключительно литейными сплавами.
(обладают высокими литейными свойствами, имеют
относительно низкую температуру плавления)
!!!! Они не подвергаются никакому пластическому
деформированию (ковке, горячей и холодной пластической
деформации).
Чугунные отливки составляют более 80 % всего фасонного
литья.

4. Достоинства чугунов

4
1) Для деталей сложной конфигурации чугун по
уровню технологических свойств является зачастую
единственным материалом, из которого можно методами литья
экономично получать отливки с требуемыми свойствами.
2) Металлоёмкость литых чугунных изделий меньше,
чем изготовленных из проката и деформированных стальных
полуфабрикатов, поэтому применение чугунов обеспечивает
снижение расхода металла при изготовлении деталей.
3) За счет меньшей плотности и лучших литейных
свойств отливки из графитизированных чугунов на 10-20 %
легче равнопрочных отливок из углеродистых сталей.

5. Отличия от стали

5

6.

6

7. Классификация чугунов

7
ЧУГУНЫ
ПО НАЗНАЧЕНИЮ
1) конструкционный
(литейный)
2) передельный
3) специальный
жаростойкий
жаропрочный
коррозионостойкий
износостойкий
антифрикционный
ПО ХИМИЧЕСКОМУ
СОСТАВУ
1) нелегированный
(обычный)
ПО ТЕХНОЛОГИИ
ПОЛУЧЕНИЯ
1) немодифицированный
ПО МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ
МАТРИЦЕ (ОСНОВЕ)
ПО ФОРМЕ
ГРАФИТОВЫХ
ВКЛЮЧЕНИЙ
1) ферритный
2 ) феррито-перлитный
1) серый чугун
3) перлитный
2) модифицированный
2) легированный
(специальный)
1) в связанном виде (в
виде цементита Fe3C)
БЕЛЫЙ ЧУГУН
неграфитизированный
2) ковкий чугун
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
СОДЕРЖАНИЯ
СВЯЗАННОГО УГЛЕРОДА
2) ПОЛОВИНЧАТЫЙ
ЧУГУН
частично
графитизированный
(половинчатый серый,
половинчатый ковкий,
половинчатый
высокопрочный
3) высокопрочный чугун
3) в свободном виде (в
виде графита)
ГРАФИТНЫЙ ЧУГУН
(КОВКИЙ, СЕРЫЙ,
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН)
значительно
графитизированный

8. Классификация чугунов (*еще один вариант)

8
Классификация чугунов
(*еще один вариант)

9.

9

10. Классификация чугуна по ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ

10
Классификация чугуна по
ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ
По химическому составу чугуны делятся на:
- нелегированные (общего назначения)
- Легированные (специального назначения).
Легированный чугун – содержит марганец и кремний в больших количествах или
содержит специальные (легирующие) компонеты. В малолегированных чугунах количество
легирующих элементов (Ni, Сr, Сu и т. п.) не превосходит 3%.
При малом и умеренном легировании стремятся улучшить общие свойства чугуна однородность структуры, сохранение прочности и упругости при нагреве до относительно
невысоких температур — 300—400°, повышение износостойкости, повышение прочности и
т.д.
При среднем, повышенном и высоком легировании чугун приобретает специальные
свойства, так как значительно меняется состав твердых растворов и карбидов.
В этом случае наибольшее значение приобретает изменение характера металлической
основы.
Путем легирования можно получить непосредственно в литом состоянии мартенсит,
игольчатый троостит и аустенит. Это повышает коррозионностойкость, жаростойкость и
меняет магнитные свойства.

11. Классификация чугуна по ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ

11
Классификация чугуна по
ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ
Серый чугун
Ковкий чугун
Высокопрочный чугун

12. ЛЕГИРОВАННЫЕ ЧУГУНЫ

12

13. Классификация чугуна по ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

13
Классификация чугуна по
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ
По технологии получения различают немодифицированный и модифицированный чугун.
В результате кристаллизации чугуны могут иметь нежелательное дендритообразное расположение
графита, это снижает их прочность и износостойкость.
Самые низкие механические свойства имеет структура, в которой графитные включения образуют
замкнутый скелет.
Модифицирование – это введение в расплав чугуна в небольших количествах специальных
добавок – модификаторов, которые способствуют измельчению пластинок графита или получению
графита в форме шара. В результате модифицирования чугуна не изменяет кардинально
химический состав чугуна, но улучшается его структура и формируется однородное распределение
графита по всему объёму отливки, в результате механические свойства чугуна улучшаются:
возрастает прочность, пластичность и вязкость.
Модифицирование заключается во введении в расплав веществ, регулирующих протекание
процесса кристаллизации. В расплавленный чугун за 10–15 минут перед заливкой в формы вводят
модификаторы: ферросилиций, силикокальций, силикоалюминий в количестве 0,1÷0,3% от массы
чугуна. Они образуют труднорастворимые частицы (Al2O3, SiO2), являющиеся готовыми
центрами кристаллизации для образования равномерно распределённого в структуре графита.

14. Классификация чугуна по ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

14
Классификация чугуна по
ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

15. Классификация в зависимости от содержания связанного углерода

15
По содержанию связанного углерода различают:
- белый (неграфитизированный) чугун;
- половинчатый чугун;
- серый (графитизированный) чугун.
* связанности углерода в сплаве определяет цвет излома
отливок.
Белый чугун (название по цвету излома отливок - блестяще-белому, как у
стали) - весь углерод находится в связанном состоянии - в виде
химического соединения Fе3С. Из-за большого количества цементита
белые чугуны очень тверды (НВ 450-550) и хрупки, поэтому для
изготовления деталей машин и элементов конструкций они не
используются.
Обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и плохой обрабатываемостью
резанием. Основная масса белого чугуна идёт на переделку в сталь.

16. Классификация в зависимости от содержания связанного углерода

16
Половинчатый (отбеленный) чугун занимает промежуточное положение
между белыми и серыми чугунами.
Вид излома у него представляет собой сочетание из светлых и темных
участков кристаллического строения.
Углерод частично связан в виде хим соединения - FезС (более 0,8%), а
частично выделился в свободном состоянии в виде графита.
Такой чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.
Половинчатый чугун тверд и хрупок, обладает высокой износостойкостью,
но плохо обрабатывается резанием. Применение изделий из половинчатого
чугуна ограничено.
Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях
сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей
повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные
валки).

17. Классификация в зависимости от содержания связанного углерода

17
Графитизированный чугун весь углерод или большая его часть находится в
свободном состоянии в виде графитовых включений, поэтому графит придает
излому отливки светло-серый или темно-серый цвет.
В промышленности и строительстве широко применяют серые,
высокопрочные и ковкие чугуны, в которых углерод частично или полностью
находится в виде графита.
Наличие графита в них обеспечивает пониженную твёрдость, хорошую
обрабатываемость резанием и высокие антифрикционные свойства благодаря
низкому коэффициенту трения. Вместе с тем, включения графита вызывают
снижение прочности и пластичности, так как нарушают сплошность
металлической основы сплава.
Наиболее сильно прочность снижается при растягивающих нагрузках и
относительно мало – при сжимающих.
Серый чугун отличается от белого меньшей твёрдостью и хрупкостью, а
также хорошей обрабатываемостью резанием. Хорошие литейные свойства
серого чугуна играют важную роль при получении отливок.

18. Классификация в зависимости от содержания связанного углерода

18
Классификация в зависимости от
содержания связанного углерода
ЧУГУНЫ
малографитизированный
ПОЛОВИНЧАТЫЙ
графитизированный
СЕРЫЕ
Углерод в виде
ЦЕМЕНТИТА (Fe3C)
В структуре сохранилась
часть графита
Большая часть углерода
в виде ГРАФИТА
Заэвтектический
(более 4,3% С)
уна
о чуг
ел ог
кой б
Эвтектический
(= 4,3% С)
абот
Доэвтектический
(до 4,3% С)
ообр
те р м
неграфитизированный
БЕЛЫЙ
Половинчатый ковкий
Половинчатый серый
Половинчатый
высокопрочный
Ковкий (хлопьевидный графит)
Получают при отжиге белого чугуна
Марки: КЧ30-6, КЧ35-10, КЧ 37-12, КЧ
45-7, КЧ 60-3, КЧ 80-1,5
Высокопрочный (шаровидный графит)
Получают модифицированием
Марки: ВЧ 38-17, ВЧ 42-12, ВЧ 507, ВЧ 60-2, ВЧ 80-2, ВЧ 120-2
Серый (графит в виде пластинок)
Получается при затвердевании
Марки: СЧ 15, СЧ 25, СЧ 40, СЧ45

19. Классификация белых чугунов

19

20.

Структура и фазовый состав
белых чугунов
20

21.

21

22. Классификация графитизированных чугунов по форме графитовых включений

22
Классификация
графитизированных чугунов по
форме графитовых включений
Графит обеспечивает чугунам пониженную твёрдость, хорошую обрабатываемость
резанием, а также высокие антифрикционные свойства – вследствие низкого
коэффициента трения за счёт смазывающего действия графита, а также способствует
гашению вибраций и резонансных колебаний.
Вместе с тем включения графита снижают прочность и пластичность чугунов. Они
играют роль концентраторов напряжений, пронизывающих и ослабляющих
металлическую основу. В зависимости от формы графитных включений изменяется
прочность чугуна.
Особенно сильно это проявляется у серых чугунов с пластинчатыми включениями
графита. По мере округления графитных включений их отрицательное влияние
уменьшается, поэтому высокопрочные чугуны с шаровидной формой графита имеют
более высокую прочность и пластичность. Ковкие чугуны с хлопьевидной формой
графита по прочности и пластичности занимают промежуточное положение между
серыми и высокопрочными чугунами.
Чугуны хорошо работают на сжатие, так как графит обеспечивает демпфирующее
действие. Величина временного сопротивления разрыву является характеристикой,
определяющей прочностные свойства графитных чугунов.

23. Классификация по форме графитовых включений

23
Наиболее сильно ослабляет металлическую основу пластинчатый графит,
наименее сильно – шаровидный.

24. Классификация по форме графитовых включений

24
!!!! Ковкие чугуны не подвергаются ковке.
Свое название они получили из-за повышенной пластичности по
сравнению с серым чугуном, что достигается формированием графита
хлопьевидной формы.
Ковкие чугуны получают из белых доэвтектических чугунов с содержанием
углерода 2,4–2,9% в процессе длительного графитизирующего отжига.

25. Классификация по форме графитовых включений

25

26. Чугуны с вермикулярным графитом

26
Чугун с графитом вермикулярной формы обладает рядом специфических
свойств (сочетанием прочностных характеристик и высокой
теплопроводности), которые делают его перспективным
конструкционным материалом для отливок различного назначения.
По механическим свойствам эти чугуны занимают промежуточное
положение между чугунами с хлопьевидным и с шаровидным графитом.
Вермикулярный графит, как и пластинчатый, в пространстве имеет
форму изогнутых лепестков. От пластинчатого вермикулярный графит
отличается округлыми краями, меньшими размерами и меньшим
отношением длины лепестка к его толщине (у вермикулярного графита
это отношение находится в интервале 2–10, а у пластинчатого –
значительно больше 10). Удлиненные и беспорядочно ориентированные
червеобразные частицы графита образуют сложную морфологию. Они
взаимосвязаны между собой, что приводит к сильной адгезии между
графитом и железной матрицей и препятствует как возникновению, так
и распространению трещин.

27. Чугуны с вермикулярным графитом

27

28.

Классификация по форме
графитовых включений
28
Форма графита в чугунах:
а – сером (пластинчатая); б – ковком (хлопьевидная) ; в – высокопрочном (шаровидная)

29.

Классификация по металлической
матрице
29
На свойства чугунов влияет не только форма графита, но и структура
металлической основы.
Металлическая основа графитных чугунов может быть ферритной (Ф),
ферритно-перлитной (Ф+П) или перлитной (П) .
Фазовый состав графитных чугунов, соответственно, Ф + Г или Ф + Г +
Ц.
Как видно, металлическая основа чугунов соответствует структурам
эвтектоидной (П) или доэвтектоидной стали (П + Ф), либо технического
железа (Ф).
Таким образом, чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную
графитом. Чем больше перлитной составляющей в основе чугуна, тем
выше прочность и ниже пластичность. Таким образом, самым прочным
будет чугун на перлитной основе, а самым пластичным – на ферритной. .,

30.

Классификация по металлической
матрице
30

31.

31
Структуры конструкционных чугунов:
– ферритные, со структурой: феррит + графит. В
них металлической основой является феррит, а весь
углерод присутствует в виде графита;
– перлитные, со структурой: перлит + графит.
Эти чугуны имеют перлитную основу. В таких
чугунах количество углерода в связанном состоянии
составляет около 0,8 %;
– феррито-перлитные, со структурой: феррит +
перлит и включениями графита. В таких чугунах
количество углерода в связанном состоянии не
превышает 0,8 %.

32.

Тема: «Конструкционные чугуны»
32
а
б
в
Микроструктуры чугунов:
а – ковкий чугун с ферритной основой;
б – высокопрочный чугун с феррито-перлитной основой;
в – серый чугун с перлитной основой

33.

Маркировка чугунов
33
Маркировка чугунов:
Серые чугуны маркируются двумя
буквами СЧ, за которыми следует
двузначное число, показывающее предел
прочности при растяжении.
Например, СЧ35 – серый чугун, имеющий
предел прочности σв = 35 кгс/мм2.

34.

Маркировка чугунов
34
Высокопрочные чугуны маркируются
буквами ВЧ, за которыми следует число,
показывающее предел прочности при
растяжении.
Например, ВЧ 42 – высокопрочный чугун с
пределом прочности σв = 42 кгс/мм2.

35.

Маркировка чугунов
35
Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ,
за которыми следуют два числа,
показывающие предел прочности при
растяжении и относительное удлинение.
Например, КЧ 37–10 – ковкий чугун с
пределом прочности σв = 37 кгс/мм2 и
относительным удлинением δ = 10 %.

36.

36

37.

37