Структурные составляющие сплавов Fe – C

1. Феррит (Ф) – твёрдый раствор внедрения углерода в α -железе. Содержит 0,006 % углерода, имеет невысокую прочность и твёрдость, пластичный, магнитный.

2. Цементит (Ц)– химическое соединение Fe₃С (карбид железа). Содержит 6,67 % углерода, самая прочная и твёрдая составляющая сплавов, магнитный и очень хрупкий.

3. Аустенит (А) – твёрдый раствор внедрения углерода в γ –железе. Содержит до 2,14 % углерода при 1147⁰С, прочный, немагнитный, имеет невысокую твёрдость, хорошую пластичность, стойкий против коррозии ( существует при t >727⁰С ).Твердость и прочность его зависят от температуры и содержания углерода.

4. Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образуется при распаде аустенита в результате охлаждения. Содержит 0,83 % углерода, обладает высокой прочностью и упругостью, маловязкий.

5. Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) состоящая из аустенита и цементита, а после охлаждения из перлита и цементита. Содержит 4,3 % углерода, твёрдый и хрупкий.

Таблица 3 – Классификация Fe+C сплавов по содержанию углерода

 3.3 Классификация и маркировка углеродистых (нелегированных) сталей. 

Два главных признака при классификации:

- Назначение стали определяется, в основном, содержанием углерода, от которого зависит прочность, пластичность и твердость в стали.

Таблица 4 – Классификация стали по назначению

- Качествостали зависит от степени чистоты по вредным примесям и точности химического состава по C, Mn и Si.

По качеству стали делятся на три группы:

1) Обыкновенного качества

качества содержит ≤ 0,08%S и ≤ 0,09% Р, более широкие пределы по углероду, Si и Mn, чем качественные стали. Стали обыкновенного качества поставляют трех групп, см. таблицу 2.1. 

Таблица 5 - Группы и основные марки стали обыкновенного качества 

Сталь поставляют в виде проката: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного, а также в виде ленты, проволоки, метизов, труб. 

Цифры в марках – порядковые номера в ГОСТе (не означают содержания углерода). С возрастанием цифры повышается прочность (увеличивается содержание углерода) и падает пластичность.

2) Качественныесодержат приблизительно в 2 раза меньше вредных примесей, чем стали обыкновенного качества (S ≤ 0,04; Р ≤ 0,04) имеют более узкие пределы содержания углерода в каждой марке и более высокий процент Si и Mn.

Таблица 6 -Классификация качественных сталей по назначению

Каждая марка имеет точные химический состав и механические свойства в состоянии поставки. Эти стали подвергаются всем видам обработки, включая термическую, химико-термическую и термомеханическую обработку.

Стальные отливки изготавливают из конструкционной стали марок 15Л, 25Л, 30Л, 35Л, 45Л, 50Л и 55Л, где допускается несколько повышенное ( по сравнению с качественными) содержание S ≤ 0,06% и Р ≤ 0,08%.

3) Высококачественные содержат приблизительно в 2 раза меньше S и Р, чем качественные. Они маркируются как качественные инструментальные и в марке ставится буква А: сталь У8А, У10А, У12А.

Специализированные стали: автоматныеА12, А20, А30 и др., (где цифры – сотые доли процента углерода), для криогенной техники, для холодной штамповки, пониженной прокаливаемости и др.

Классификация чугунов

Чугун - это сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода больше 2,14 %.

Кроме углерода и железа, в сплаве присутствуют примеси: кремний, марганец, фосфор, сера и др. Эти примеси влияют на формирование структуры сплава, следовательно,  на механические, физические и другие свойства чугуна.

Классификации чугунов:

- в какой форме присутствует углерод в сплавах - белые, серые, ковкие и высокопрочные;

- по химическому составу -  углеродистый и легированный.

Белые - чугуны в которых углерод находится преимущественно в связанном состоянии в виде цементита Fe3С (очень небольшое количество углерода находится в составе твердого раствора). Эти чугуны, фазовые превращения которых протекают согласно диаграмме Fe-С, подразделяются на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Из-за большого количества цементита белые чугуны имеют высокую твердость 450...550 НВ, хрупкие и практически не поддаются обработке резанием, поэтому в качестве конструкционных материалов практически не применяются. Их можно применять для деталей, от которых требуется высокая износостойкость поверхности. Например, изготавливают шары шаровой мельницы для размола руды и минералов.

Белые чугуны являются передельными и из них получают сталь и ковкий чугун.

Серые - чугуны, в которых углерод находится преимущественно в свободном состоянии в виде пластинок графита. Графит образуется при очень малой скорости охлаждения, когда степень переохлаждения жидкой фазы невелика. Он растет из одного центра и, разветвляясь в разные стороны, приобретает форму сильно искривленных лепестков. В плоскости шлифа графит имеет вид прямолинейных или завихренных пластинок, которые представляют собой сечения графитных лепестков. В изломе эти чугуны имеют серый цвет. Механические свойства чугуна обусловлены его структурой, главным образом графитной составляющей, его количеством, формой и размерами включений.

Графит имеет низкую прочность, и его можно рассматривать как внутренние надрезы, нарушения сплошности металлической основы. С увеличением содержания углерода больше выделений графита и меньше механическая прочность чугуна. Серый чугун плохо сопротивляется растяжению, хрупкий, жидкотекучий, с малой усадкой при кристаллизации, легко обрабатывается резанием, хорошими антифрикционными свойствами (графит выполняет роль смазки), поглощает вибрацию, малочувствителен к концентраторам напряжений (надрезам, выточкам).

Удельный вес серого чугуна колеблется в пределах 6,6...7,4 г/см³ и зависит от количества углерода, степени графитизации и количественного соотношения структурных составляющих.

Теплоемкость серого чугуна также зависит от вышеперечисленных факторов и в интервале температур 0...700 ⁰С равна 16 кал/(г∙⁰С). Теплопроводность равна 0,16 кал/(см∙с∙⁰С). Средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 0...100 ⁰С можно принять (10...11)∙10⁶ см/(см∙⁰С), а в интервале температур 100...700 ⁰С он равен 14∙10⁶ см/(см∙⁰С).

Основными элементами в чугунах являются Fe-C-Si и постоянными примесями - Мn, Р, S. Кремний обладает сильным графитизирующим действием, марганец затрудняет графитизацию. Сера является вредной примесью, ухудшает литейные и механические свойства чугунов.

Фосфор является в чугунах полезной примесью, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Чаще всего содержание фосфора находится в пределах 0,2...0,5 %. Для отливок, от которых требуется высокая износостойкость, содержание фосфора допускается 0,7 %, а для художественного литья - до 1 %.

Представление о влиянии углерода и кремния на степень графитизации чугуна и его структуру дает структурная диаграмма (толщина стенки отливки 50 мм), приведенная на рисунке 4.

Рисунок 4 Структурная диаграмма

 I- белый чугун; II- половинчатый чугун; III- серый чугун на перлитной основе; IV- серый чугун на ферритно-перлитной основе; V- серый чугун на ферритной основе

Серый чугун маркируется буквами СЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм² (10^-1 МПа).

Ферритные чугуны марок СЧ10, СЧ15, СЧ18 применяются для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки. Например, фундаментные плиты, крышки, фланцы, рамы двигателей, компрессоров, шиберы и заслонки печей, корпусы фильтров и масленок, маховики, корпуса редукторов, насосов, тормозные барабаны, диски сцепления и др. Структура серых чугунов приведена на рисунок 5.

Феррито-перлитные чугуны марок СЧ20, СЧ21, СЧ25 применяются для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках. Например, головки цилиндров, поршни, втулки для поршневых колец паровых цилиндров, колеса центробежных насосов, станины станков, зубчатые колеса, диафрагмы, цилиндры низкого давления и выхлопные патрубки турбин.

Рисунок 5 - Структура серых чугунов

 а) на ферритной основе; б) на ферритно -перлитной основе; в) на перлитной основе

Перлитные чугуны марок СЧ30, СЧ35, СЧ40, СЧ45 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, распределительные валы и др. Мелкие разобщенные графитовые включения меньше снижают прочность чугунов. Измельчение графитовых включений достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием, алюминием или феррокальцием (0,3...0,6 % от массы шихты). Отливки из серого чугуна подвергают термической обработке: для снятия внутренних напряжений - отжиг I рода (560 ⁰С), нормализацию или закалку с отпуском для повышения механических свойств и износостойкости. Для повышения износостойкости гильз цилиндров, распределительных валов и других изделий перлитные чугуны подвергают азотированию.

Ковкие - чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в форме хлопьев. Такая форма графита и является основной причиной высоких прочностных и пластических характеристик ковкого чугуна. Термин ”ковкий чугун” является условным, поскольку изделия из него, так же как и из любого другого чугуна, изготавливают не ковкой, а путем литья, и указывает на повышенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Состав ковкого чугуна выдерживается в довольно узких пределах: 2,4...2,9 % С; 1,0...1,6 % Si; 0,2...1,0 % Мn; до 0,18 % Р и до 0,2 % S.

Невысокое содержание углерода в ковком чугуне необходимо по двум причинам. Во-первых, для получения высоких прочностных характеристик следует уменьшить количество графитовых включений. Во-вторых, необходимо избегать выделения пластинчатого графита при охлаждении отливок в форме (с этой же целью толщина стенки отливки не должна превышать 50 мм).

Ковкий чугун получают из белого путем отжига, который продолжается иногда до 5 суток. По структуре металлической основы (рисунок 6), которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

Отжиг на ферритные чугуны проводится по режиму 1 (рисунок 7), обеспечивающему графитизацию всех видов цемента белого чугуна.

Рисунок 6 – Микроструктура ковких чугунов: а – ферритного; б – перлитного

Рисунок 7 – Схема отжига белого чугуна на ковкий

Отливки из белого чугуна загружают в металлические ящики и засыпают песком или стальными стружками для защиты от окисления и медленно нагревают до температуры 950...1000 ⁰С. В процессе продолжительной (10...15 ч) выдержки при такой температуре происходит первая стадия графитизации. Она состоит в распаде эвтектического и избыточного вторичного цементита.

К концу первой стадии чугун состоит из аустенита и включений углерода отжига (А + Г). Затем температуру медленно снижают до 720...740 ⁰С. При этом происходит вторая стадия графитизации.

В процессе выдержки (25...30 ч) распадается цементит перлита:

П(Ф + Ц) -> Ф + Г

и образуется ковкий чугун на ферритной основе.

Перлитный чугун получают отжигом, который проводят в окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 40). В этом случае увеличивают продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят непрерывное охлаждение отливок до 20 ⁰С. Аустенит превращается в перлит (А -> П), а графит сохраняется в структуре. Получается ковкий чугун на перлитной основе.

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ, после которых ставятся числа, показывающие гарантируемые предел прочности на растяжение в кгс/мм2

(10^-1 МПа) и относительное удлинение в процентах. Марки ковкого чугуна:

· КЧ-30-6; КЧ 35-10; КЧ 37-12 - ферритные;

· КЧ 45-7; КЧ 60-3; КЧ 80-1,5 - перлитные.

Из этих чугунов изготавливают детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготовлять детали водо- и газопроводных установок, корпуса вентилей, кранов, задвижек.

Высокопрочные - чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии в виде шаровидного графита. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02...0,08 %. Ввиду того, что модифицирование чистым магнием сопровождается значительным пироэффектом, применяют сплав магния с никелем.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,0...3,6 % С; 1,1...1,9 % Si;. 0,3...0,7 % Мn;. до 0,02 % S и до 0,1 % P. По структуре металлической основы чугун может быть ферритным или перлитным (рисунок 8).

Рисунок 8 - Микроструктура высокопрочных чугунова- ферритного; б- перлитного

Шаровидный графит - менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый или хлопьевидный графит, и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны обладают высокой прочностью и некоторой пластичностью, сохраняют свою прочность до 500 ⁰С (обычный чугун до 400 ⁰С). Они маркируются буквами ВЧ, после которых ставится число, показывающее гарантируемый предел прочности на растяжение в кгс/мм² (10^-1 МПа). Марки высокопрочного чугуна:

· ВЧ 38; ВЧ 42; ВЧ 50 - ферритные;

· ВЧ 60, ВЧ 80; ВЧ 120 - перлитные.

Высокопрочные чугуны применяют для корпуса паровых турбин, насосов, вентилей, лопатки направляющего аппарата, коленчатые валы, поршни и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.

Недостатком высокопрочного чугуна является значительная объемная усадка, что приводит к появлению в отливках усадочной пористости, газовых раковин.

Легированный чугун

Кроме обычных элементов легированный чугун содержит специальные добавки для повышения механических или специальных свойств: износостойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости и др. Высоколегированные чугуны имеют, как правило, аустенитную структуру. Они немагнитны, обладают высокой жаропрочностью, коррозионной стойкостью в щелочах, серной, муравьиной, уксусных кислотах, каустической соде, в морской воде, менее стойки в соляной и быстро разрушаются в азотной кислоте.

Аустенитный никелевый -серый чугун марки ЧН15Д7 (нирезист) и с шаровидным графитом ЧН15Д3Ш, ЧН19Х3Ш, ЧН11Г7Ш. Они начинают окисляться только при температуре 1050 ⁰С. Применяется для изготовления труб конденсаторов, гильз компрессоров для газов, содержащих Н₂S, корпусов клапанов, фильтров.

Высокохромистые - чугуны марок ЧХ28, ЧХ32 обладают высокой химической стойкостью в ряде агрессивных сред азотной, серной, фосфорной кислотах, в растворах щелочей, солей, морской воде и др. Хром при таких концентрациях (28 %, 32 %) образует защитную пленку Сr₂О₃.

При 30 % хрома она достигает 1200 ⁰С, при 1100 ⁰С детали из этого чугуна могут работать до 5000 часов. Прочность не изменяется до 500 ⁰С, затем резко падает.

Применяются для изготовления труб, фасонных частей кранов, вентилей, в центробежных насосах для холодной и горячей фосфорной кислоты, в изделиях, где требуется повышенная износостойкость при температурах до 550 ⁰С. Чугун марки ЧХ32 используется для изготовления насосов, работающих в 80 %- ной кипящей фосфорной кислоте.

Коррозионностойкие- чугуны легированные кремнием (ферросилиды) - ЧС13, ЧС15, ЧС17. Они стойки в азотной. Серной, уксусной, фосфорной, лимонной, муравьиной и других кислотах, а также в большинстве растворов солей. В щелочах, соляной кислоте, фтористых соединениях фосфорид не стоек, т.к. в этих средах происходит разрушение защитной пленки. В этих средах применяют кремнемолибденовый чугун, называемый антихлором.

Эти чугуны ЧС15М4, ЧС17М3 приобретают высокую коррозионную стойкость через 30...40 часов работы после образования защитной пленки, состоящей из хлористых солей молибдена и оксидов кремния. Жаропрочность - до 900 ⁰С. Из антихлора отливают детали, которые работают при воздействии растворов соляной и серной кислот всех концентраций (трубопроводы, насосы, резервуары, арматура).