3.2.1. Классификация чугунов

В зависимости от того, в какой форме находится углерод в чугунах, различают следующие их виды.

Белый чугун. В этом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме железо-цементит.

Серый чугун. В этом чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму.

Высокопрочный чугун в своём составе имеет графитные включения шаровидной формы.

Ковкий чугун имеет графитовые включения в форме хлопьев.

Содержание углерода в виде цементита в сером, высокопрочном и ковком чугунах составляет не более 0,8%.

Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется и применяется как передельный чугун, т.е. идёт на производство стали. Для деталей с высокой износостойкостью используется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого чугуна.

Машиностроительными чугунами, идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьём, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имею высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.

Таким образом, структура машиностроительных чугунов состоит из металлической основы и графитных включений.

По металлической основе они классифицируются на ферритный чугун (весь углерод содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлитный (содержит 0,8% углерода в виде цементита). Характер металлической основы влияет на механические свойства чугунов: прочность и твёрдость выше у перлитных, а пластичность – у ферритных.

Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Структура серого чугуна схематически показана на рис.3.2,а. Получают серый чугун путём первичной кристаллизации из жидкого сплава. На графитизацию (процесс выделения графита) влияет скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизация не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются соответственно перлитный, феррито-перлитный и ферритный чугуны. Способствуют графитизации углерод и кремний. Содержание кремния в чугуне 0,5…5%. Марганец и сера препятствуют графитизации, сера ухудшает механические и литейные свойства, Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.

Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. Графитовые включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими металлическую основу.. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наиболее низкие характеристики как прочности, так и пластичности среди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графитовых включений улучшает механические свойства. Измельчанию графитовых включений способствует кремний.

Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающим предел прочности в десятках мегапаскалей. Так, чугун СЧ35 имеет σ_в=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов СЧ10, СЧ15, сч20,…,СЧ45.

Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включения. Структура этого чугуна изображена на рис.3.2,б. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов, которые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется увеличением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07%. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого. Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ослабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокую прочность и более пластичен, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т.д.

Маркируются высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятках мегапаскалей. Например, чугун ВЧ60 имеет σ_в = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ35, Вч40, Вч45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70, ВЧ80, ВЧ100.

Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей – зубчатых колёс, валов и др.

Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис.3.2,в). Благодаря такой форме графитных включений он также характеризуется более высокой прочностью и пластичностью, чем серый чугун. Его получают из белого чугуна путём графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950 970ºС. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20%) феррита. Такой чугун называется также светлосердечным. Если в области эвтектоидного превращения (720…760ºС) проводить очень медленное охлаждение или даже выдержку, то получиться ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого состоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10%). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.

Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими предел прочности в десятках мегапаскалей и относительное удлинение в %. Так, чугун КЧ45-7 имеет σ_в = 450 МПа и δ = 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ33-8, КЧ37-12) имеют более пластичность, а перлитные (КЧ50-4, КЧ60-3) более высокую прочность.

Применяют ковкий чугун для изготовления деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Дополнение к лекции №3

Диаграмма состояния железо-цементит отражает нестабильное равновесие фаз. Точка А соответствует температуре плавления чистого железа (1539ºС), а точка D – температуре плавления цементита (1250…1600ºС) Процесс кристаллизации сплавов железо-углерод (в зависимости от содержания углерода) начинается при температуре, отложенных на линии ABCD. Эта линия называется линией ликвидус.

Конец затвердевания сплавов происходит при температурах, отложенных на линии AHJECF. Эта линия называется линией солидус. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода в γ-железе (2,14%C) при температуре 1147ºС.

С изменением концентрации углерода в сплаве при температурах, соответствующих участку АС линии ликвидус, из жидкого сплава кристаллизуется аустенит, а при температурах, соответствующих участку CD, кристаллизуется цементит, называемый первичным.

В точке С при температуре 1147ºС и концентрации углерода 4,3% из жидкого сплава одновременно кристаллизуется аустенит и первичный цементит с образованием эвтектики (смеси), называемой ледебуритом. На участке АЕ линии солидус сплавы с содержанием углерода до 2,14% кристаллизуются с образованием аустенита. На участке ЕС линии солидус при температурах 1147ºС сплавы с содержание м 2,14…4,3%C кристаллизуются с образованием ледебурита и аустенита. На участкеCF линии солидус при температурах 1147ºС сплавы с содержанием 4,3…6,67%C кристаллизуются с образованием ледебурита и цементита.

Все железоуглеродистые сплавы в результате первичной кристаллизации, имеющие ледебурит и более 2,14%C, называются чугунами. После кристаллизации (линияAHJECF)в железоуглеродистых сплавах с понижением температуры происходят структурные превращения.. Превращения в твёрдом состоянии характеризуют линии GS, SE,PSK и PQ. Точка G соответствует полиморфному превращению γ-железа в α-железо при температуре 911ºС.

Точка S при температуре 727ºС и концентрации углерода 0,8% показывает минимальную температуру равновесного скуществования аустенита. При понижении температуры ниже 727ºС происходит распад аустенита с одновременным выделением феррита и цементита – образуется эвтектоидная смесь, называемая перлитом.

Точка Р характеризует предельную растворимость углерода в α-железе при температуре 727 ºС, которая не превышает 0,02%.

Точка Q является граничной. Все сплавы, лежащие левее её, состоят только из феррита и называются техническим железом.

Все сплавы, имеющие концентрацию углерода дл 0,8% (проекция точки S), называются доэвтектоидными сталями. Они имеют в структуре феррит и перлит. Сплав железа с углеродом, в котором концентрация углерода равна 0,8%, называется эвтектоидной сталью. Структура её перлитная. Сплавы, в которых концентрация углерода меняется от 0,8 до 2,14% (проекция точки Е), называются заэвтектоидными сталями. Их структура состоит из перлита и цементита.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит при охлаждении и, наоборот, при нагреве.

Линия SE показывает уменьшение растворимости углерода в аустените от 2,14% при 1147 ºС до 0,8% при 727 ºС. С понижением температуры от 1147 ºС до 727 ºС из аустенита выделяется избыточный углерод, образуя вторичный цементит.

Линия PSK характеризует превращения в результате распада аустенита (температура ниже 727 ºС) на смесь феррита и цементита, называемую перлитом.

Линия PQ показывает уменьшение растворимости углерода в феррите с понижением температуры от 0,02% при 727 ºС до 0,006% при 20 ºС. Выделяющийся из феррита избыточный углерод образует цементит, называемый третичным.

Лекция №4

Производство стали

Сталь – важнейший материал, используемый в машиностроении, В отличие от чугуна она содержит меньше углерода и вредных примесей. Поэтому процесс получения стали состоит в удалении этих элементов. Основные способы получения стали: кислородно-конверторный, мартеновский и в электропечах.

Конвертерный способ

В настоящее время применяют кислородную плавку, основанную на продувке жидкого чугуна кислородом, подводимым сверху в конвертер (от лат.converto – изменяю, превращаю). Конвертер представляет собой сосуд грушевидной или цилиндрической формы высотой до 11м и диаметром до 10м, характеризующиеся весьма высокой производительностью – 400 т в плавку. Конвертер покрыт стальным кожухом, внутри выложен огнеупорной кладкой. В нижней части конвертера глухое дно, легко заменяемое. Конвертер устанавливается на стойки и может свободно поворачиваться вокруг горизонтальной оси цапф, что необходимо для загрузки, взятия пробы и выпуска готовой стали.

Процесс выплавки стали в конвертере заключается в следующем: в начале происходит загрузка металлического лома (иногда железной руды), затем заливают жидкий чугун, переводят конвертер в вертикальное положение и загружают известь для удаления фосфора, находящегося в чугуне и руде. Опускают водоохлаждаемую фурму (от нем.Form, букв. – форма) – устройство для подвода дутья в конвертер, через которую подаётся кислород. В результате окисления примесей чугуна (углерода, кремния, марганца, фосфора) выделяется тепло в количестве, достаточном для поддержания металла в жидком состоянии в течении всего процесса без поступления тепла из других источников. Время продувки зависит от вместимости конвертера, заданной марки стали и данных анализа. Температура в конвертере поднимается до 2000…2500ºС. Продолжительность плавки 5-…60 минут.

Заключительным этапом получения стали является её раскисление, заключающееся в удалении вредных примесей оксида железа FeO. Раскисление производится добавкой в жидкую сталь раскислителей – марганца, кремния и алюминия:

FeO + Mn = Fe + MnO;

2FeО + Si = 2Fe + SiO₂;

3FeO + 2Al = 3Fe + Al₂O₃.

В кислородном конвертере можно останавливать процесс на заданном содержании углерода и получать сталь самых различных марок. Недостатком кислородно-конвертерного способа получения стали является необходимость сооружения сложных и дорогостоящих пылеочистительных установок, так как в процессе плавки образуется много пыли. Строительство кислородного конвертера требует значительных затрат. Не уступая по качеству мартеновскому способу получения стали, конвертерный способ значительно превосходит его по производительности. Конвертеры выплавляют 400 т/ч стали, а мартеновская печь – 80…100 т/ч.

С учетом указанных преимуществ, а также того, что при конвертерном способе коэффициент использования топлива, равный 70%, значительно больший, чем для других способов, и можно обойтись без миксеров (хранилищ чугуна), кислородно-конвертерная плавка будет в дальнейшем применяться всё более широко.

Мартеновский способ.

Мартеновский способ (от имени французского металлурга П. Мартена) – один из старейших способов производства стали.

Сталь в мартеновских печах выплавляется из передельного чугуна (твёрдого или жидкого), металлического лома, иногда вместо него применяют железную руду, вводят флюсы, главным образом, известняк. Топливом служат газы: доменный, коксовый, природный, а также мазут.

Мартеновский процесс делится на три этапа: плавление, кипение и раскисление.

Во время плавления окисляются кремний, марганец и фосфор за счёт кислорода оксида железа FeO. Образующиеся оксиды SiO₂, MnO₂ и P₂O₃, соединяясь с известняком, образуют шлак. Сера в виде FeS также соединяется с СаО и переходит в шлак. Для ускорения процесса расплавления и окисления примесей в печь подают через водоохлаждаемые фурмы кислород, благодаря чему сокращаются время плавки и расход топлива и руды.

Во время кипения окисляется углерод. При этом осуществляется химический контроль за количеством углерода в стали. Когда достигается необходимое содержание углерода, серы и фосфора, сталь раскисляют ферросплавами или алюминием.

Мартеновсий процесс длится 8…14 часов в зависимости от вместимости печи. В настоящее время работают печи производительностью от 40 до 900 тонн в плавку.

Плавка в дуговых и индукционных электрических.

Такая плавка является важнейшим способом получения стали высокого качества для производства деталей машин и инструментов. Она имеет ряд преимуществ перед мартеновской и кислородно-конвертерной. Электропечь быстро нагревается до заданной температуры - 2000ºС. Легко регулируется тепловой процесс. В электропечи легче легировать сталь, можно более полно удалять серу и фосфор, получать более раскислённую сталь. Электропечи бывают дуговые и индукционные. Большее применение находят дуговые печи. Процесс плавки в них в зависимости от вместимости длится 2,5…8 часов.

Производство стали в индукционных печах осуществляется значительно реже, чем в дуговых. Их чаще всего применяют при переплавке отходов легированной стали. Высокая температура, возможность создания вакуума, отсутствие науглероживающего металла позволяют получать в них сталь с малым содержанием углерода, Вместимость этих печей небольшая.