§ 61. Микроструктура чугуна в отливке

Чугунные отливки могут иметь следующие структурные составляющие: графит, феррит, перлит, цементит, фосфидную эвтектику.

По микроструктуре литейные чугуны делятся на белый чугун / (фиг. 69), в котором имеются цементит и перлит; перлитный чугун //, в котором

Фиг. 69. Схема микроструктуры чугуна.

имеются перлит и графит; ферритный чугун ///, в котором имеются феррит и графит. В этом чугуне весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита.

Кроме основных видов чугунов, применяют чугуны с промежуточными микроструктурами: перлитно-цементитный 11а, в котором имеются перлит, цементит и графит; перлитно-ферритный Пб, содержащий феррит, перлит и графит.

В высокопрочных чугунах IV графит имеет шаровидную форму.

§ 62. Влияние химического состава и скорости охлаждения на микроструктуру чугуна

В обычных серых чугунах, кроме железа и углерода, имеются следую­щие примеси: Si, Mn, P и S. В чугуны, обладающие специальными свой­ствами, как отмечалось выше, могут входить и легирующие добавки: №, Cr, Mo, Ti,Cu и др. Находящиеся в чугуне примеси влияют на характер выделения графита и структуру металла.

Углерод. При изготовлении отливок для машиностроения количество углерода колеблется в значительных пределах: для обычных серых чугунов от 3,2 до 3,5%. В качественных чугунах количество углерода снижается и доходит до 2,7%. С повышением содержания углерода в чугуне увели­чивается выделение графита.

Фиг. 70. Структурные диаграммы чугуна:

а — учитывающая влияние углерода и кремния на структуру чугуна; 6—учитывающая зависимость между содержанием углерода и кремния в чугуне и толщиной стенок отливки

Во всех случаях нижние пределы содержания углерода принимают для толстостенного, а верхние — для тонкостенного литья.

Кремний - способствует выделению углерода в виде графита в процессе затвердевания чугуна и разложению выделившихся кристаллов цементита, При разложении цементита образуются феррит и графит. Изменяя содер­жание кремния в чугуне, можно регулировать соотношение между связан­ным углеродом и графитом.

Кремний улучшает литейные свойства чугуна и поэтому является одним из основных элементов в чугуне.

Совместное влияние углерода и кремния на структуру чугуна видно из структурной диаграммы, показанной на фиг. 70, а. На диаграмме по линии абсцисс отложено содержание в чугуне кремния в процентах, а на оси ординат — содержание углерода в процентах. Диаграмма сплошными ли­ниями делится на пять областей. Область / — белый чугун с перлитно цементитной структурой; область Па—половинчатый чугун с перлитно-цементитно-графитной структурой; область // —серый чугун с перлитно-графитной структурой; область 116 — серый чугун с перлитно-ферритио-графитной структурой; область /// — серый чугун с ферритно-гра-фитной структурой. Пользуясь этой диаграммой, можно определить содер­жание углерода и кремния для получения отливок с толщиной стенок 50 мм и необходимой микроструктурой.

Мао га ней растворяется, в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом без каких-либо структурных составляющих. Марганец несколько препятствует графитизации чугуна.

Увеличение содержания марганца до 0,8—1,0% повышает механиче­ские свойства чугуна, особенно в тонкостенных отливках. Кроме того, марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Обычно содержание марганца в сером чугуне колеблется в пределах 0,5—0,8%.

Фосфор в твердом чугуне находится в растворенном состоянии до 0,3%. При содержании сверх предела растворимости фосфор образует тройной сплав — фосфидную эвтектику Fe + Fe₃P + Fe₃C с температурой плавления 950°. При содержании фосфора до 0,6—0,7% и больше фосфидная эвтектика выделяется в виде отдельных включений и тем повышается хрупкость чугуна. Фосфор повышает жидкотекучесть, но ухудшает обра­батываемость чугуна. Для ответственного литья допускают содержание фосфора до 0,2—0,3%. Отливки, работающие ка истирание, могут содер­жать до 0,7—0,8% фосфора.

В тонкостенном и художественном литье для увеличения жидкотекучести чугуна в него добавляют более 1% фосфора.

Сера с железом образует химическое соединение FeS — сернистое железо. При затвердевании металла сернистое железо образует с железом легко­плавкий сплав + FeS, который плавится при 985°. Этот сплав затвер­девает в чугуне последним и располагается в межкристаллитном простран­стве; Наличие сплава между кристаллами снижает механические свойства чугуна при повышенных температурах. Это явление в технике называют красноломкостью.

Вредное влияние серы в чугуне может быть нейтрализовано добавкой марганца в количестве, превышающем содержание серы в 5—7 раз. Сера образует с марганцем сернистый марганец MnS, который плавится при 1620° и находится в расплавленном чугуне в твердом виде. Сера ухудшает литейные свойства чугуна: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин, поэтому содержание серы в чугуне ограничивают пределом от 0,08 до 0,12%. Для менее ответствен­ных и простых по конфигурации отливок допускается содержание серы до 0,15—0,16%. В высокопрочных чугунах допускается минимальное содер­жание серы (0,03%).

Легирующие элементы Ni, Cr, Си, Мо и др., добавленные в чугун до 5%, не изменяют структуру чугуна, так как не образуют новых структур­ных составляющих. Они лишь способствуют получению более плотных отливок с равномерной структурой по всему сечению и "обеспечивают более мелкое строение графита. При большом содержании (15—30%) они изме­няют структуру чугуна, давая новые структурные составляющие: аустенит, мартенсит, троостит и сорбит, не встречающиеся в обычных серых чугунах.

Скорость охлаждения отливки оказывает значительное влияние на образование структуры чугуна. Увеличение скорости охлаждения отливки спо­собствует повышению в чугуне химически связанного углерода; с уменьше­нием скорости охлаждения увеличивается содержание в чугуне графита. Структурная диаграмма на фиг. 70, а построена для одной скорости охла­ждения, поэтому данной диаграммой нельзя пользоваться для практиче­ских расчетов химического состава отливок, имеющих различную скорость охлаждения. На фиг. 70, б приведена структурная диаграмма, учитывающая зависимость состава чугуна и толщины стенки отливки. Критерием скорости охлаждения отливки в диаграмме принята, толщина стенки отливки в милли­метрах (чем больше толщина отливки, тем меньше будет скорость ее охла­ждения).

На оси ординат диаграммы отложена сумма углерода и кремния, а на оси абсцисс—толщина стенок отливки. Области, разграниченные кривыми, обозначают те же микроструктуры, что и на диаграмме фиг. 70, а.