Кафедра технологии литейных процессов

«ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СТАЛИ И ЧУГУНА»

Лекции

Раздел 1

Основы формирования в сталях и чугунах литой структуры

Раздел 2

Основы технологии производства стальных отливок

Проф. Э. Б. Тен

Москва-2009

1. Основы формирования в сталях и чугунах литой структуры

1. Литейные стали и чугуны как сплавы системы Fe-c. Современное состояние производства отливок из чугуна и стали в России и в мире.

1. Литейные стали и чугуны как сплавы системы Fe-c.

Литейные стали и чугуны представляют собой сплавы на основе железа и углерода. Наряду с углеродом в них дополнительно содержатся в различных количествах много других элементов. Одни из них попадают в стали и чугуны из шихтовых материалов как сопутствующие элементы-примеси (S и P). Другие поглощаются жидким металлом из атмосферы плавильной печи (N, H и O). Третьи специально вводят в процессе плавки для улучшения технологических и эксплуатационных свойств (Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V и др.).

Железо с углеродом образует две диаграммы состояния – стабильную Fe-C_гр и метастабильную Fe-Fe₃C. На рис. 1.1 представлена совмещённая диаграмма, в которой сплошными линиями изображена метастабильная диаграмма, а пунктирными линиями – стабильная диаграмма.

Рис. 1.1 Диаграмма состояния Fe-C (Fe₃C).

В жидком состоянии железо с углеродом образует растворы со следующим ближним порядком: при содержании углерода до 0,2 % ближний порядок имеет размытую ОЦК упаковку как и δ-феррит- твердый раствор углерода в δ-Fe; при содержаниях углерода 0,5-4.3 % он имеет размытую ГЦК упаковку как и аустенит - твердый раствор углерода в γ-Fe; при изменении содержания углерода от 0,2 до 0,5 % наблюдается постепенный переход от размытой ОЦК упаковки к размытой ГЦК упаковке.

В твердом состоянии железо с углеродом образует устойчивые в обеих системах следующие твердые растворы: высокотемпературный δ-феррит; среднетемпературный аустенит и низкотемпературный феррит (твердый раствор углерода в α-Fe). При этом при повышенных содержаниях углерода если по метастабильной диаграмме устойчивой фазой является цементит Ц (Fe₃C), то по стабильной диаграмме состояния такой фазой становится графит Г (С_гр).

Таким образом, в соответствии с диаграммами состояния Fe-Fe₃C и Fe-C_гр в железоуглеродистых сплавах после первичной кристаллизации могут присутствовать 3 различных вида твердых растворов углерода в железе:

1) δ-феррит Ф_δ – твёрдый раствор углерода в δ-Fe, область существования которого ограничивается областью AHN;

2) аустенит А - твердый раствор углерода в γ-Fe, который имеет как область однофазного существования NIESG, так и области двухфазного существования PGS и SEFK;

3) феррит Ф - твердый раствор углерода в α-Fe, который также имеет одну область однофазного существования QGP и две области двухфазного существования PGS и QPK.

Наряду с этими твердыми растворами в структуре сталей встречается и неравновесный твердый раствор – мартенсит, который представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe.

В соответствии с метастабильной диаграммой состояния Fe-Fe₃C в железоуглеродистых сплавах существуют 5 генетически различных видов цементита:

1) первичный цементит Ц^I, который выделяется из персыщенного жидкого раствора в области диаграммы состояния CDF;

2) эвтектический цементит Ц^Л , образующийся при ледебуритном превращении по линии ECF;

3) вторичный цементит Ц^II, который выделяется из-за уменьшения растворимости углерода в аустените по линии SE;

4) эвтектоидный цементит Ц^П, образующийся при перлитном превращении по линии PSK;

5) третичный цементит Ц^III, который выделяется из-за уменьшения растворимости углерода в феррите по линии PQ.

В соответствии со стабильной диаграммой состояния Fe-C_гр в железоуглеродистых сплавах также можно выделить 5 генетических разновидностей графита:

1) первичный графит Г^I, который выделяется из персыщенного жидкого раствора в области диаграммы состояния C<sup>`</sup>D`F^`;

2) эвтектический графит Г^ЭВТК, образующийся при реализации первичной кристаллизации по линии E^{`</sup>C<sup>`}F^`;

3) вторичный графит Г^II, который выделяется из-за уменьшения растворимости углерода в аустените по линии S^{`</sup>E<sup>`};

4) эвтектоидный графит Г^ЭВТД, образующийся при распаде аустенита по линии P^{`</sup>S<sup>`}K^`;

5) третичный графит Г^III, который должен выделяться из-за уменьшения растворимости углерода в феррите по линии P^{`</sup>Q<sup>`}, но практически не реализуется из-за трудностей графитообразования в твердых сплавах на основе железа..

Для обеих диаграмм состояния характерно наличие перитектического превращения по линии Н-В, эвтектических превращений по линиям E-F и E<sup>`</sup>-F`, а также эвтектоидных превращений по линиям Р-К и Р<sup>`</sup>-К`.

К сталям относят сплавы железа с углеродом, которые не претерпевают эвтектическую кристаллизацию при переходе из жидкого состояния в твердое. Все они располагаются на диаграмме состояния Fe-Fe₃C левее т. Е. Поэтому сталями можно считать все железоуглеродистые сплавы, в которых содержание углерода не превышает ~2 %. Практически в качестве литейных сталей используют сплавы с содержанием углерода не более 1,5 %.

К чугунам относят сплавы железа с углеродом, которые в отличие от сталей претерпевают эвтектическую кристаллизацию. На диаграмме состояния железа с углеродом они располагаются правее т.т. E и E`. Поэтому в чугунах содержание углерода превышает 2 %. Практически в качестве литейных сплавов используют чугуны, в которых содержание углерода составляет 2,2-3,8 %.

Наличие или отсутствие эвтектической кристаллизации является очень важным признаком разделения сплавов на основе железа на стали и чугуны. Это обусловлено тем, что в сталях и чугунах со специальными свойствами содержание легирующих элементов на один-два порядка превышает содержание углерода. В частности, в коррозионно-стойких хромоникелевых сталях содержание углерода максимально ограничивают (менее 0,05-0,10 %), тогда как суммарное содержание легирующих элементов в них может превышать 20 %. В таких сталях формируются структура и свойства, которые более полно описываются системами «железо-легирующий элемент», нежели «железо-углерод». Поэтому отнесение высоколегированных сплавов к сталям и чугунам относительно условно, т. к. они фактически не являются железоуглеродистыми сплавами. Однако их отнесение соответственно к сталям и чугунам обосновано ввиду того, что литейно-металлургические особенности производства из них отливок сходны с тем, что имеют место при получении отливок из железо-углеродистых сталей и чугунов.