При графитизирующем отжиге белого чугуна, в котором нет готовых графитовых включений, вторичный графит образует самостоятельную фазу в виде компактных, чаще хлопьевидных включений (см. рис. 1.13, б). Чугун с таким графитом называется ковким, так как он обладает повышенной пластичностью по сравнению с серым чугуном, хотя и не может подвергаться ковке.

1.6. Влияние различных факторов на кристаллизацию чугуна

На процессы первичной и вторичной кристаллизации и на графитизацию чугуна влияют химический состав, скорость охлаждения и физико-химическое состояние расплава. Совместное влияние этих факторов определяет конечную структуру и свойства чугуна. Позднее они могут быть изменены путем термической обработки.

1.6.1. Влияние химического состава

Химический состав промышленных чугунов может быть весьма разнообразным. Другие элементы, кроме углерода, встречающиеся в чугуне, образуют растворы со структурными составляющими, а при их содержании выше концентрации растворимости - особые фазы. Все они в том или ином направлении могут изменять условия кристаллизации и свойства чугуна. Чугуны, содержащие только Si, Mn, S и Р в обычных количествах, называют простыми. Чугуны с более высоким содержанием указанных элементов или с определенным количеством Ni, Cr, Mo, Al, Ti и других специальных добавок относятся к легированным сплавам. Кроме того, во многих чугунах обнаруживаются и неконтролируемые элементы (Pb, As, Те, Sn, Bi и др.), а также газы (О, Н, N), которые даже в ничтожных количествах могут влиять на структуру и свойства сплава.

Все элементы, присутствующие в железоуглеродистых сплавах, оказывают существенное влияние на кристаллизационные проьессы, в том числе и на процессы графитообразования. Влияние того или иного элемента на структуру в первую очередь оценивается по его

предложил расположить их в такой последовательности:

Al, С, Si, Ti, Ni, Си, Р, Со, Zr, Nb, W, Mn, Mo, Cr, V, S, Mg, Се, Те, В.

В левой части находятся графитизирующие элементы. Чем левее Nb лежит элемент, тем большее графитизирующее влияние оказывает он. Элементы справа от ниобия тормозят графитизацию. Их называют отбеливающими элементами или антиграфитизаторами. Эта классификация не позоляет полностью оценить влияние элементов. Часть из них при изменении

условий меняет свое воздействие и вместо графитизации может дать отбеливающий эффект или наоборот: вместо отбеливающего эффекта эффект графитизации.

Наиболее важным в практическом отношении элементом является кремний. Совместно с углеродом он и оказывает решающее воздействие на структуру. Уменьшая растворимость углерода в жидком и твердом растворах, кремний всегда способствует графитизации.

Единого мнения о механизме влияния того или иного элемента на графитизацию не существует, так как на этот механизм накладывается много термодинамических и кинетических факторов. Н. Гиршович и А. Жуков обращают внимание на то, вкакую сторону и до какой степени элементы сдвигают критические точки диаграммы состояния Fe-C и, в первую очередь, точки, определяющие температуры стабильного и метастабильного превращений. В этой связи можно выделить 4 схемы влияния добавок на температуры эвтектических равновесий (рис. 1.16) и соответственно классифицировать данные добавки. Чем больше интервал At = ЬтЧмет, тем больше склонность к графитизации. На рис. 1.16 показано влияние сильных

(а) и слабых (б) графитизаторов, а на схемах (в) и (г) элементов антиграфитизаторов. Их ещё называют стабилизаторами, так как они обеспечивают более стабильное получение белых чугунов.

б

Рис. 1.16. Классификация легирующих элементов по их влиянию на температуры эвтектических равновесий (tCT и tMeT)

Показанные зависимости условны. Истинные зависимости имеют более сложный характер (линии могут быть не прямые, в большем интервале концентраций наблюдаются 2 или даже 3 перегиба). Суммируя данные многих исследователей, можно дать следующие краткие характеристики влияния различных элементов.

Углерод и кремний наиболее полно способствуют графитизации. Они являются основными компонентами всех чугунов, поэтому принято рассматривать их совместное влияние, используя параметры So , Sc и Сэ. Регулируя содержание С и Si в чугуне, можно получить всю гамму структур от белого до серого ферритного. Это следует из структурных диаграмм, которые будут рассмотрены ниже. Повышение Сэ увеличивает количество графита и феррита, уменьшает дисперсность остающегося перлита и способствует увеличению размеров графитовых включений. Всё это снижает прочность чугуна. Для повышения прочности серых чугунов необходимо уменьшать содержание С и Si, но до определенного предела, пока не появится структурно свободный цементит. С другой стороны содержание Si

вчугунах не должно превышать 2,5-3,0 %, иначе в структуре появятся силикокарбиды и высококремнистый феррит, что снизит пластичность.

Совместное влияние С и Si на структуру чугунов учитывают при помощи ещё одного параметра - константы графитизации Кг. Его значение определяется суммой или произведением концентраций С и Si. Данный параметр используется при построении структурны х диаграмм, рассматриваемых ниже.

Наиболее сильное влияние на графитизацию Si оказывает, если вводится в жидкий чугун в конце плавки в виде ферросилиция или силикокальция. Эти добавки широко используются как графитизирующие модификаторы.

Марганец и сера тормозят графитизацию чугуна. Влияние этих элементов удобно рассматривать совместно. Они имеют большое химическое сродство. Это приводит к образованию в расплаве прочных тугоплавких малорастворимых сульфидов MnS. При определенном соотношении происходит их взаимная нейтрализация, и влияние на кристаллизацию может оказывать только избыток того элемента, который остается свободным после образования сульфида.

Марганец в отличие от кремния увеличивает растворимость углерода в железе, что и ухудшает графитизацию. Влияние марганца на структуру выражается в стабилизации перлита и увеличении его дисперсности, поэтому повышение содержания марганца до 1,5 % положительно влияет на механические свойства серых чугунов.

Сера имеет ограниченную растворимость в твердом металле. Она кристаллизуется в виде хрупкой тройной эвтектики Fe Fe3C FeS по границам зерен и в виде сульфидов, что снижает механические свойства. Сера ухудшает и все литейные свойства чугунов.

Одновременное присутствие марганца и серы в чугуне косвенно даже способствует графитизации, так как сульфиды MnS могут служить зародышами графитовых включений. Сера попадает в расплав главным образом из топлива. При плавке в вагранках средняя концентрация серы

вчугуне составляет 0,10-0,15 %. Так как процесс насыщения серой неизбежен, а её удаление затруднено, то вредное влияние серы стремятся

нейтрализовать введением марганца. По Н. Гиршовичу, наиболее полная нейтрализация, одного элемента другим наблюдается при соотношении

Мл = 1.7S + (0,2+0,3),

что в пересчете приводит к более простому соотношению

Mn S = (4+5).

Марганец и сера оказывают также влияние на величину и форму графитовых включений. Марганец измельчает графит. Сера изменяет не только размеры, но и распределение, и форму графитовых включений. При очень низком содержании (0,002 % S) графит получается мелким и междендритным. Затем размеры включений растут. Сера вызывает удлинение и утолщение графитовых пластин. В высокопрочных чугунах она препятствует образованию включений шаровидной формы. Тормозит графитизацию сера и при перекристаллизации белых чугунов (отжиге ковких чугунов).

Фосфор не оказывает серьезного влияния на графитизацию. Он имеет ограниченную растворимость в твердом чугуне. При кристаллизации образует в чугуне самостоятельную составляющую - тройную фосфидную эвтектику Fe3P Fe3C Fe с t™ = 953°С. Эвтектика может образовать сплошную сетку по границам зерен или присутствовать в виде крупных включений. Наличие фосфидной эвтектики резко снижает ударную вязкость, повышает твердость, прочность и износостойкость чугуна. Фосфор увеличивает склонность чугуна к образованию холодных трещин, повышает жидкотекучесть. В целом, несмотря на некоторые положительные моменты, содержание фосфора в чугуне стремятся свести к минимально возможному (исключением является получение особо тонкостенных отливок).

Легирующие добавки вводятся для повышения прочности чугуна и придания им специальных свойств. Чаще всего применяют Сг, Ni, Мо, Си, Al, Ti, V Влияние этих элементов на кристаллизацию и структуру зависит от характера их распределения между структурными составляющими и от изменения положения критических точек диаграммы состояния Fe-C. Все легирующие добавки можно подразделить на три группы.

Первую группу составляют элементы, которые образуют растворы с аустенитом и ферритом (Ni, Си, Со, AI). Они понижают растворимость С в жидком и твердых растворах, в эвтектике и эвтектоиде, расширяют интервалы между температурами стабильного и метастабильного превращений. Это способствует графитизации. Ni и Си стабилизируют перлит и способствуют повышению его дисперсности. Как следствие, повышается прочность и вязкость чугуна, выравниваются свойства по сечениям отливок. Оптимальным для этих целей является содержание

меди 3-4 %, а никеля до 2,5 %. Оба элемента понижают температуру эвтектоидного превращения. При содержании в чугуне более 20 % Ni можно получить аустенитную структуру. AI способствует графитизации при содержании его до 4,5 %, а при содержании > 8 % тормозит ее.

Элемент ы второй группы (Cr, Mo, V) образуют растворы замещения с цементитом - (Fe,Cr)3C, (Fe,Mo)3C, (Fe,V)3C. Они тормозят графитизацию и измельчают графитовые включения. При превышении определенной концентрации эти элементы образуют специальные карбиды, такие как Сг7Сз ,V4 C3 и карбонитриды. Наиболее карбидообразующим является Сг. Добавка 1 % Сг повышает прочность на 20 %, но одновременно увеличивается твердость. Для улучшения обрабаты ваемости резанием отливок из обычного серого чугуна содержание Сг ограничивают в пределах 0,2-0,3 %.

Элементы третьей группы (Ti, Zr, В и др.) отличаются высокой химической активностью. Они практически целиком расходуются на образование карбидов, нитридов, оксидов и только в небольших количествах растворяю тся в ф еррите и цементите. Тугоплавкие включения, образующиеся ещё в жидком расплаве, могут служить центрами кристаллизации графита. Так, Ti, являющийся карбидообразующим элементом, что должно тормозить графитизацию, способствует ей и измельчает графитовые включения, действуя, как модификатор.

Отдельно можно выделить Се, Y, La, Mg, Са, которые являются поверхност но-акт ивными по отношению к графиту, тормозят его рост и способствуют образованию вермикулярной, компактной или шаровидной формы.

Из газов в чугунах чаще встречаются кислород, водород, азот и некоторые сложные газы (СО, СО2 , Н2О и др.). Все они являются типичными малыми примесями. В чугунах всегда содержатся элементы с большим сродством к кислороду (Si, Mn, С, Сг и др.), поэтому в расплаве он находится преимущественно в виде оксидов. Увеличение количества и дисперсности оксидов, в первую очередь силикатов, способствует графитизации.

Водород растворяется в расплаве. Положительной стороной этого служит повышение дисперсности перлита, но зато водород увеличивает опасность отбела и способствует выделению грубых графитовых включений.

Азот при растворении в чугуне образует фазы внедрения, повышает устойчивость карбидов и задерживает графитизацию, как при кристаллизации, так и в эвтектоидном интервале. Это приводит к получению перлитной структуры, а значит, к повышению прочности и твердости. Совместное присутствие в чугуне азота и нитридообразующих элементов (Ti, AI, В, Мд) может способствовать графитизации и измельчать структуру в результате зародышевого действия нитридов.