13. Влияние элементов на структуру и механические свойства чугунов.

Химический состав чугуна. Чугун относится к числу наиболее сложных по химическому составу сплавов. В нем, кроме железа, углерода, кремния и марганца, в зависимости от происхождения шихтовых материалов, условий выплавки, легирования и модифицирования могут быть обнаружены в тех или иных количествах фосфор, сера, хром, никель, медь, титан, алюминий, кобальт, цирконий, ниобий, ванадий, вольфрам, молибден, теллур, магнии, кальций, церий, бор, висмут, олово, цинк, мышьяк, азот, кислород, водород и некоторые другие элементы. Даже в обычном нелегированном чугуне, химический состав которого контролируется только по содержанию первых 5 ÷ 7 элементов, в виде микропримесей содержится значительное количество из перечисленных элементов.

Эти элементы, присутствуя в очень малых количествах, в определённых условиях могут оказать существенное влияние на графитизацию чугуна, характер его металлической матрицы и многие важные при производстве отливок свойства.

Углерод и кремний. Влияние этих элементов принято рассматривать совместно, так как в обычных чугунах оба они действуют в одном направлении, хотя и с различной интенсивностью.

Содержание в чугуне углерода и его форма оказывают большое влияние на величины объемной и линейной усадок.

Увеличение содержания углерода в доэвтектическом чугуне приводит к заметному уменьшению объема усадочных раковин. Это связано с тем, что одновременно в чугуне происходит увеличение количества графита, выделяющегося при кристаллизации эвтектики. Если количество эвтектического графита составляет 1,8%, то у чугуна усадка не наблюдается (Витмозер).

Дальнейшее увеличение количества эвтектического графита приводит к увеличению объема чугуна.

Изменение содержания углерода оказывает влияние и на характер усадочных пороков: чем выше содержание углерода, тем меньшее развитие имеет усадочная пористость и большее — образование концентрированных усадочных раковин.

На объем усадочных пороков значительное влияние оказывает форма графита. Пористость уменьшается при образовании междендритного и мелкого графита и увеличивается при выделении, его в грубой пластинчатой форме. Объем усадочных пороков в чугуне с шаровидным графитом мало отличается от объема их в белом неграфитизированном чугуне.

Усадка чугуна в твердом состоянии с повышением содержания углерода увеличивается (1% углерода увеличивает усадку на 0,2%). Но при выделении углерода в виде графита усадка уменьшается (выделение 1% графита уменьшает усадку 0,24%).

Углерод относится к числу элементов, которые интенсивно повышают твердость белого чугуна. Наряду с этим повышение содержания углерода снижает склонность его к отбелу при интенсивном охлаждении и уменьшает величину переходного слоя между отбеленной и серой частью отливки. Графит, вводимый в определенных условиях в жидкий чугун, может оказать на него модифицирующее действие.

Кремний в чугуне не оказывает непосредственного влияния на объём усадочных пороков, а влияет на их образование в то время, когда происходит граффитообразование. При повышении степени графитизации он уменьшает и объем усадочных раковин.

Кремний подобно углероду повышает жидкотекучесть чугуна по мере приближения его состава к эвтектическому. Но вместе с тем при одной и той же эвтектичности жидкотекучесть, чугуна, содержащего больше углерода и меньше кремния, будет лучшей.

Из рассмотрения диаграммы железо-углерод-кремний следует, что кремний сдвигает эвтектическую и эвтектоидную точки в сторону более высоких температур и более низких концентрации углерода, понижая, таким образом, его растворимость в жидком и твердом растворах и способствуя выделению углерода в виде графита.

При затвердевании чугуна по стабильной системе действие кремния интенсивнее, чем по метастабильной. При высоком содержании кремния (9÷11%) происходит полное выклинивание области гамма, вследствие чего чугун после затвердевания не претерпевает фазовых превращений и затвердевает с образованием первичного феррита, минуя аустенитную стадию превращения.

При содержании кремния до 2,5% в обычном чугуне кремний не образует самостоятельной фазы. При повышении содержания кремния выше 2,5% появляется новая фаза, не окисляющаяся при нагреве. При 7% кремния в чугуне эта фаза вытесняет цементит. Дальнейшее повышение его содержания приводит к образованию эвтектики из альфа-раствора и силицидов.

Большое влияние кремний оказывает на образование напряжений и трещин в чугуне. Выше было показано, что с увеличением его содержания в чугуне – увеличиваются и укрупняются выделения графита, вследствие этого уменьшаются упругие деформации и термические напряжения в отливках и возникает опасность образования холодных трещин и искажения геометрических размеров.

Кроме того в этом случае уменьшается величина доперлитной усадки. Этот фактор совместно с улучшением жидкотекучести чугуна, если оно имеет место под влиянием кремния, приводит к меньшей опасности образования горячих трещин.

Такое благоприятное влияние кремния отмечается при повышении его содержаний в чугуне приблизительно до 3,0%. Дальнейшее повышение содержания кремния в связи с понижением теплопроводности чугуна приводит к обратному эффекту – увеличению опасности образования трещин и пороков усадочного происхождения.

От содержания кремния, так же как и от содержания углерода, в значительной мере зависят механические свойства чугуна. В. чугуне с относительно низким содержанием углерода (2,75 ÷ 3,0%) по мере повышения содержания кремния механические свойства повышаются до того момента, пока он способствует разложению структурносвободного цементита и устранению междендритного расположения графита. Дальнейшее повышение содержания кремния приводит к ухудшению механических свойств чугуна.

В чугуне с более высоким содержанием углерода (3,3 ÷ 3,5%) увеличение содержания кремния ухудшает механические свойства. При наличии в чугуне содержания кремния более 3,0% заметно повышается твёрдость при одновременном понижении показателей прочности и пластичности, что объясняется повышением твердости феррита из-за большего содержания в нем кремния.

Влияние кремния на склонность чугуна к отбелу примерно в два раза меньше влияния углерода.

Увеличение содержания кремния благоприятно сказывается на повышении сопротивления износу.

Из других свойств чугуна кремний повышает сопротивление росту, окалиностойкость, теплопроводность, сопротивление ползучести, электросопротивление и коэрцитивную силу. У полностью ферритных чугунов повышение содержания кремния увеличивает магнитную проницаемость и снижает потери на гистерезис.

Марганец. Плотность 7,2 – 7,4 г/см², температура плавления 1245°С, температура кипения 2027°C.

Марганец в отличие от кремния увеличивает растворимость углерода в чугуне. При высоком содержании марганца распад гамма-твердого раствора может быть полностью предотвращен и в чугуне может быть получена аустенитная структура.

Влияние марганца как элемента, тормозящего графитизацию, начинает заметно проявляться при наличии его в чугуне более 1,5÷2,0%. При содержании его в чугуне в количестве 0,3÷0,6% вследствие образования сульфидов и окислов марганца он косвенно благоприятствует процессу графитизации.

Марганец увеличивает полную и доперлитную и несколько уменьшает послеперлитную усадки чугуна. Склонность чугуна к образованию трещин и внутренних напряжений с повышением содержания марганца, как правило, повышается.

Марганец, так же как углерод и кремний, повышает хрупкость ковкого и высокопрочного чугуна. Он способствует образованию некоторых специфических пороков в отливках из чугуна: подкорковых газовых раковин, прямого и обратного отбела, твердых включений (главным образом при соотношении [% Mn] : [% S] ~ 1). Чугун с повышенной концентрацией марганца характеризуется склонностью к поглощению водорода и азота. Отливки из марганцового чугуна склонны к образованию пригара.

Увеличение содержания марганца приводит к повышению ростоустойчивости чугуна и понижению износостойкости, термостойкости, проводимости, магнитной проницаемости.

Марганец применяется в качестве легирующего элемента при выплавке аустенитных, мартенситных, перлитных чугунов со специальными свойствами (При содержании марганца более 10% металлическая основа чугуна становится аустенитной).

Особое значение приобретает марганец в связи с тем, что он в чугуне с серой образует сульфид и этим самым парализует вредное влияние серы.

Сера. В чугуне сера (при отсутствии или малом количестве марганца) выделяется в виде сульфида железа FeS. При быстром охлаждении чугуна отдельные включения сульфидов в структуре чугуна могут не наблюдаться, так как она в этом случае остается в перенасыщенном твердом растворе с карбидом железа. С железом и цементитом сульфид железа может образовывать тройную эвтектику.

В сером чугуне, который содержит марганец, сера присутствует в связанном состоянии в виде включения сульфидов (FeS, MnS).

Если в чугуне присутствуют элементы, обладающие большей степенью химического сродства с серой, чем с железом, то сера соединяется с ними, образуя идиоморфные кристаллы MnS, Al₂S₃, Ce₂S₃, ZrC, Cu₂S и т.д. с более высокой, чем у сульфида железа, температурой плавления.

В чугуне реакция FeS + Me↔Fe + MeS обратима, и поэтому в нем встречаются одновременно сульфиды железа и других элементов.

При наличии в чугуне марганца большая часть серы связывается в сульфид марганца. В этом случае должно быть обеспечено соотношение между марганцем и серой, равное

[% Mn] : [% S] = 3,5 ÷ 5,0.

Сера относится к элементам, сильно тормозящим графитизацию, если она не связана в виде тугоплавких сульфидов, нерастворимых в чугуне. Отрицательное влияние серы на графитизацию тем сильнее, чем меньше эвтектичность чугуна и больше скорость его охлаждения. В этом случае в изломе чугуна наблюдается резкий переход от белого к серому. По мере уменьшения эвтектичности такой переход наблюдается при меньшем содержании серы. Следовательно, влияние серы тем опаснее, чем менее благоприятны условия для протекания процесса графитизации.

Сера оказывает большое влияние на форму и характер образующегося в чугуне графита. В чугунах с пластинчатым графитом сера вызывает удлинение и утолщение графитовых пластин. Это влияние особенно заметно по границам эвтектических зерен. Сера повышает поверхностное натяжение чугуна и, как полагают, по этой причине препятствует образованию шаровидного графита.

В высокопрочном чугуне шаровидная форма графита может быть получена только при очень малом содержании серы.

Влияние серы на усадку и склонность к образованию трещин связано с ее воздействием на процесс графитизации.

Жидкотекучесть чугуна при высоком содержании серы ухудшается. Ухудшению жидкотекучести способствуют большее содержание газовых и неметаллических включений в чугуне и заметный рост процента брака при производстве тонкостенного и ответственного литья.

Более других элементом сера склонна к ликвации.

Сера в чугуне в виде FeS ухудшает его прочность, что объясняется ослаблением связи между зернами из-за наличия на их границе хрупкой эвтектики. В отличие от FeS включения MnS не столь заметно ухудшают прочность чугуна.

Сера в чугуне, так же как и в стали, является нежелательной примесью. Снижение концентрации серы в нем является постоянной заботой технического персонала литейного производства.

Фосфор. Плотность 1,89 г/см², температура плавления 44,1°C, температура кипения 280,5°C. Фосфор подобно кремнию в системе железо – углерод сдвигает влево эвтектическую точку. Но в отличие от кремния фосфор понижает температуру эвтектического превращения. Растворимость фосфора в железе зависит от наличия в последнем других элементов (Углерод, например, понижает его растворимость).

В чугунах доэвтектического состава фосфор интенсивнее других элементов повышает жидкотекучесть, а в чугунах эвтектического состава он сильнее повышает жидкотекучесть, чем эквивалентное ему содержание углерода.

Фосфор понижает вязкость чугуна и улучшает смачиваемость стенок формы.

Склонность чугуна к образованию холодных трещин повышается по мере увеличения в его структуре фосфидной эвтектики.

Фосфор резко снижает ударную вязкость чугуна. Для перехода чугуна из сравнительно вязкого состояния в хрупкое достаточно 0,3% фосфора.

Медь. Медь в количестве до 3÷4% легко растворяется в жидком чугуне. В аустените может растворится до 2 - 3% меди, а в феррите около 1%. В чугуне, склонном к отбелу, медь способствует графитизации и уменьшает твердость. В очень мягком по составу чугуне медь способствует стабилизации перлита и увеличивает твердость. Под влиянием меди температура эвтектической кристаллизации немного понижается. Точка S сдвигается влево. Резко снижается температура превращения, что способствует переохлаждению аустенита и снижению температуры мартенситного превращения.

Таким образом, медь является элементом, благоприятно влияющим на выравнивание структуры и свойств в различных сечениях чугунных отливок. Она повышает прочность и твердость чугуна тем заметнее, чем ниже содержание кремния в высокоуглеродистом чугуне. Оптимальным в легированном медью сером чугуне является содержание ее 3 – 4%.

На каждый процент меди, вводимой в чугун, приходиться повышение прочности при растяжении примерно на 10÷15%. Добавка в чугун меди значительно улучшает обрабатываемость.

Специфическое влияние меди на структуру и свойства чугуна объясняется тем, что она во время затвердевания чугуна действует подобно кремнию и способствует графитизации. В процессе эвтектоидного превращения влияние меди противоположно влиянию кремния; она препятствует распадению перлита.

Медь увеличивает сопротивление чугуна коррозии: в атмосферных условиях, в растворах солей, кислот, почве и нефти (0,3 ÷ 0,5% Cu приводят к увеличению стойкости чугунных отливок против атмосферной коррозии примерно на 20%).

При содержании меди более 2% наблюдается заметная деградация формы графита, который в значительном количестве из шаровидного превращается в пластинчатый. При содержании в чугуне 3% меди получить шаровидную форму графита не удается. При дальнейшем повышении содержания меди до 4÷4,5% в структуре чугуна в шаровидной форме восстанавливаются не более 20÷40% графита.

Хром. Плотность 7,1 г/см³. Температура плавления 1860±60°С, температура кипения около 2660°С. Хром – сильный карбидообразующий элемент при эвтектическом превращении, а при эвтектоидном повышает устойчивость аустенита. Если содержание хрома в чугуне более 0,5%, то образуются эвтектические карбиды .

При получении дисперсного перлита и некоторого измельчения включений графита на 1% повышения содержания хрома (до определенной концентрации) приходится прирост твердости на 80–100 кг/м² по Бринеллю и увеличение предела прочности при растяжении на 20%.

Хром увеличивает прочность чугуна и при повышенных температурах и многократных нагревах. В связи с этим он используется для изготовления отливок из жаростойких и окалиностойких чугунов.

Чугуны, содержащие хром, характеризуются также повышенным сопротивлением абразивному износу, коррозии в морской воде и слабых кислотных растворах и т.п.

Самостоятельно в качестве легирующего элемента для чугуна хром применяется редко и чаще всего используется совместно с другими элементами (никелем, молибденом, медью, алюминием и др.)

Магний. Плотность 1,738г/см³, температура плавления 651°С; температура кипения 1120°С.

Магний оказывает сильное влияние на графитизацию чугуна. В чугуне, содержащем определенное количество магния, графит выделяется в шаровидной форме с малым отношением поверхности к объему. Концентрация напряжений вокруг этих включений относительно невелика. В результате металлическая матрица ослабляется в значительно меньшей степени, чем в сером чугуне с пластинчатым графитом. При шаровидной форме графита оказывается возможным эффективно использовать 70÷90% прочности металлической основы чугуна. Чугун с шаровидным графитом характеризуется также пластичностью, соизмеримой с пластичностью ковкого чугуна и высокоуглеродистой стали.

В чугуне магний может образовывать карбиды МgC₂ и Мg₂С₃, окислы МgO, сульфиды МgS и нитриды Мg₃N₂. Карбиды магния неустойчивы. Остальные соединения химически неустойчивы и не растворяются в жидком чугуне.

Магний оказывает заметное влияние на поверхностное натяжение чугуна, повышая его по сравнению с поверхностным натяжением серого чугуна на 30–40%.

Представление о количестве магния, которое должно присутствовать в чугуне для образования шаровидного графита, дает диаграмма, изображения на рис.120. Область, ограниченная кривыми 2 и 3, характеризует состав чугуна, где в литом состоянии образуется шаровидный графит и в структуре отсутствует цементит. В области выше кривой 3 образуется цементит, и чугун характеризуется половинчатой структурой. В области между кривыми 1 и 2 наблюдается пластинчатый и псевдоэвтектический графит. Область ниже кривой 1 характеризуется наличием обычного пластичного графита.

Рис. 120

Для чугуна ваграночной плавки оптимальным содержанием магния, при котором образуется шаровидная форма графита, является 0,035–0,040% (до 0,06%).

Чугун, содержащий магний, характеризуется пониженной температурой эвтектического превращения (приблизительно на 20÷40°С), большой степенью переохлаждения и немного большей, чем у серого чугуна, температурой эвтектоидного превращения.

У доэвтектоидного чугуна под влиянием магния предусадочное расширение в 4÷10 раз, а у заэвтектического примерно в 6 раз больше, чем у обычного серого.

Диаметр шаровидных включений графита составляет от 2 до 100 мк и только в массивных местах отливок доходит до 300 мк.

В чугуне магний распределяется между металлической матрицей и графитом примерно в равном соотношении, но концентрация его в графите значительно выше. В матрице обнаруживается около 0,5% магния. В ней он распределяется неравномерно, концентрируясь главным образом по границам зерен.

Разными исследователями действие магния объясняется различно.

Ниже приводиться краткий перечень существующих в настоящее время гипотез:

1. Магний в чугуне изменяет величину поверхностного натяжения на границе раздела фаз.

2. В чугуне образуются адсорбционные пленки из магния или его соединений задерживающие пограничную диффузию.

3. В результате взаимодействия магния с некоторыми элементами чугуна образуются вынужденные или самопроизвольные зародыши графитизации.

4. Испаряющийся в чугуне магний образует газовые пузырьки или поры куда диффундирует графит, сохраняющий их форму.

5. Магний раскисляет, деазотирует и обессеривает чугун, следствием чего является большая степень переохлаждения чугуна и изменение формы кристаллизующегося графита.

6. В чугуне, содержащем магний, рост графита тормозится матрицей.

Положительное влияние магния на образование шаровидной формы графита уменьшается или уничтожается при наличии в чугуне титана, алюминия, свинца, висмута, олова, сурьмы и некоторых других примесей.

Линейная усадка чугуна, содержащего магний, при затвердевании по метастабильной системе значительно больше, чем у серого чугуна, и составляет около 1,7÷1,85%,а при затвердевании по стабильной системе может быть такой же или даже несколько меньшей (0,8%),чем у обычного серого чугуна.

Магний косвенно (посредством влияния на графитизацию) заметно увеличивает и объемную усадку чугуна.

Благодаря своему влиянию на графитизацию магний улучшает износостойкость и коррозионную стойкость чугуна.

В процессе производства чугуна, особенно обрабатываемого магнием, часто в отливках встречаются значительные макроскопления соединений в виде неметаллических включений, называемых ”черными пятнами”, значительно понижающих прочность и пластичность чугуна, а также ухудшающих герметичность отливок.