Химический состав чугуна
Химический состав чугуна
Химический состав чугуна является очень важным фактором, обусловливающим механические свойства отливок. При этом механизм влияния элементов определяется, главным образом, изменением условий первичной и вторичном кристализации. Изменение же химического чугуна имеет меньшее значение, хотя легирование феррата повышает его прочность. Поэтому одним легированием твердого раствора, без соответственного изменения структуры чугуна, нельзя достичь значительного изменения прочности. По этой причине обычно и не применяется в качестве конструкционного материала легированный ферритный чугун, например ковкий.
Изменением химического состава других структурных составляющих (карбидов, графита, сульфидов, нитридов и т, д.) можно пренебречь с точки зрения механических свойств чугуна, так как действие подобных включений обусловливается только блокированием плоскостей скольжения, сужением сеченля и созданием надрезов. Поэтому главная роль величина, форма и распределение, а нехимический состав чугуна состав и механических свойств этих структурных составляющих.
Таким образом, основное влияние легирующих элементов на механический свойств определяется изменениями в условиях первичной и вторичной кристаллизации чугуна (количество, форма и распределение величина зерна, характер основной металлической массы), которые обусловливают химическим составом металла. Химический состав чугуна при изменении имеет подчиненное значение (вследствие высокого содержание в нем углерода), которым однако не всегда можно пренебречь.
а) Влияние углерода и кремния. С повышением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации.
Рис.151. Влияние углерода на механические свойства и химический состав чугуна.
Весь химический состав чугуна и его механические свойства (рис. 151) составляют только циклическая вязкость и повышается количество графита и укрупняются его выделения, т. е. изменяются как структура основной металлической массы, так и количество формы графита в чугуне. Такое изменение структуры чугуна, как показывают исследования, сильно понижает.
Особо большое влияние на механические свойства имеет содержание углерода. При этом в малоуглеродистом чугуне (2,75 — 3,0%), в противоположность высокоуглеродистому (3,3 — 3,5% С) механические свойства сначала повышаются с увеличенном содержания кремния до известного предела, а затем понижаются. Это объясняется наличием структурно-свободных карбидов или междендритного графита в чугуне, что понижает его механические свойства. Увеличение содержания кремния в этом случае, способствуя графитизации или устранению междендритного графита, повышает механические свойства чугуна. По этой же причине уменьшение содержания углерода тоже имеет целесообразный предел, ниже которого прочность чугуна понижается вследствие междендритной кристаллизации графита.
Так как общая закономерность зависимости структуры чугуна от содержания углерода и кремния выражается структурной диаграммы), то она естественно в состоянии отобразить и соответствующие изменения механических свойств чугуна, как это видно из приведенных и литературе данных.
Максимальная прочность чугуна соответствует положению его в средней части перлитной области структурной диаграммы. И верхней ее части прочность понижается вследствие повышения степени эвтектичности увеличения количества углерода и графита: в нижией части — вследствие междендритной кристаллизации графита. В обычных условиях практики химические составы чугуна располагаются в верхней части перлитной области, поэтому, чем больше углеродный эквивалент (Са = С + 0,3 Si), тем ближе находится чугун по своему химическому составу к эвтектическому, тем крупнее выделения графита и тем ниже прочность чугуна.
Рис. 152. Влияние кремния на механические свойства чугуна при разном содержании углерода.
Вместе с тем при этом наблюдается увеличение пластических деформаций: стрели прогиба и до известной степени — ударной вязкости чугуна. Вместе с тем пластические деформации степени — ударная вязкость чугуна.
При замене углерода кремнием так, чтобы структура основной металлической массы не изменилась, т.
е. при сохранении условий: С Si const или С + nSi = const, углеродный эквивалент (С1 = С + 0,3Si) понижается. Поэтому понижение содержания углерода в чугуне при соответствуюшем повышении содержания кремния приводит не только к уменьшению количества графита при сохранении структуры основной массы чугуна, но и в размельчении графита вследствии понижения.
Рис. 153. Зависимость прочности чугуна от его положения на структурной диаграмме.
Следовательно, углерод и кремний нельзя считать равноценными в отношении их влияния на механические свойства чугуна и замена (до известного предела) углерода кремнием имеет своим следствием механические свойства в особенности в перлитном чугуне.
При повышении содержания кремния сверх 3% твердости чугуна начинает повышаться вследствии уменьшения количества графита и увеличения концентрации кремния в феррите, хотя прочность и пластичность при этом продолжают падать:
Для оценки чугуна, как конструкционного материала, имеет большое значение однородность его свойств в разных частях отливки.
Металл с низкой однородностью может дать высокую прочность в тонких частях отливки и низкую — в толстых. Наоборот, металл с высокой однородностью в состоянии обеспечить высокую прочность во всех частях отливки и,следовательно, во всей детали в целом. Зависимость механических свойств от толшипы стопок отливки выражается показательной функцией:
оD/оD0 = (D/D0)-d (123)
оD — соответствующее свойство бруска диаметром D; oD0 — соответствующее свойство бруска диаметром D0; d — коэффициент однородности.
Рис. 154. Зависимость механических свойств чугуна от величины углеродного эквивалента.
Чем больше абсолютное значение коэффциента однородности, тем больше неоднородность в свойствах различных частей отливки. Исследования показывают, что с увеличением содержания углерода и кремния абсолютное значение коэффициента однородности повышается, а именно:
а = 0,24 + 0,285 (С + 0,8 Si) — 4,2 (124)
Таким образом, с уменьшением содержания углерода и кремния механические свойства чугуна не только повышаются, но и выравниваются в разных частях отливки, охлаждающихся с равной скоростью, причем углерод и этом отношении сильнее кремния.
Уменьшение содержания углерода в ковком чугуне имеет еще большее значение для повышения механических свойств чем в сером чугуне. Как видно из рис. 140 и 144 параллельно с увеличением прочности повышается также и удлинение. Это объясняется уменьшением количества и улучшением формы углерода отжига при одной и той же структуре (ферритной) основной металлической массы.
О влиянии кремния на механические свойства ковкого чугуна существуют противоречия. Однако можно утверждать, что это влияние невелико, хотя все же отрицательно даже в том случае, когда повышение содержания кремния еще не вызывает выделения графита в сырых отливках. Поэтому повышение механических свойств чугуна чаше всего достигается за счет понижения содержания углерода, несмотря на то, что для сокращения времени отжига при этом увеличивают содержание кремния. Однако следует иметь в виду ухудшение литейных свойств чугуна с понижением содержания в нем углерода.
б) Влияние марганца и серы. Влияние марганца и серы на механические свойства чугуна определяется в основном соответствующим изменением структуры основной металлической массы (степень графитизации, дисперсность перлита), а также с изменением нормы графита и образованием включении сульсеидов.
Рис.155.Влияние марганца на механические свойства чугуна.
Это влияние сравнительно невелико и зависит от состава чугуна, вследствие чего литературные данные но этому вопросу часто противоречны. При средних и низких содержаниях углерода повышение содержания марганца 0,8 — 1,2 %, как показывают исследования увеличивается прочность чугупа (рис. 155). Дальнейшее увеличение содержания маргаца оказывает ужи отрицательное влияние. Понижение механических свойств наступает в тот момент, когда марганец начинает резко увеличивать количество связанного углерода с образованием структурно-свободных карбидов. Очевидно, что этот момент наступает чем скорее, чем меньше в чугуне углерода п кремния в чем хуже условия графитизации. В высокоуглеродистом же чугуне понижение прочности не наступает даже при 2,4% Мn.
Стрела прогиба и ударная вязкость имеют наивысшее значения при более низком содержании марганца (0,3 — 0,6%), обусловливающем максимум графтизации.
Однако при высоком содержании углерода оптимальное содержание марганца повышается (до 2% и выше) вследствие размельчения графита и сравнительно слабом влиянии марганца на степень графитизации этих условиях. Как видно из рис. 155, увеличение содержания марганца влечет за собой также повышение твердости (тем больше, чем меньше содержание углерода и кремния в чугуне). Однако увеличение содержания марганца до оптимального баланса с самого начала понижает твердость чугуна. При дальнейшем увеличении содержания марганца твердость повышается из-за торможения графитизации и сорбитизации структуры. Особенно сильно повышается твердость при отбеливании чугуна или образовании структуры при достаточно высоком содержании марганца (около 5%), При образовании структуры (10%) твердость чугуна вновь понижается.
Сопоставляя имеющиеся в литературе экспериментальные данные по влиянию серы, можно прийти к заключению, что сама по себе сера, в особенности в виде FeS, оказывает неблагоприятное действие на свойства чугуна, понижая характеристики прочнисти и пластичности (рис.
156). Это объясняется ослаблением границ зерен эвтектикой Fe — FeS и до некоторой степени — образованием дополнительных надрезов включениями MgS. Одноко указанное влияние не проявляется интенсивно.
Поэтому в мягком чугуне вредное влияние серы даже перекрывается повышением колличества связанного углерода, в связи с чем прочность чугуна увеличивается.
Рис. 156. Влияние серы на механические свойства чугуна.
Что касается влияния марганца и серы на однородность механических свойств, то оно выражено в столь слабой форме, что им можно пренебречь. Содержание марганца в ферритом ковком чугуне всегда находится в надлежащем балансе с серой, поэтому влияние этих элементов на механические свойства весьма ограничено. В перлитном ковком чугуне повышение содержания марганца влечет за собой торможение графитизации и увеличение количества перлита в структуре, вследствие чего, как показал И. И. Хорошев, повышаются характеристики прочности и понижается пластичность (удлинение) чугуна (рис.
157).
Рис. 157. Влияние марганца на структуру и механические свойства ковкового чугуна.
Рис. 158. Влияние фосфора на механические свойства чугуна.
Особенно резко прослеживается отрицательное влияние фосфора в высокоуглеродистом чугуне и в чугуне в значительным колличеством феррита в структуре. В перлитном же чугуне и при низком содержании углерода вредное влияние фосфора сказывается в меньшей степени, и ударная вязкость чугуна при однократном и многократном приложении нагрузки начинает падать только с 0,3% Р, как и статические свойства (рис. 159). Влияние фосфора на однородность механических свойств так же отрицательно, как и на структуру чугуна. Поэтому с увеличением содержания фосфора разница в механических свойствах толстых и тонких частей отливок увеличивается. Что касается ковкого чугуна, то повышение содержания фосфора свыше 0,2 — 0,25% увеличивает его хрупкость.
Рис. 159. Влияние фосфора на ударную вязкость перлитного чугуна.
г) Влияние легирующих элементов. Влияние легирующих элементов на механические свойства чугуна весьма разнообразно и зависит от состава металла, его перегрева и условии охлаждения.
Благоприятное влияние легирующих элементов в стали определяется, главным образом, повышением прочности феррита, изменением дисперсности карбидной фазы, увеличением прокаливаемости и устойчивости против отпуска, т. е. возможностью более эффективно использовать термическую обработку с соответствующим повышением пластичности при данной прочности. Однако чугунные отливки обычно не подвергаются термической обработке Кроме того, благодаря высокому содержанию углерода в чугуне упрочнение феррита легирующими элементами не имеет столь большого значения, как в стали.
Распространено мнение, особенно за границей, что применение легирующих элементов в чугуне не имеет большого значения и что обеспечение тех или иных механических свойств чугуна возможно другими способами, например понижением содержания углерода.
Эта точка зрения неправильна. Легирование чугуна, как способ повышения механических способов, имеет практическое значение в производственном работе наших литейных и научно обосновывается следующими соображениями.
Формирование вторичной структуры чугуна во время охлаждения в форме подобно тому, что происходит при процессе термической обработки. Поэтому влияние легирующих элементов на однородность чугуна в некотором смысле аналогично их влиянию на прокаливаемость стали и оказывается весьма полезным. Кроме того, легирующие элементы оказывают влияние на механические свойства чугуна путем изменении условии первичной и вторичной кристаллизации.
Изменение физических свойств жидкого раствора, образование тугоплавких соединений определенного строения с соответствующим уровнем поверхностной энергии и изменение сил взаимодействия между атомами раствора являются важными путями воздействия легирующих элементов на первичную кристаллизацию и графитизаиию чугуна. Наиболее интенсивно и благоприятно в этом отношении действуют ванадий, молибден, хром, титан.
Рис. 160. Влияние никеля на механические свойства чугуна.
Эти элементы размельчают выделения графита и повышают механические свойства чугуна. Еще большее значение имеет воздействие легирующих элементов на вторичную кристаллизацию, в частности па степень дисперсности перлита. В этом отношении действуют благоприятно почти все легирующие элементы вследствие уменьшения температуры пли скорости превращения. При этом карбидообразующие элементы (хром, молибден) оказывают влияние на фирму энтектоидных карбидов.
Оптимальные результаты можно получить при одновременном воздействий на первичную и вторичную кристаллизацию путем е комплексного легирования. По этой причине из двух групп легирующих элементов, образующих преимущественщо карбиды или твердые растворы, первая действует на механические свойства интенсивнее, чем вторая, так как параллельно с сорбитизацией структуры обычно благоприятно изменяет и форму графита. Экспериментальное сопоставление элементов по интенсивности воздействия на прочность чугуна располагает их в следующий ряд: Mo, V, Cr, Ni, Cu.
Наиболее слабым является влияние никеля и меди, что объясняется их графитизирующим действием. Как видно из опытов автора М. П. Симаповского и Г. М. Голуб (рис. 160), никель несколько повышает прочность, пластичность и вязкость чугуна вне зависимости от его эвтектичности. Твердость же чугуна может при этом повышаться или понижаться в зависимости от содержания никеля и характера исходной структуры. В чугуне, склонном к отбеливанию никель, способствуя графитизацди, уменьшает твердость в мягком же чугуне никель, сорбитизируя структуру, увеличивает твердость. Точно так же в зависимости от содержания никеля.
Рис. 161. Влияние меди на механические свойства.
Влияние меди примерно аналогично влиянию никеля в модифицированном чугуне больше, чем в обычном. Для повышения эффективности действия этих элементов неодновременное снижение содержания кремния, чтобы не увеличилась степень графитизации (иные механические свойства попытаются в малой степени).
Оптимальное же влияние никеля и меди обнаруживается при присадке их к половинчатому чугуну, когда графитизация в нем вызывается этими элементами.
Рис. 162. Влияние хрома на механические свойства чугуна.
Характерным для большинства легирующих элементов, в особенности для никеля и меди, является то обстоятельство, что они повышают главным образом прочность при растяжении, сжатии и срезе и в меньшей степени — прочность при изгибе, понижая, таким образом, отношение. Значительно сильнее влияют хром, молибден и ванадии как в отношении повышения прочности чугуна, так и отношении стрелы прогиба.
При этом, как показали наши исследования, благоприятное влияние хрома сказывается только до 0,5%, благоприятное же влияние молибдена — в пределах до 0,75 — 1,0% (рис. 162, 163 и 164). Все эти элементы особенно эффективно проявляют свое действие при содержании углерода. Как высоки могут быть механические свойства при легировании малоуглеродистого чугуна (после термообработки), показывают следующие данные:
Параллельно со статическими характеристиками прочности повышаются, конечно, и усталостные, причем соответствующий коэффциент эквивалентности обычно не изменяется легирующими элементами, за исключением молибдена, который его несколько повышает.
При этом увеличивается также сопротивление усталостному удару. И в этом отношении особенно интенсивно действует молибден (рис. 148), повышение содержания которого до 0,5% значительно увеличивает сопротивление удару при многократном приложении нагрузки. В том же направлении, хотя и менее интенсивно, действует никель и до известного предела (~3%) — медь.
Вместе с тем циклическая вязкость чугуна понижается обычно всеми с легирующими элементами, за исключением меди, которая при небольших напряжениях (15-20% предела прочности) несколько повышается. Это обстоятельство служит одной из причин применения медистого чугуна для коленчатых валов и других подобных деталей.
Рис. 163. Влияние молибдена на механические свойства чугуна.
Максимальное использование легирующих элементов и отношении повышения механических свойств возможно только при правильном их сочетании. Это достигается удачной комбинацией элементов: а) благоприятно влияющих на первичную и вторичную кристаллизацию, б) препятствующих и способствующих графитизации; в) образующих растворы с ферритом и цементитом; г) повышающих кристаллизацию и межкристалливую прочность.
Этими принципами удовлетворяет, например, сочетание никеля и хрома, так как никель способствует графитизации и образует твердый раствор с ферритом, упрочняя его, а хром препятствует графитизации, размельчает несколько графит и образует стойкие карбиды.
Рис. 164. Влияние ванадия на механические свойства чугуна.
При этом оба элемента сорбитизируют структуру. Поэтому никель и хром, действуя совместно, особенно интенсивно повышают механические свойства чугуна. Оптимальное соотношение между ними, как показывают некоторые исследования, зависит от состава чугуна и скорости его охлаждения и колеблется от 2 :1 до 5 : 1 (табл. 19).
Таблица 19. Оптимальное соотношение между никелем и хромом.
Медь также повышает эффективность своего действия при сочетании с элементами, препятствующими графитизации например с хромом, молибденом или марганцем, тем более, что при этом обычно, повышается растворимость меди в твердом расторе.
Молибден же, оказывающий сравнительно слабое влияние на графитизацию и образующий твердые растворы и с ферритом и с карбидами, можно комбинировать как с никелем или медью, так и с хромом или марганцем. В литературе обычно рекомендуются следующие отношения: Ni : Mo = 3:1, реже 2 :1 или 1:1; Сr : Мо = 1:1.
Большим преимуществом легированного чугуна, как было указано выше, является его высокая однородность. В этом отношении особенно благоприятно влияние никеля, меди и молибдена, с повышением содержания которых однородность свойств в разных частях отливок увеличивается:
По этой причине область состава чугуна в диаграмме, соотвестсвует максимальным свойствам значительно расширяется при легировании никелем и другими элементами. В отношении же остальных элементов можно отметить, что в тех пределах, в каких они встречаются в чугуне, их влияние весьма ограничено. Некоторое применение имеет иногда титан, реже цирконий и алюминий, способствующий графитизации и применяющиеся как дегазаторы и модификаторы.
При эгом титан особенно полезен в высокоуглеродном чугуне, где препятствует образованию пыли, а также и малоуглеродистом чугуне, где он способствует графитизации. Несколько повышают механические свойства также вольфрам, бор, перий.
Рис 165. Влияние меди на механические свойства ферритного ковкого чугуна
Наоборот, сурьма, отчасти мышьяк, висмут, олово, кобальт и некоторые другие элементы понижают механические свойства чугуна. Легирующие элементы в ковком чугуне применяются главным образом при производстве чугуна перлитного класса, когда необходимо затормозить в той или иной мере вторую стадию графитизации. В этом случае легирующие элементы, подобно марганцу, повышают прочность, соответственно понижая пластичность чугуна. Например, добавки 0,05 — 0,1% V, 0,3 — 0,7 Мо или 0,1 — 0,2% Сг способствуют получению перлитного ковкого чугуна. При производстве же ферритного ковкого чугуна практическое применение в качестве легирующего элемента получила только медь, способствующая, согласно литературным данным, графитизации, размельчающая выделения графита и несколько повышающая механические свойства (рис.
165).
Химический состав ВЧШГ. Влияние элементов на свойства чугуна
В статье Виноградова О.Н. описаны требования предъявляемые к химическому составу высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и влияние отдельных элементов на физико-механические свойства.
Физико-механические свойства материала отливки из ВЧШГ определяются химическим составом, технологией получения, условиями охлаждения, наличием легирующих элементов и др. Состав металла является одним из основных факторов, определяющих ме¬ханические свойства ВЧШГ. Рекомендуемый ГОСТ 7293-85 химический состав чугуна приведен в табл. 1.
Некоторые элементы – деглобуляторы препятствуют сфероидизации графита, поэтому их содержание в чугуне не должно превышать указанных значений (РЬ < 0,009%; Вi < 0,003%; Sb < 0,026%; As < 0,08%; Ti < 0,04; Sn < 0,013%; Al < 0,3%). При постоянном производстве ВЧШГ периодически, хоть раз в две недели стоит контролировать чугун на содержание этих элеметов.
Таблица 1. Рекомендуемый химический состав ВЧШГ
| Марка чугуна | Массовая доля элементов, % | |||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Ni | |||||
| Толщина стенки отливки, мм | Не более | |||||||||||
| до 50 | св. 50 до 100 | св. 100 | до 50 | св. 50 до 100 | св. 100 | |||||||
| ВЧ 35 | 3,3-3,8 | 3,0-3,5 | 2,7-3,2 | 1,9-2,9 | 1,3-1,7 | 0,8-1,5 | 0,2-0,6 | 0,1 | 0,02 | 0,05 | — | — |
| ВЧ 40 | 3,3-3,8 | 3,0-3,5 | 2,7-3,2 | 1,9-2,9 | 1,2-1,7 | 0,5-1,5 | 0,2-0,6 | 0,1 | 0,02 | 0,1 | — | — |
| ВЧ 45 | 3,3-3,8 | 3,0-3,5 | 2,7-3,2 | 1,9-2,9 | 1,3-1,7 | 0,5-1,5 | 0,3-0,7 | 0,1 | 0,02 | 0,1 | — | — |
| ВЧ 50 | 3,2-3,7 | 3,0-3,3 | 2,7-3,2 | 1,9-2,9 | 2,2-2,6 | 0,8-1,5 | 0,3-0,7 | 0,1 | 0,02 | 0,15 | — | — |
| ВЧ 60 | 3,2-3,6 | 3,0-3,3 | — | 2,4-2,6 | 2,4-2,8 | — | 0,4-0,7 | 0,1 | 0,02 | 0,15 | 0,3 | 0,4 |
| ВЧ 70 | 3,2-3,6 | 3,0-3,3 | — | 2,6-2,9 | 2,6-2,9 | — | 0,4-0,7 | 0,1 | 0,15 | 0,15 | 0,4 | 0,6 |
| ВЧ 80 | 3,2-3,6 | — | — | 2,6-2,9 | — | — | 0,4-0,7 | 0,1 | 0,01 | 0,15 | 0,6 | 0,6 |
| ВЧ 100 | 3,2-3,6 | — | — | 3,0-3,8 | — | — | 0,4-0,7 | 0,1 | 0,01 | 0,15 | 0,6 | 0,8 |
Является основным элементом – сфероидезатором.
Для образования графита шаровидной формы остаточное содержание магния в чугуне должно быть не ниже 0,03%, в противном случае графит кристаллизуется в шаровидной форме только частично, вследствие чего механические свойства чугуна снижаются. При более низком содержании магния часть графита кристаллизуется в виде пластинок, что снижает механические свойства сплава. Толщина стенок отливок, а следовательно и и скорость охлаждения вносят коррективы на минимальное содержание магния в чугуне, чем выше толщина стенки отливки – тем требуется более высокое содержание Mg. Обычно магния в ВЧШГ поддерживают в пределах 0,04-0,08%.
Содержание углерода обычно поддерживают на уровне 3,2—3,6%, Увеличение содержания углерода улучшает литейные свойства ЧШГ.
КремнийКремний оказывает значительное влияние на микроструктуру и на механические свойства ВЧШГ. При содержании З,0—3,3% кремний способствует получению устойчивой ферритной структуры в сыром состоянии; однако пластичность чугуна при этом снижается.
С точки зрения пластичности лучше выдерживать содержание кремния в пределах 2,0-2,4%.
С повышением содержания марганца уменьшается доля феррита и увеличивается количество перлита; при этом повышается предел прочности при растяжении и уменьшается относительное удлинение. При производстве ВЧШГ с ферритной структурой в литом состоянии содержание марганца не должно превышать 0,4%. Для повышения износостойкости содержание марганца увеличивают до 1,0-1,3%.
НикельНикель способствует увеличению количества перлита в ВЧШ, причем полностью перлитная структура получается уже при 4,8% Ni, а бейнитная структура — при 6,4% Ni. Влияет на тепло- и электропроводность, коррозионную стойкость и жаростойкость чугуна. С увеличением содержания никеля эти свойства повышаются.
МедьСи в количестве 1,0—1,5% приводит к образованию перлита, повышая прочность чугуна и понижая его пластичность. Содержание меди более 2% препятствует образованию в структуре сплава шаровидного графита.
Оказывает вредное влияние на ВЧШГ, способствуя образованию ПГ уже при содержании 0,2% и особенно при 0,25—0,6%.
МолибденСпособствует измельчению перлита и графитовых включений.
СераСамая вредная примесь. Чем выше содержание серы в “исходном чугуне”, тем труднее получить полностью (идеально) шаровидную форму графита и, следовательно, высокие механические свойства. Содержание серы в исходном жидком чугуне до модифицирования не должно превышать 0,03%, для внутриформенного модифицирования желательно иметь значение не выше 0,02% или даже ниже.
ФосфорПримесь. Оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства, образую фосфидную эвтектику (ФЭ), снижает относительное удлинение и ударную вязкость. Чтобы получить чугун с высокой пластичностью, содержание фосфора не должно превышать 0,08%.
ХромПримесь. С увеличением содержания хрома, в определенных пределах, повышаются жаростойкость, коррозионная стойкость и износостойкость.
Способствует образованию карбидов потому его содержание в ЧШГ не должно превышать 0,1%.
Литература
- Энциклопедия неорганических материалов. В 2-х томах, том 1. Киев, «Высшая школа», 1977 г.
- Могилёв В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. М.: Машиностроение, 1988. – 272 с.
- Справочник по чугунному литью./Под редакцией д.т.н. Н.Г. Гиршовича. – 3-е изд. перераб. и дополн. Л.: Машиностроение, 1978 – 758 с.
- Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом/Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г., Вареник П.А. – Киев: Наукова думка, 1986 – 248 с.
Чугуны
ЧугуныЧугуны обычно содержат 2-4 мас.% углерода с высокой концентрацией кремния и большей концентрацией примесей, чем стали. Углеродный эквивалент (CE) чугуна помогает различать серый чугун, который при охлаждении превращается в микроструктуру, содержащую графит, и белый чугун, в котором углерод присутствует в основном в виде цементита. Углеродный эквивалент определяется как:
Высокая скорость охлаждения и низкий углеродный эквивалент способствуют образованию белого чугуна, тогда как низкая скорость охлаждения или высокий углеродный эквивалент способствуют образованию серого чугуна.
При затвердевании основная часть углерода осаждается в виде графита или цементита. Когда затвердевание завершается, выделившаяся фаза внедряется в матрицу аустенита, которая имеет равновесную концентрацию углерода около 2 мас.%. При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените уменьшается по мере выделения из твердого раствора большего количества цементита или графита. В обычных чугунах аустенит затем распадается на перлит при эвтектоидной температуре. Однако в серых чугунах, если скорость охлаждения через эвтектоидную температуру достаточно мала, получается полностью ферритная матрица с отложением избыточного углерода на уже существующем графите.
Белые чугуны твердые и хрупкие; они не могут быть легко обработаны.
Фазовая диаграмма железо-углерод, показывающая эвтектические и эвтектоидные реакции. Воспроизведено с разрешения Джуда Риди из Технологического института Джорджии. Совместное студенческое отделение ASM/TMS.
Серые чугуны более мягкие, с микроструктурой графита в преобразованной аустенитной и цементитной матрице.
Чешуйки графита, которые представляют собой розетки в трех измерениях, имеют низкую плотность и, следовательно, компенсируют усадку при замораживании, что дает хорошие отливки без пористости.
Чешуйки графита обладают хорошими демпфирующими характеристиками и хорошей обрабатываемостью (поскольку графит действует как стружколом и смазывает режущие инструменты. В условиях износа графит полезен, поскольку помогает удерживать смазку. Однако чешуйки графита также являются концентраторами напряжений, что приводит к плохой ударной вязкости, поэтому рекомендуемое приложенное растягивающее напряжение составляет лишь четверть фактического предела прочности при растяжении.
Известно, что сера в чугунах способствует образованию графитовых чешуек. Графит можно заставить осаждаться в сфероидальной форме путем удаления серы из расплава с использованием небольшого количества карбида кальция. Затем следует незначительное добавление магния или церия, что отравляет предпочтительные направления роста и, следовательно, приводит к изотропному росту, приводящему к сфероидам графита.
Обработка кальцием необходима перед добавлением магния, так как последний также имеет сродство как к сере, так и к кислороду, тогда как его сфероидизирующая способность зависит от его присутствия в растворе в жидком железе. Магний часто добавляют в виде сплава с железом и кремнием (Fe-Si-Mg), а не в виде чистого магния.
Однако магний имеет тенденцию способствовать осаждению цементита, поэтому также добавляется кремний (в форме ферросилиция), чтобы обеспечить осаждение углерода в виде графита. Ферросилиций известен как модификатор .
Чугун с шаровидным графитом обладает превосходной ударной вязкостью и широко используется, например, в коленчатых валах.
Последним прорывом в производстве чугуна является то, что матрица чугуна с шаровидным графитом представляет собой не перлит, а бейнит. Это приводит к значительному повышению жесткости и прочности. Бейнит получают изотермическим превращением аустенита при температурах ниже той, при которой образуется перлит.
Вы можете нажать на изображения, чтобы увеличить их. Также можно загрузить изображения очень высокого разрешения (по 6 Мбайт каждое), а также кристаллические структуры феррита, цементита, графита и аустенита.
| Серый чугун, Fe-3,2C-2,5Si мас.%, содержащий графитовые чешуйки в перлитной матрице. Пятнистые белые области представляют собой фосфидную эвтектику. Травка: Нитал 2% | Серый чугун, Fe-3,2C-2,5Si, % масс., содержащий графитовые чешуйки в перлитной матрице. Можно разглядеть пластинчатую структуру перлита, состоящую из чередующихся слоев цементита и феррита. Пятнистые белые области представляют собой фосфидную эвтектику. Травка: Нитал 2% |
Химический состав чугуна аналогичен составу серого чугуна, но с содержанием магния 0,05 мас.
%. Все образцы протравлены 2% ниталом.
| Иллюстрация пластичности чугуна с шаровидным графитом. Фотография воспроизведена из Физическая металлургия технических материалов , Э. Р. Петти, с разрешения Института материалов. | Чугун с шаровидным графитом, Fe-3,2C-2,5Si-0,05Mg мас.%, содержащий графитовые узелки в перлитной матрице. Один из узелков окружен ферритом просто потому, что область вокруг узелка обезуглерожена в виде углеродистых отложений на графите. Травка: Нитал 2% |
Чугун с шаровидным графитом обычно имеет перлитную матрицу. Однако отжиг заставляет углерод в перлите осаждаться на существующий графит или формировать дополнительные мелкие частицы графита, оставляя после себя ферритную матрицу.
Это придает железу еще большую пластичность. Все образцы протравлены 2% ниталом.
| Графитовые конкреции в ферритной матрице. | Графитовые конкреции в ферритной матрице. Также виден некоторый углерод, отложившийся во время отпуска. Травка: Нитал 2% |
Химический состав чугуна Fe-3,52C-2,51Si-0,49Mn-0,15Mo-0,31Cu мас.%. Все образцы протравлены 2% ниталом. Цветные микрофотографии получают путем первого травления 2% нитала с последующей термообработкой металлографического образца на открытом воздухе при 270°С.0126 или С в течение 3 ч. Это окисляет образец и создает интерференционные цвета, зависящие от фазы.
Ковкий чугун в литом состоянии. Узелки графита, перлита (темные островки) и феррита (светлый фон). Травка: Нитал 2% | Ковкий чугун в литом состоянии. Узелки графита, перлита (темные островки) и феррита (светлый фон). Травка: Нитал 2% |
| Аустенизация 950°С, аустенизация 350°С в течение 64 мин. | Аустенизация при 950°С, аустенизация при 350°С в течение 64 мин. |
На следующих изображениях представлены автомобильные компоненты из ковкого чугуна после отпуска, предоставленные Институтом инженеров по литейным металлам. Во избежание деформации коленчатый вал спортивного автомобиля TVR подвергается черновой обработке после отливки, термообработке для получения бейнитной микроструктуры, а затем механической обработке. Сообщается, что он обладает отличными усталостными свойствами; его демпфирующие характеристики благодаря графиту снижают шум двигателя.
Рычаг подвески Ford Mustang был изготовлен из аустенитного ковкого чугуна с целью снижения веса, шума и стоимости. Он был разработан с использованием моделирования конечных элементов для оптимизации прочности и жесткости. Были рассмотрены алюминиевые сплавы, но они были отклонены, поскольку в этом случае компонент занимал бы гораздо больше места из-за их меньшей прочности.
Рычаг подвески прицепа грузовика изначально был изготовлен из сварной стали для использования при транспортировке по пересеченной австралийской глубинке. Они вышли из строя по сварным швам и были связаны с деформациями, которые привели к ускоренному износу шин. Подвеска из литого аустенитного ковкого чугуна оказалась намного прочнее.
| TVR Tuscan Speed 6, высокопроизводительный спортивный автомобиль с коленчатым валом из ковкого чугуна с аустическим отпуском. | Коленчатый вал из аустенитного ковкого чугуна для спортивного автомобиля TVR.  |
| Рычаг подвески из ковкого чугуна Austempered для Ford Mustang Cobra | Рычаг подвески грузового прицепа, изготовленный из аустенитного ковкого чугуна, Steele and Lincoln Foundry. |
- Больше изображений ковкого чугуна Austempered
- Скачать к.т.н. диссертация по ковкому чугуну с закалкой
- Остаточный аустенит в аустенитном ковком чугуне
- Физика остаточного аустенита в ковких чугунах, подвергнутых аустенитному отпуску
- Твердость аустенизированного ковкого чугуна
Blackheart производится путем нагревания белого чугуна при температуре 900-950 o C в течение многих дней перед медленным охлаждением.
Это приводит к микроструктуре, содержащей неравномерные, хотя и равноосные узелки графита в ферритной матрице. Термин «черное сердце» происходит от того факта, что поверхность излома имеет серый или черный вид из-за присутствия графита на поверхности. Целью термической обработки является повышение пластичности чугуна. Однако этот процесс в настоящее время устарел, поскольку сфероидальный графит может быть получен непосредственно при отливке путем модифицирования магнием или церием. Все образцы протравлены 2% ниталом.
| Чугун с черным сердцем. | Чугун Blackheart. Травка: Нитал 2% |
Этот чугун используется там, где требуется очень высокая износостойкость. Например, при бурном дроблении горных пород и полезных ископаемых.
Он содержит комбинацию очень прочных карбидообразующих легирующих элементов. Таким образом, его химический состав Fe-2,6C-17Cr-2Mo-2Ni вес.%.
Все образцы протравлены реактивом Виллелы, представляющим собой смесь пикриновой кислоты, соляной кислоты и этанола. Материал, из которого были получены эти микрофотографии, был любезно предоставлен доктором Арнольдо Бедолла-Хакуинде из Мексики. Подробная информация о железе была опубликована в International Journal of Cast Metals Research, 13 (2001) 343-361.
| Белая фаза представляет собой карбид с высоким содержанием хрома, известный как M 7 С 3 . Матрица состоит из дендритов аустенита, некоторые из которых могли превратиться в мартенсит. Также могут быть относительно небольшие количества карбидов из других сплавов. | Белая фаза представляет собой карбид с высоким содержанием хрома, известный как M 7 C 3 . Матрица состоит из дендритов аустенита, некоторые из которых могли превратиться в мартенсит. Также могут быть относительно небольшие количества карбидов из других сплавов. |
Процесс литья никогда не бывает идеальным, особенно при работе с крупными деталями. Вместо того, чтобы утилизировать дефектные отливки, их часто можно отремонтировать с помощью сварки. Естественно, очень высокая концентрация углерода в типичных чугунах вызывает трудности при внедрении хрупкого мартенсита в околошовную зону сварного шва. Поэтому необходим предварительный нагрев до температуры около 450°С с последующим медленным охлаждением после сварки во избежание растрескивания.
Материалы, используемые в качестве наполнителей при сварке, обычно содержат большие концентрации никеля, так что получаемый аустенитный металл сварного шва не чувствителен к поглощению углерода из чугуна.
Отложения мягкие и могут быть обработаны для придания необходимой формы и отделки. Конечно, никель дорог, поэтому при крупном ремонте зазор сварки сначала покрывается («смазывается») наполнителем с высоким содержанием никеля, а затем оставшийся зазор заполняется менее дорогими присадочными металлами из мягкой стали.
Первый в мире мост из железа в 1779 году. Вся конструкция выполнена из чугуна. Фотографии любезно предоставлены Ёкотой Томоюки и его семьей.
| Железный мост из чугуна | Железный мост из чугуна | |
| Железный мост из чугуна | Железный мост из чугуна | |
| Железный мост из чугуна.  На этой фотографии видна трещина. | Ущелье. | |
| Ближайшая электростанция. | Остатки доменной печи (Коулбрукдейл), построенной в 1708 году. | Еще фото Айронбридж |
Полпенниовый жетон Коулбрукдейла, 1792
На рисунках ниже показан жетон в полпенни, отчеканенный в 179 г.2, на одной стороне изображен корабль, проходящий под первым в мире железным мостом. Железная руда и уголь транспортировались по каналу, но металлургический завод в Кетли находился на 22 м выше этого канала. Поэтому была построена «наклонная плоскость» (2-е изображение), чтобы лодки можно было поднимать через люльку и шлюз в верхнюю часть канала, ведущего к металлургическому заводу.
Токен предоставлен Майклом Куком.
| | III |
Чугун на ощупь выглядит солидно и имеет привлекательный внешний вид.
Есть много традиционных применений чугуна.
Следующие фотографии были любезно предоставлены Беном Деннисом-Смизером, Фрэнком Кларком и Мохамедом Шерифом.
| Вскрытие компьютерной мыши. Интересный предмет — шарик-роллер. | Микроструктура шарика ролика, изготовленного из чугуна. Чешуйки графита окружены ферритом, коричневый цвет — пералитом, а также присутствует продукт эвтектики ледибурита, который не виден при этом увеличении. |
| | Перлит разрешен в некоторых областях, где плоскость разреза находится под углом скольжения к ламелям. Ледибуритовая эвтектика выделена стрелками. При высоких температурах это смесь аустенита и цементита, образующаяся из жидкости.  Впоследствии аустенит распадается на перлит. |
| Шар изготовлен из чугуна, вероятно, потому, что он относительно твердый. |
Следующие фотографии были любезно предоставлены Джимом Чарльзом.
| Старинные украшения из чугуна | Старинные украшения из чугуна |
Узоры в чугунных компонентах и окружении
Фотографии предоставлены Мэтью Питом
Чугун в Буэнос-Айресе, Аргентина
..| Пуэрот-Мадеро, Буэнос-Айрес, Аргентина | Пуэрот-Мадеро, Буэнос-Айрес, Аргентина. Массивные чугунные причалы украшают берег, изготовленные в литейном цехе в Кардиффе, Уэльс, Великобритания | Пуэрот-Мадеро, Буэнос-Айрес, Аргентина.  Массивные чугунные причалы украшают берег, изготовленные в литейном цехе в Кардиффе, Уэльс, Великобритания |
| Пуэрот-Мадеро, Буэнос-Айрес, Аргентина | Мост женщины (Пуэнте-де-ла-Мухер), Буэнос-Айрес, Аргентина |
Чугунные ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне
Следующие фотографии были любезно предоставлены Франсиской Кабальеро и Карлосом Капдевила Монтес.
| Ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне | Чугунные ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне |
| Чугунные ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне | Чугунные ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне |
| Чугунные ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне | Чугунные ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне |
| Чугунные ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне | Чугунные ворота дворца Гуэль работы Гауди в Барселоне |
Обзор книги о чугунах, содержащих редкоземельные элементы.
Графитизация
Металлография чугунов.
Ковкий чугун
Ковкий чугун представляет собой термообработанный сплав железа с углеродом, затвердевающий в литом состоянии со структурой, не содержащей графита, т.е. общее содержание углерода находится в цементитной форме (Fe3C).
Определены две группы ковких чугунов (белосердечный и черносердечный ковкий чугун), различающиеся химическим составом, температурой и временными циклами процесса отжига, атмосферой отжига и обусловленными этим свойствами и микроструктурой.
Ковкий чугун представляет собой термически обработанный сплав железа с углеродом,
который затвердевает в литом состоянии с
структура без графита, т.е. общее содержание углерода составляет
присутствует в форме цементита (Fe3C).
Указаны две группы ковкого чугуна, различаются по химическому составу, температуре и времени циклы процесса отжига, атмосфера отжига и вытекающие из этого свойства и микроструктура.
Ковкий чугун с белой сердцевиной
Микроструктура белого ковкого чугуна зависит по размеру сечения. Небольшие участки содержат перлит и закалку. углерод в ферритной подложке. В больших разделах существует три различных зоны:
- поверхностная зона, содержащая чистый феррит,
- промежуточная зона с перлитом, ферритом и закалкой углерод, Зона ядра
- , содержащая перлит, отпускной углерод и ферритные включения.
Микроструктура не должна содержать чешуйчатый графит.
Ковкий чугун с черной сердцевиной и перлитом
Микроструктура черносердечного ковкого чугуна имеет
матрица по существу из феррита. Микроструктура
Перлитный ковкий чугун имеет матрицу, согласно
указанного сорта из перлита или других продуктов превращения
аустенита.
Графит присутствует в виде конкреций темперированного углерода. Микроструктура не должна содержать чешуйчатый графит.
Система обозначения ковкого чугуна
Обозначение по ISO 5922 (1981) ковкого чугуна состоит из одной буквы, обозначающей тип железа, две цифры, обозначающие прочность на растяжение, и две цифры, обозначающие минимальное удлинение.
- Буквы, обозначающие тип ковкого литья железо может быть:
- W для ковкого чугуна с белой сердцевиной,
- B для чернозернистого ковкого чугуна,
- P для периитового ковкого чугуна.
За этой буквой следует пробел.
Например: Обозначение белосердечного ковкого гипса. железа с минимальной прочностью на растяжение 400 Н/мм² и минимальное удлинение 5% при измерении на образце диаметром 12 мм будет В 40-05 .
Химический состав ковкого чугуна
Химический состав ковкого чугуна в целом соответствует диапазонам, указанным в таблице 1. Небольшие количества хром (от 0,01 до 0,03%), бор (0,0020%), медь (≤ 1,0%), также никель (от 0,5 до 0,8%) и молибден (от 0,35 до 0,5%). иногда присутствует.
| Элемент | Состав % |
| Углерод | 2,16-2,90 |
| Кремний | 0,90-1,90 |
| Марганец | 0,15-1,25 |
| Сера | 0,02-0,20 |
| Фосфор | 0,02-0,15 |
Механические свойства ковкого чугуна
Ковкий чугун, как и ковкий, обладает значительной
пластичность и прочность из-за сочетания узловатых
графит и низкоуглеродистая металлическая матрица.
Из-за того, как
в котором графит образуется в ковком чугуне, однако
конкреции не совсем сферические, как в ковком чугуне
но представляют собой агрегаты неправильной формы.
Ковкий чугун и ковкий чугун используются для некоторых из применения, в которых важны пластичность и ударная вязкость. Во многих случаях выбор между ковким и ковким чугуном основывается на экономичности или доступности, а не на характеристики. Однако в некоторых случаях ковкое железо имеет явное преимущество. Предпочтение отдается тонкому срезу. отливки:
- для деталей, которые должны быть проколоты, отчеканены или охлаждены сформировано,
- для деталей, требующих максимальной обрабатываемости,
- для деталей, которые должны сохранять хорошую ударопрочность при низких температурах и
- для деталей, требующих износостойкости (мартенситные только ковкое железо).
Ковкий чугун имеет явное преимущество там, где низкое затвердевание
усадка необходима, чтобы избежать горячих разрывов или где сечение
слишком толстый, чтобы допустить затвердевание в виде белого железа
(Затвердевание в виде белого чугуна по всему сечению
необходимо для производства ковкого чугуна).
Податливый
чугунные отливки изготавливаются в сечениях толщиной от
примерно от 1,5 до 100 мм и массой менее 0,03
до 180 кг и более.
Механические свойства образцов из ковкого литья. чугун должен соответствовать значениям, указанным ниже:
| Обозначение | Диаметр образца мм | Прочность на растяжение Н/мм² | 0,2% условное напряжение Н/мм² | Удлинение (L 0 = 3d) % мин. | Твердость HB |
| Ж 35-04 | 9 — 15 | 340 — 360 | — | 5 — 3 | 230 |
| Вт 38-12 | 9 — 15 | 320 — 380 | 170 — 210 | 15 — 8 | 200 |
| Ж 40-05 | 9 — 15 | 360 — 420 | 200 — 230 | 8 — 4 | 220 |
| Ж 45-07 | 9 — 15 | 400 — 480 | 230 — 280 | 10 — 4 | 220 |
Механические свойства черносердечного и перлитного ковкого чугуна| Обозначение | Диаметр образца мм | Прочность на растяжение Н/мм² | 0,2% условное напряжение Н/мм² | Удлинение (L 0 = 3d) % мин. | Твердость HB |
| Б 30-06 | 12 — 15 | 300 | — | 6 | 150 макс. |
| Б 32-12 | 12 — 15 | 320 | 190 | 12 | 150 макс. |
| Б 35-10 | 12 — 15 | 350 | 200 | 10 | 150 макс. |
| П 45-06 | 12 — 15 | 450 | 270 | 6 | 150-200 |
| П 50-05 | 12 — 15 | 500 | 300 | 5 | 160-220 |
| П 55-04 | 12 — 15 | 550 | 340 | 4 | 180-230 |
| П 60-03 | 12 — 15 | 600 | 390 | 3 | 200-250 |
| П 65-02 | 12 — 15 | 650 | 430 | 2 | 210-260 |
| П 70-02 | 12 — 15 | 700 | 530 | 2 | 240-290 |
| П 80-01 | 12 — 15 | 800 | 600 | 1 | 270-310 |
Методы плавки
Плавка может быть осуществлена путем периодического холодного плавления или путем
дуплекс.
Холодная плавка осуществляется в бесстержневой или канальной
индукционные печи, электродуговые печи или вагранки
печи. При дуплексировании железо плавится в вагранке или
электродуговая печь, и расплавленный металл переносится в
тигельная или канальная индукционная печь для выдержки и
заливка.
Шихтовые материалы (литейный возврат, стальной лом, ферросплавы, и, за исключением ваграночной плавки, углерод) тщательно выбран, и операция плавления хорошо контролируется, чтобы получить металл с нужным составом и свойствами. Незначительные исправления в составе и температуре заливки. производится на второй стадии дуплексной плавки, но большая часть управление технологическим процессом осуществляется в первичной плавильной печи.
Формы изготавливаются из зеленого песка, силиката CO 2 связанный песок или песок, связанный смолой (оболочки). Оборудование
варьируется от высокомеханизированных или автоматизированных машин до
требуется для напольного или ручного формования, в зависимости от
размер и количество отливок, которые должны быть изготовлены.