Влияние химического состава и скорости охлаждения на структуру чугуна

Применяемые на практике чугуны кроме железа и кремния содержат другие элементы и являются сложными по химическому составу сплавами. При этом элементы, способствующие образованию (кристаллизации) графита, называются графитизирующими: Al, Si, Ti, Сu и др. Элементы, способствующие получению углерода в связанном состоянии в виде соединений (цементита или карбидов), называются антиграфитизирующими: W, Мn, S, Cr и др.

На структуру чугуна значительно влияет скорость охлаждения. Поэтому при одном химическом составе в деталях разной толщины образуется неодинаковая структура.

Обычные серые чугуны содержат в качестве основных элементов железо, углерод и кремний. По существу они представляют собой Fe - С - Si сплавы, в которых постоянными примесями являются марганец, сера и фосфор. В небольших количествах в обычных серых чугунах могут присутствовать хром, никель и медь, попадающие в них при выплавке из руды.

Кроме обычных применяют легированные чугуны, в которые специально для получения определенных свойств вводят легирующие элементы.

Углерод и кремний являются графитизирующими элементами. Изменяя содержание углерода и кремния, можно получить чугуны с различной структурой. Чем больше кремния содержит чугун (при одинаковом содержании углерода), тем полнее в нем протекает процесс графитизации.

На практике в одной и той же отливке при неизменном содержании углерода и кремния можно получить различную структуру. В тонких частях и в поверхностном слое, там, где скорость охлаждения больше, будет больше связанного углерода, чем в сердцевине массивных частей отливки. Поэтому при определении структуры принимают во внимание толщину стенки отливки. Чем больше толщина стенки, тем меньше скорость охлаждения, тем полнее протекает процесс графитизации.

При одинаковом суммарном содержании углерода и кремния структура чугуна в отливках разной толщины будет неодинаковой. Так, при суммарном содержании углерода и кремния 4 % в отливках толщиной до 10 мм будет структура белого доэвтектического чугуна, толщиной от 10 до 20 мм — половинчатого чугуна, толщиной от 20 до 60 мм — структура серого перлитного чугуна, толщиной от 60 до 120 мм - структура серого ферритно-перлитного чугуна. Для того чтобы в отливках чугуна разной толщины получить одинаковую структуру, необходимо изменять его химический состав — суммарное содержание углерода и кремния.

Обычно в производстве для получения заданной структуры регулируют содержание в чугуне кремния, углерода и марганца. В отливках большой толщины, охлаждающихся медленно, содержание кремния может быть меньше, чем в отливках тонкостенных, охлаждающихся ускоренно. В серых чугунах концентрация кремния находится в пределах 1,5 — 3,5 %.

Марганец затрудняет графитизацию и способствует увеличению связанного углерода в чугуне. Он несколько повышает механические свойства чугуна, особенно в тонкостенных отливках. Кроме того, он связывает серу, оказывающую вредное влияние, в соединение МnS. Однако с увеличением содержания марганца повышается способность чугуна к отбеливанию - появлению, особенно в поверхностных слоях отливок или в тонких сечениях, структуры белого или половинчатого чугуна. Поэтому содержание марганца в серых чугунах не должно превышать

1,25 % (0,2 – 1,1%).

Сера является вредной примесью в чугуне. Она ухудшает литейные свойства чугуна и способствует его отбеливанию (если содержание серы больше 0,15 %). Сера допускается в чугунах в минимальных количествах 0,08 - 0,012 %.

Фосфор практически не влияет на графитизацию чугуна. Он улучшает литейные свойства чугуна, в частности жидкотекучесть. Это объясняется тем, что при достаточном содержании фосфора кристаллизация чугуна происходит с образованием наиболее легкоплавкой фосфидной эвтектики: в серых чугунах — двойной эвтектики (аустенит + Fe₃P), в белых — тройной эвтектики (аустенит + Fe₃С + Fe₃P). Эвтектика улучшает литейные свойства чугуна. Включения фосфидной эвтектики способствуют повышению износостойкости серого чугуна, но увеличивают его хрупкость.

Обычно в сером чугуне фосфора содержится до 0,3 - 0,4 % P. При изготовлении художественных отливок с целью повышения жидкотекучести содержание фосфора в чугуне может быть повышено до 1 %. Повышенное содержание фосфора рекомендуется и для антифрикционных чугунов, работающих при малых удельных давлениях.

Если в чугуны вводят такие элементы, как алюминий, медь, кремний (свыше 3 5 %), марганец (свыше 1 %), хром, никель и др., то получаются легированные чугуны.

Поиск по сайту: