Какое влияние оказывает углерод на свойства литейного чугуна
Микроструктура чугунов (табл. 1) зависит от скорости охлаждения металла: при быстром охлаждении будет белый чугун (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита), а при медленном охлаждении будет серый чугун (углерод находится в виде графита). Табл. 1. Марки и механические свойства чугуна разлиных типов.
Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5 % Si. Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна. Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна. Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%. Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 2). В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных – шаровидную, а в ковких – хлопьевидную.П римеры обозначения чугунов: Формирование структуры чугуна происходит при затвердевании отливки. Основными факторами, влияющими на структурообразование чугуна, являются его химический состав (см. табл. ниже) и скорость охлаждения отливки в форме. Табл. 2 – Влияние химических элементов на свойства чугуна
Небольшие количества множества элементов могут попасть в состав литейного чугуна и оказывать заметное воздействие на структуру и свойства отливок. Добавки некоторых из этих элементов производят специально, в то время как другие представляют собой примеси, привнесенные в металл из шихты. Некоторые из этих элементов оказывают положительное воздействие, особенно в сером чугуне, в то время как другие оказывают отрицательное воздействие и попадания их с расплав следует избегать. В таблице перечислены обычные источники этих элементов, часто встречающиеся уровни их содержания и основное воздействие на чугун. Результаты применения некоторых элементов в качестве основных легирующих (например, хром), в таблице не указаны.
| Предлагаем услуги по оптимизации геометрии разливочной оснастки с целью обеспечения повышения коэффициента использования металла и снижения осевой пористости слитков подробнее | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Источник
Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси ( Si, Mn, P, S) , а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Чугун — важнейший первичный продукт чёрной металлургии (см. также Доменное производство), используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Чугун вторичной плавки – один из основных конструкционных материалов; Применяется как литейный сплав. Широкому использованию чугуна в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые чугуны лишь немногим уступают углеродистой стали; см. Модифицированный чугун}. В современном машиностроении на долю деталей из чугуна приходится около 75% от общей массы отливок.
Углерод оказывает большое влияние на свойства чугунов. Он может находиться в чугуне в виде цементита или графита или одновременно в виде цементита и графита. Чугун, в котором практически ,весь углерод находится в виде цементита, называется белым, а если в виде графита—серым чугуном.
Содержание углерода и форма выделения графита в серых чугунах также оказывают значительное влияние на их свойства. Поскольку графит обладает весьма малой прочностью, то в первом приближении графитовые включения в микроструктуре чугуна можно считать пустотами. Чем больше углерода в чугуне в виде графита, тем больший объем будут занимать пустоты и тем, следовательно, ниже механические свойства чугуна.
Кремний способствует графитизации чугуна и, следовательно, оказывает особенно большое влияние на его свойства. В чугунах обычно содержится 1,2…3,5% Si. Изменяя суммарное содержание углерода и кремния в чугуне, можно при прочих равных условиях получить различную структуру и свойства чугуна.
Марганецпрепятствует процессу графитизации и повышает способность чугуна к сохранению углерода в форме цементита, образуя карбиды. В чугунах содержится 1 … 1,5 % Мn.
Сера является вредной примесью; она ухудшает литейные свойства (понижает жидкотекучесть) и способствует отбеливанию чугуна. Содержание серы в чугуне для мелкого литья допускается не выше 0,08%, для крупного литья—не выше 0,10… 0,12 %. Вредное влияние серы на свойства чугуна в значительной степени нейтрализуется марганцем, образующим химическое соединение МnS, большая часть которого переходит в шлак.
Фосфор увеличивает жидкотекучесть чугуна благодаря образованию легкоплавкой тройной эвтектики FезР—FезС—Fе7, имеющей температуру плавления 950 °С. После затвердевания фосфитная эвтектика повышает твердость и износостойкость чугуна. Фосфор в чугунах содержится до 0,5 %.
Кроме постоянных примесей, в чугун вводят специальные добавки для придания чугунам определенных свойств. Иногда чугуны выплавляют в доменных печах из руд, содержащих хром, никель и другие легирующие компоненты. Такие чугуны называют природнолегированными. Влияние легирующих элементов на свойства чугунов определяется главным образом их отношением к углероду. Графитообразующие элементы способствуют получению хорошо обрабатываемых чугунов, а карбидообразующие—получению отбеленных чугунов, плохо поддающихся обработке режущим инструментом.
Источник
Первое место среди литейных материалов занимает чугун, высокие литейные и механические качества которого, а также относительная дешевизна обусловливают широкое применение его в машиностроении и строительстве.
Чугуном называется сплав, состоящий в основном из железа и углерода. Кроме углерода и железа, в состав чугуна обычно входит некоторое количество кремния, марганца, серы и фосфора.
Углерод, входящий в состав чугуна, может находиться частью в свободном и частью в связанном состоянии. Углерод, находящийся в свободном состоянии, может быть в форме пластинчатых включений различного размера или в виде округленных включений, а в связанном — или в виде химического соединения Fe3C (карбид железа, цементит), или в виде твердого раствора углерода в железе (аустенит, феррит).
В зависимости от требований, предъявляемых к литым деталям из чугуна, применяется чугун различного химического состава.
Влияние примесей
Углерод. Выше было сказано, что углерод, входящий в сплав с железом, может находиться как в свободном, так и в связанном состоянии. Литейные качества чугуна зависят не только от количества входящего в состав его углерода, но и от состояния, в котором он находится.
Увеличение количества свободного углерода способствует лучшему заполнению чугуном формы. Это объясняется тем, что в процессе графитизации чугун увеличивается в объеме, и поэтому лучше заполняет форму и дает меньшую усадку.
Чем медленнее идет охлаждение расплавленного чугуна, тем большая часть углерода выделяется в виде графита, т. е. в свободном состоянии и меньше в связанном, в виде цементита; чем больше скорость охлаждения, тем (при данном химическом составе) будет меньше свободного углерода в полученной отливке.
Цементит, являющийся главной структурой составляющей белого чугуна, обладает весьма большой твердостью; вследствие этого белый чугун с большим трудом поддается обработке резцом. Серые чугуны, структуру которых составляют главным образом зерна мягкого железа (феррита), перлит и графит, обрабатываются резанием значительно легче.
Кремний. Кремний способствует выделению графита при застывании чугуна и уменьшает общее растворение в нем углерода.
Количество выделяемого графита увеличивается с повышением содержания кремния. При одном и том же количестве кремния выделение графита возрастает с увеличением содержания углерода в чугуне.
Совокупность влияния углерода и кремния на структуру чугуна показана на диаграмме (фиг. 163). Из этой диаграммы видно, что конечная структура чугуна зависит от суммарного содержания углерода и кремния. Так, при обычных условиях охлаждения в земляной форме и толщине стенок 15—20 мм1 при 7% Si чугун будет серый, ферритный, т. е. состоящий из железа (феррита) и графита; при содержании Si от 2 до 7% в зависимости от содержания углерода могут получаться перлитные чугуны, содержащие углерод частично в свободном состоянии, частично в виде карбида железа; при содержании Si менее 2% и С около 2,5% могут получаться белые чугуны (не содержащие свободного углерода).
Конечная структура зависит от химического состава и скорости охлаждения. С изменением толщины стенок отливки будет изменяться скорость охлаждения и, следовательно, при одинаковом химическом составе, но при различной толщине стенок могут получаться различные структуры. На фиг. 164 приведена диаграмма зависимости между толщиной стенки, суммарным содержанием углерода и кремния и получаемой структурой чугуна. Здесь по оси У отложено суммарное содержание углерода и кремния в %, а по оси X — толщина отливки в мм. На фиг. 163 и 164 римскими цифрами указаны: I — область белого чугуна, II — область перлитного, III — область серого ферритного, IIа и IIb — переходные области.
Марганец увеличивает растворение углерода в железе и препятствует выделению С в виде графита. Таким образом, действие марганца на литейные качества чугуна обратно действию кремния. В случае одновременного присутствия в чугуне кремний и марганец оказывают до некоторой степени взаимно уравновешивающее влияние.
В серых литейных чугунах количество марганца обычно не превосходит 1,3%.
Сера препятствует растворению углерода в жидком чугуне и выделению углерода в виде графита при застывании. В расплавленном состоянии сернистые чугуны обладают пониженной жидкотекучестью. Таким образом, сера является
примесью, сильно снижающей литейные качества чугуна; сернистые чугуны плохо заполняют форму и дают много раковин.
В мелком чугунном литье содержание серы допускается не выше 0,08%, в среднем и крупном — не выше 0,12%.
Сера отрицательно влияет и на механические качества чугуна, сообщая ему красноломкость и твердость.
Сера может быть частично удалена из чугуна введением в шихту марганца, образующего с серой сернистый марганец, имеющий весьма высокую температуру плавления (около 1620°) и меньший удельный вес; вследствие этого сернистый марганец отделяется от чугуна, всплывая на поверхность металла. Другим средством для удаления серы служит вводимая в ваграночную шихту известь; она образует с серой уходящее в шлак соединение — сернистый кальций по уравнению
Фосфор. Примесь фосфора делает чугун более жидкотекучим и несколько снижает температуру плавления, повышая, таким образом, литейные качества чугуна.
В обыкновенных литейных чугунах допускается содержание фосфора до 1%. В особых случаях может быть допущено содержание фосфора до 1,5% (художественное литье, посуда).
Фосфор является желательной примесью при изготовлении тонкостенных отливок, так как фосфористый чугун вследствие своей жидкотекучести хорошо заполняет все очертания формы.
На механические качества чугуна фосфор действует отрицательно, сообщая чугуну хрупкость; поэтому чугуны с повышенным содержанием фосфора применяют для отливок, не требующих большой прочности, например, художественных, кухонной посуды и т. п.
Изменение состава чугуна при плавке
Газы плавильных печей действуют окисляющим образом на составные части чугуна. Если при этом происходит близкое соприкосновение чугуна с топливом (при плавке в вагранках), может измениться и содержание углерода, входящего в состав исходных чугунов. Кроме того, если в топливе содержится значительное количество серы, то последняя также может частично перейти в чугун.
Таким образом, плавка чугуна перед отливкой и повторная переплавка его оказывают влияние на химический состав материала отливки. Это обстоятельство необходимо учитывать при составлении шихты.
Выгоранию (окислению) при плавке подвергаются главным образом кремний и марганец (10—15% Si; 15—20% Мn).
Наличие марганца и кремния предохраняет углерод от выгорания.
В результате уменьшения кремния уменьшается содержание графита в чугуне, и чугун отбеливается.
Сера при переплавке чугуна не выгорает; она может быть частично удалена, как указывалось выше, введением в шихту известняка и марганца. Хорошие результаты получаются введением в шихту в качестве флюса основного мартеновского шлака, содержащего марганец. Однако несмотря на принимаемые меры, содержание серы в отливке обычно выше, чем в переплавляемой металлической шихте.
Фосфор при переплавке чугуна практически не выгорает. Вследствие выгорания других элементов процентное содержание фосфора после переплавки чугуна может даже незначительно повыситься.
Таким, образом, для обеспечения в чугунной отливке определенного химического состава шихта должна быть составлена с учетом изменений, происходящих в составных частях ее во время плавки.
Усадка чугуна. Усадкой литейного материала называется, как было сказано выше, уменьшение его объема при остывании; различают линейную и объемную усадку.
Линейная усадка литейного серого чугуна равна в среднем 1—1,3%, белого 1,6—2,0%. Чем больше содержание графита в чугуне, тем меньше его усадка.
Так как на выделение углерода в виде графита влияет не только химический состав чугуна, но и скорость охлаждения, то и усадка чугуна в отливке может быть различной: она зависит не только от химического состава чугуна, но и от размера и формы изделия.
Температура плавления чугуна. Температура плавления чугуна зависит от его химического состава, состояния углерода и от скорости нагревания при плавлении.
В зависимости от химического состава температуру расплавления чугуна можно считать лежащей в пределах от 1130 до 1350°. Ранее было указано, что температура плавления серого чугуна определенного химического состава не является постоянной величиной: она зависит от скорости нагревания, уменьшаясь с понижением последней.
Химический состав литейных чугунов. Химический состав металла отливок зависит от химического состава исходного чугуна. Механические качества отливок изменяются с изменением химического состава, поэтому для получения отливок различного назначения применяют и литейные чугуны различных марок.
В практике литейного производства химический состав литейных чугунов обычно укладывается в пределы, указанные в табл. 19.
Определение литейных и механических качеств чугуна
Для определения литейных и механических качеств чугуна производятся наблюдения над расплавленным чугуном и пробными отливками из него; в целях точного установления качеств чугуна производится химический анализ и испытания механических свойств чугуна.
К числу внешних признаков, по которым можно до известной степени судить о составе, а также о литейных и механических качествах чугуна, можно отнести характер излома и внешний вид чушки.
Излом не является надежным признаком для суждения о составе и качествах чугуна. Так, например, чугун с меньшим содержанием кремния, но медленно охлажденный, может оказаться содержащим больше графита. Два сорта чугуна с одинаковым общим содержанием углерода, но с разным содержанием кремния могут дать при разных условиях охлаждения одинаковые по виду изломы. Однако при нормальных соотношениях элементов в составе чугуна и при одинаковых условиях охлаждения отливки темный крупнозернистый излом характерен для чугунов, содержащих значительное количество кремния.
Поверхность болванки. При наружном осмотре чушки (болванки) можно приблизительно определить величину усадки, свойственной данному сорту чугуна; ровные или маловогнутые поверхности указывают на малую способность к усадке, вогнутые — на большую.
Способность отбеливаться. Для определения способности чугуна отбеливаться производят отливку пробы в форме клина. Могут быть приняты следующие размеры клина: основание 25 мм, длина сторон по 50 мм. О способности
чугуна к отбелу судят по излому клина: чем больше длина отбеленной части, тем ниже качества чугуна.
Жидкотекучесть. На жидкотекучесть чугун испытывается путем отливки спирали при расположении литника с одного конца; по длине заполненной части формы судят о степени жидкоплавкости чугуна.
Прочность. Испытание чугуна на прочность обычно производится изгибом до излома, определяя при этом предел прочности и величину стрелы прогиба перед изломом. Для испытания берут образцы диаметром 30 + 1 мм и длиной 680 — 700 мм или 340 мм).
Зная разрушающее напряжение при изгибе, можно судить о способности испытываемого чугуна сопротивляться растяжению: оно обычно приблизительно вдвое меньше сопротивления при изгибе.
Для улучшения физико-механических свойств чугуна в настоящее время широко применяется так называемое модифицирование его; сущность процесса модифицирования заключается в воздействии на расплавленный низкоуглеродистый чугун, который при нормальном охлаждении затвердел бы в белый, специальных присадок — модификаторов, в результате чего связанный углерод выделяется в виде дисперсных включений графита, равномерно распределенных по сечению.
В качестве модификаторов применяются металлический кальций, силико-кальций, ферросилиций и лигатуры алюминий — ферросилиций, которые присаживаются к жидкому чугуну (на желоб или в ковш) в количестве от 0,1 до 0,6% от веса жидкого металла (в зависимости от применяемого модификатора).
В табл. 20 чугуны марок СЧ 35-56 и СЧ 38-60 относятся к модифицированным.
ЦНИИТМАШ разработал технологический процесс получения сверхпрочного чугуна с весьма высокими механическими свойствами: предел проч ости на растяжение этого чугуна составляет 45—65 кг/мм2; предел прочности при изгибе 70—120 кг/мм2; твердость Нв =210 / 280.
Технологический процесс получения этого чугуна заключается в следующем: в расплавленный металл вводят металлический магний в количестве от 0,3 до 1,0% веса металла в ковше. Металлический магний почти полностью удаляет из чугуна серу, содержание которой в чугуне падает до 0,03%, после чего магний действует на чугун как модификатор и способствует выделению графита в виде глобулярных разобщенных включений; после окончания этой операции с поверхности чугуна очищают шлак и вводят в ковш 75%-ный ферросилиций в количестве от 0,5 до 1% в зависимости от толщины стенки отливки; чугун в ковше перемешивают, счищают шлак и заливают в форму.
Сопротивление чугуна на сжатие обычно не испытывается: оно близко к сопротивлению стали.
Механические свойства отливок, получаемых из серого и модифицированного чугуна различных марок, можно видеть из табл. 20. Области применения чугунов некоторых марок показаны в табл. 21.
Химическим составом чугуна окончательно определяется соответствие его для производства деталей различной конфигурации и назначения.
Высококачественные чугуны. Современное машиностроение значительно повысило требования, предъявляемые к чугунным отливкам; удовлетворение этих требований достигается двумя путями —- улучшением структуры чугуна и введением в чугун специальных примесей.
Чугуны, содержащие специальные примеси, называются легированными.
К чугунам с повышенными механическими качествами относят также так называемые сталистые чугуны. Сталистыми называются чугуны с пониженным общим содержанием углерода, получаемые путем присадки в вагранку стального лома.
Сталистый чугун. Присадкой стального лома в количестве 10—40% получают чугун с содержанием 2,5—3,1% углерода. Несколько пониженное содержание углерода и более равномерное распределение его в сплаве способствует повышению механических качеств чугуна.
Предел прочности на изгиб в сталистых чугунах достигает приблизительно 42 кг/мм2, предел прочности при растяжении — 23 кг/мм2.
Перлитные чугуны. Серый чугун в структурном отношении состоит из металлической основы с графитными включениями. Как указано выше, углерод в чугуне может быть в свободном и связанном состоянии; чем больше свободного углерода, тем меньше углерода в металлической основе чугуна. Если в металлической основе чугуна содержание связанного углерода близко к 0,83%, т. е. к составу эвтектоидной (перлитной) стали, то чугун называется перлитным. Так как увеличение содержания углерода (свыше 0,83%) вызывает образование в металлической основе свободного цементита, делающего материал хрупким, содержание углерода в металлической основе перлитных чугунов в размере 0,83% считается предельным.
Перлитный чугун имеет мелкозернистую структуру и обладает высокими механическими качествами: предел прочности на изгиб составляет приблизительно 50 кг/мм2, а предел прочности при растяжении — около 30 кг/мм2, твердость приблизительно до 250 Нв.
Получение чугуна перлитной структуры достигается регулированием химического состава, температуры выпускаемого из печи чугуна и скорости охлаждения его в форм