На что влияет кремний в составе чугуна

Статьи

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).

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.

Источник

Влияние химического состава и скорости охлаждения на микроструктуру чугуна

Углерод в чугуне

При изготовлении отливок для машиностроения содержание углерода колеблется для обычных серых чугунов от 3,0 до 3,7%. В качественных чугунах содержание углерода снижается вплоть до 2,7 % С повышением содержания углерода в чугуне увеличивается, выделение графита, а следовательно, возрастает склонность чугуна затвердевать серым.

Во всех случаях нижние пределы содержания углерода принимают для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.

Кремний в чугуне

Кремний способствует выделению углерода в виде графита в процессе затвердевания чугуна и разложению выделившихся кристаллов цементита При разложении цементита образуются феррит и графит. Изменяя содержание кремния в чугуне, можно регулировать соотношение количеств связанного углерода и свободного графита.

Совместное влияние углерода и кремния

Марганец в чугуне

Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом без образования каких-либо новых структурных составляющих. Марганец несколько препятствует графитизации чугуна. Увеличение содержания марганца до 0,8—1,0% повышает механические свойства чугуна, особенно в тонкостенных отливках. Кроме того, марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Обычно содержание марганца в сером чугуне колеблется з пределах 0,5—0,8%.

Фосфор в чугуне

Фосфор в количестве 0,1—0,3% в твердом чугуне находится в растворенном состоянии. При больших содержаниях фосфор образует тройную фосфидную эвтектику Fe + Fe 3 P + Fe 3 C с температурой плавления 950°. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика выделяется в виде сплошной еетки по границам зерен, в результате чего повышается хрупкость чугуна. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственного литья допускают содержание фосфора до 0,2—0,3%. Отливки, работающие на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% росфора. При производстве тонкостенного и художественного литья для увеличения жидкотекучести чугуна в него добавляют около 1 % фосфора.

Сера в чугуне

Сера с железом образует сернистое железо FeS. При затвердевании чугуна сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику Fe + FeS, которая плавится при 985°. Она затвердевает в чугуне последней и располагается между зернами, вызывая хрупкость и понижение прочности чугуна при повышенных температурах Это явление называют красноломкостью.

Вредное влияние серы в чугуне может быть нейтрализовано добавкой марганца в количестве, превышающем содержание серы в 5—7 раз. Сера образует с марганцем сернистый марганец, который плавится при 1620° и находится в расплавленном чугуне в твердом виде.

Сера ухудшает литейные свойства чугуна : понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин, поэтому содержание серы в чугуне ограничивают 0,12%. Для менее ответственных и простых по конфигурации отливок допускается содержание серы до 0,15—0,16%. В высокопрочных чугунах допускается минимальное содержание серы — 0,03%.

Легирующие элементы Сr, Ni, Mo, Ti и другие повышают прочность чугуна. При этом хром способствует отбелу чугуна (т. е. препятствует выделению графита), а никель оказывает обратное действие. Поэтому обычно эти два элемента применяют совместно для легирования чугуна. При легировании чугуна структура перлита размельчается и он переходит в сорбит или троостит, или мартенсит. При содержании свыше 10—15% Ni или около 15% (Мn + Сu) серый чугун становится аустенитным (немагнитным).

Скорость охлаждения отливки

Скорость охлаждения отливки оказывает значительное влияние на образование структуры чугуна. Увеличение скорости охлаждения отливки способствует повышению содержания в чугуне цементита; с уменьшением скорости охлаждения увеличивается содержание в чугуне графита. Структурная диаграмма на рис. 72, а построена для случая постоянной скорости охлаждения для отливки с толщиной стенки 50 мм, поэтому данной диаграммой нельзя пользоваться для практических расчетов химического состава отливок, имеющих различную толщину стенки.

На рис. 72, б приведена структурная диаграмма, учитывающая зависимость состава чугуна и толщины стенки отливки. Критерием скорости охлаждения отливки в диаграмме принята толщина стенки отливки в миллиметрах (чем больше толщина отливки, тем меньше будет скорость ее охлаждения).

На оси ординат диаграммы отложена сумма углерода и кремния, а на оси абсцисс — толщина стенок отливки. Области, разграниченные кривыми, обозначают те же микроструктуры, что и на диаграмме рис. 72, а.

Источник

Влияние химических элементов на свойства чугуна

Для образования графита шаровидной формы содержание магния должно быть не ниже 0,03%, а цезия —не ниже 0,02% (остаточное содержание). При более низком содержании часть графита содержится в виде пластинок, что снижает механические свойства сплава.

При повышенном содержании магния (и церия) в структуре сплава образуется цементит и, следовательно, снижаются механические свойства. Оптимальное содержание остаточного магния — 0,04—0,08%

Источник

Влияние химического состава на механические свойства чугуна

Составу чугуна принадлежит, пожалуй, важнейшая роль в определении его механических свойств. Влияние состава, как и других факторов, проявляется главным образом в изменении структуры чугуна, однако известное значение имеет также состав фаз, особенно твердых растворов.

Важнейшими элементами, влияющими на механические свойства и на структуру чугуна, являются углерод и кремний, причем во всех случаях, за исключением только высокопрочного чугуна, главное и наиболее интенсивное воздействие оказывает углерод (рис. 199). В белом чугуне это влияние обусловливается главным образом изменением количества, а в некоторой мере и формы выделений цементита. В связи с этим с увеличением углерода в белом чугуне наблюдается понижение прочности и пластичности (а также вязкости) при одновременном повышении твердости; упругие же и квазиупругие свойства при этом не изменяются.

Значительно сложнее влияние углерода в графитизированных чугунах, так как в этом случае оно определяется изменением не только графита, но и структуры матрицы. Поэтому, как видно из рис. 199, повышение содержания углерода в сером чугуне приводит в общем к уменьшению прочности, модуля упругости и твердости и к увеличению пластичности f и циклической вязкости ф. Однако следует отметить, что при низком содержании углерода в сером чугуне наблюдается сначала некоторая анормальность (повышение прочности и твердости) с увеличением содержания углерода, что является следствием устранения междендритного графита и сопровождающего его феррита.

Указанная выше общая закономерность справедлива и для высокопрочного чугуна в сыром состоянии, так как углерод и здесь способствует графитизации и ферритизации матрицы. После ферритизирующего же отжига и, следовательно, при неизменной ферритной структуре углерод понижает все механические свойства как высокопрочного, так и ковкого и серого чугунов, но интенсивность его влияния при этом различна (рис. 199): шаровидный графит в этом отношении действует слабее, чем хлопьевидный и пластинчатый. Однако, несмотря на имеющиеся в литературе противоречивые мнения, можно утверждать, что повышение содержания углерода в высокопрочном чугуне характеризуется все-таки некоторым, хотя и небольшим, понижением прочностных, пластинчатых, упругих и вязких свойств металла, и только порог хрупкости имеет тенденцию к понижению, что подтверждается данными Г. Гильберта:

То же, но только в более сильной степени наблюдается, как видно из рис. 199, у ковкого чугуна. Углерод в этом случае является главным элементом, изменение содержания которого практически определяет механические свойства отливок.

Влияние кремния на механические свойства чугуна (рис. 199) принципиально отлично от влияния углерода, хотя оба элемента, по крайней мере качественно, действуют на графитизацию примерно одинаково. Это различие заключается в том, что кремний образует твердый раствор с ферритом, тем самым повышая его прочность и твердость и понижая его плотность и вязкость. Однако в белом чугуне при отсутствии графитизации и сравнительно небольшой доле феррита в структуре влияние это относительно невелико, хотя и определенно выражено. В графитизированных же чугунах к легирующему влиянию кремния добавляется еще графитизирующее, что может резко изменить те или иные механические свойства. Например, как видно из рис. 199, прочность серого чугуна в общем не увеличивается, а уменьшается с повышением содержания кремния, что является следствием укрупнения графита и ферритизацин матрицы. Только в малоуглеродистом и малокремнистом чугуне наблюдается сначала некоторое увеличение прочности вследствие устранения междендритного графита; в этом отношении кремний, следовательно, действует подобно углероду, но в более слабой степени. Однако при содержании сверх определенного количества кремний уменьшает пластичность серого чугуна, что является следствием преобладающего влияния силикоферрита, которое проявляется несмотря на ферризацию структуры. Твердость серого чугуна кремний изменяет в противоположном направлении, понижая ее сначала в результате графитизации и увеличивая ее затем вследствие образования силикоферрита.

В ферритных чугунах (ковком и высокопрочном) влияние кремния проявляется главным образом путем легирования, так как графитизация обеспечивается термической обработкой, а форма графита при этом изменяется мало. Поэтому, в противоположность серому чугуну, здесь наблюдается более или менее монотонное увеличение прочности и твердости с повышением содержания кремния, пластичность же и вязкость этих чугунов сначала мало изменяются, что является следствием более полного завершения процесса графитизации, а потом падают вследствие легирования феррита. В зависимости от содержания других элементов и условии производства чугуна таким предельным содержанием кремния в высокопрочном чугуне является 2,5—3,5%. В сыром же состоянии пластичность вследствие ферритизации структуры может возрастать до еще больших значений. С увеличением содержания кремния обычно фиксируются два максимума прочности: при чисто перлитной структуре вследствие устранения свободных карбидов и при феррито-перлитной структуре, когда прочность начинает падать вследствие образования хрупкости. Положение этих максимумов, особенно первого, зависит от содержания других элементов; в частности, чем больше содержание углерода, тем меньше концентрация кремния, соответствующая первому максимуму. На ударную вязкость ферритных чугунов кремний действует отрицательно (рис. 199), но еще более резко отрицательно он влияет на положение температурного порога хрупкости, о чем свидетельствуют данные табл. 16.

где ов30 и HB30 — предел прочности и твердость по Бринелю стандартного 30-миллиметрового образца;

Sэ = С/4,3-0,3(Si+P) — эвтектичность.

Приведенные формулы устанавливают не только определенную, но и простую прямолинейную зависимость между эвтектичностью серого чугуна и его основными механическими свойствами, хотя в действительности зависимость эта значительно сложнее, не говоря уже о том, что она является функцией способа выражения эвтектичности, как это видно из разных данных, представленных на рис. 200.

По той же причине, как показывает опыт завода Ростсельмаш, можно получать высокие свойства и в ферритном ковком чугуне при содержании серы до 0,22% и марганца 0,35—0,55% и при условии модифицирования его алюминием.

В высокопрочном же чугуне сера удаляется благодаря присадке глобулизирующих элементов, но несмотря на это, исходное содержание серы в чугуне оказывает заметное влияние на его механические свойства, в частности, вследствие увеличения количества так называемых черных пятен, состоящих в основном из окислов и сульфидов магния. Поэтому в ряде ответственных случаев, например при отливке коленчатых валов для автомобилей «Волга» на Горьковском автомобильном заводе, исходное содержание серы стремятся держать в очень низких пределах (около 0,003%) и получают при этом после соответствующей термообработки (нормализация с высоким отпуском) следующие механические свойства: при С = 3,2/3,4%; Si = 2,4/2,25%; Mn = 1,15/1,3%; Р

Источник

Влияние углерода и кремния на кристаллизацию и графитизацию чугуна

В соответствии с характером влияния на эвтектическое зерно кремний оказывает сравнительно небольшое влияние и на изотермическую диаграмму кристаллизации. Рассматривая рис. 61, можно только отметить явное передвижение линии начала выделения графита БЛФ влево, что характеризует ускорение процесса графитизации, положение же кривых РНФК, определяющих конец процесса, изменяется мало.

Особого рассмотрения при анализе процессов кристаллизации требует перераспределение элементов. В противоположность углероду, характеризующемуся во всех случаях «прямой» микроликвацией, кремнии, как показали Я.Н. Малиночка, а затем и А.А. Жуков, характеризуется «прямой» ликвацией только в низкоуглеродистых и малокремнистых сплавах, и «обратной» в высокоуглеродистых и высококремнистых сплавах (чугунах).

Благоприятное влияние углерода и кремния на графитизацию чугунов в процессе кристаллизации показано на рис. 60 и 63. При этом следует отметить, что существуют два критических содержания кремния (рис. 63, а). Первое соответствует переходу белого излома в серый, второе — максимальному количеству графита в чугуне. Оба эти критические содержания кремния не являются определенными, а колеблются в значительных пределах от 0,7 до 2,0%, и от 3 до 3,5% соответственно в зависимости от содержания других элементов и скорости охлаждения. Первое критическое содержание кремния является результатом того, что графитизация не возрастает пропорционально концентрации элементов. Вначале с увеличением содержания кремния графитизация почти не проявляется, а затем при некотором критическом содержании она резко возрастает, вследствие чего белый излом превращается в серый. Это критическое содержание тем больше, чем больше содержание антиграфитизирующих элементов и скорость охлаждения. Bтоpoe критическое содержание кремния является следствием понижения общего содержания углерода в чугуне с увеличением содержания кремния. Поэтому количество графита сначала увеличивается, достигает максимума и затем надает.

Графитизирующее влияние углерода и кремния в процессе кристаллизации является причиной того, что в отбеленном чугуне эти элементы уменьшают глубину отбела. В качестве примера на рис. 64 представлено влияние кремния. Усматривается, что кремний примерно в одинаковой мере уменьшает как глубину чистого отбела (х), так и величину переходной зоны (z). При этом практически почти не изменяется соотношение между глубиной чистого и общего отбела

где n — может иметь разные значения, больше или меньше единицы, в зависимости от состава металла и других факторов.

В частном случае при одинаковом влиянии этих элементов зависимость выражается

Источник

• ← Как понять что пельмени недоваренные
• Как определить что брага готова к перегонке →