II. Чугуны
1. Влияние примесей на структуру и свойства чугуна
. Постоянные примеси
Серый (технический) чугун представляет собой по существу сплав Fe-C-Si, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P, S.
Углерод и кремний – важнейшие элементы: они совместно способствуют образованию графита и, понижая температуру плавления чугуна, обеспечивают его высокие литейные свойства, жидкотекучесть, хорошее заполнение формы.
Наиболее широкое распространение получили чугуны, содержащие углерода 2,4-3,8%. Чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже механические свойства сплава, поэтому количество углерода в чугуне обычно не превышает 3,8%. Нижний предел (2,4%) - обусловлен возможностью получения хороших литейных свойств.
Содержание кремния в серых чугунах составляет 1,2-3,5% . Этот элемент оказывает существенное влияние на вид диаграммы состояния, а следовательно, на структуру чугунов. Наиболее важными изменениями в тройной диаграмме Fe-C-Si по сравнению с двойной Fe-C являются следующие:
а) Нонвариантные превращения (эвтектоидное, эвтектическое, перитектическое) протекают не при постоянной температуре, а в интервале температур. Чем больше содержание кремния, тем шире эвтектический интервал температур.
б) Эвтектоидный интервал при увеличении содержания кремния сдвигается в сторону более высоких температур и ,согласно [2, с. 157], может быть рассчитан по регрессионным формулам:
,
,
,
,
где
и
-
температуры начала и конца
перлито-аустенитного превращения при
нагреве;
-
и
-
температуры начала и конца
аустенитно-перлитного превращения при
охлаждении;
Mn, Si - содержание марганца и кремния в процентах.
Ориентировочно при содержании кремния и марганца по 1% принимают:
.
в) В присутствии кремния растворимость углерода в -Fe уменьшается – точки S и E смещаются в сторону меньших концентраций.
г) Кремний изменяет степень эвтектичности сплава (отношение общего содержания углерода в чугуне к содержанию его в эвтектике). Каждый процент кремния уменьшает содержание углерода в эвтектике на 0,3% (точка С сдвигается влево). Изменение степени эвтектичности в чугуне приводит к увеличению количества графита.
Марганец увеличивает склонность к отбеливанию, повышает твердость чугуна. Однако первые его добавки связывают серу и, парализуя ее отбеливающее действие, способствуют графитизации. Обычное содержание марганца в чугунах 0,4-0,6% и не превышает 1,4%. При увеличении содержания марганца требуется одновременно увеличивать количество кремния.
Сера – вредная примесь в чугуне: способствует отбеливанию, уменьшает жидкотекучесть, вызывает образование газовых пузырей, ухудшает механические свойства. При достаточном содержании марганца и кремния в чугуне вредное действие серы проявляется при содержании свыше 0,15%. В отличие от сталей, нельзя говорить о влиянии серы на красноломкость чугунов: она выявляется при горячей пластической деформации, которой чугуны не подвергаются.
Содержание серы в чугунах ограничивают до 0,1-0,2%.
Фосфор – его влияние в чугуне существенно отличается от влияния в стали. В небольших количествах до 0,2…0,4% он является полезной примесью, обеспечивая жидкотекучесть (поэтому в сплавах для художественного литья его содержание доходит до 0,8%). Фосфор не влияет на графитизацию.
При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуется фосфидная эвтектика. При ее равномерном распределении в виде отдельных включений повышается износостойкость и упругость чугуна. Если же эвтектика образует сетки, оболочки вокруг зерен, то увеличивается хрупкость материала.
Водород – вредная примесь в чугунах: повышает устойчивость цементита, способствует отбелу в отливках.