книги / Чугуны. Структура и термическая обработка

2. КОМПОНЕНТЫ И ФАЗЫ ЧУГУНА

2.1. Компоненты чугунов

Все машиностроительные чугуны – это многокомпонентные сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода и содержанием кремния в соответствии с маркой. В табл. 2 показано влияние компонентов на структуру и свойства чугуна.

Основные графитизирующие элементы – это углерод и кремний. Углерод при кристаллизации увеличивает количество зародышей графита, а кремний ускоряет рост этих зародышей. Кремний активно взаимодействует с железом и после кристаллизации при нормальном атмосферном давлении всегда растворяется в железе, образуя твердый раствор замещения.

При изменении фазового состава в твердом состоянии кремний работает как ферритообразующий элемент, и вокруг включений Г появляется окантовка феррита (рис. 7) – так называемый бычий глаз 1, 4 . Свойства кремнистого феррита существенно зависят от дефектов кристаллического строения (дислокации, субграницы и т.п.) (рис. 8) 6 .

При кристаллизации белого чугуна (по метастабильной системе), содержащего более 2 % Si, в эвтектике наряду с цементитом может появляться силикокарбид Fe3SiC, который при обычном травлении микрошлифа 4%-ным раствором азотной кислоты неотличим от Fe3C. Выявить его можно при специальном тепловом травлении.

В целом вопросы металлографии Fe–C–Si-сплавов слабо представлены в литературе, равновесные диаграммы Fe–C–Si, по данным разных авторов, заметно отличаются.

11

Практический интерес представляет часть тройной диаграммы в области конструкционных чугунов, т.е. при содержании

2,0–4,5 % С и 1,3–3,5 % Si (в метастабильной системе до 1,5 % Si).

Для анализа фазовых превращений, протекающих в этих сплавах, используют изотермические (горизонтальные) при разных температурах и политермические (вертикальные) для разного содержания кремния разрезы 1, 4, 6, 7 . Изотермические разрезы удобны для анализа концентрационных соотношений при фазовом равновесии на данной конкретной температуре, политермические – при определении температурных интервалов фазовых состояний. Изучение большого количества разрезов показывает следующее:

принципиальной разницы при кристаллизации двойного эвтектического чугуна и промышленного (Fe–C–Si + примеси) чугуна нет;

после полного затвердевания сплавов в стабильных системах Fe–C и Fe–C–Si фазовый состав одинаков (А + Г);

при охлаждении чугунов разного химического состава изменяются температурные границы структурных превращений.

Для примера на рис. 9 приведены вертикальные разрезы левой части диаграммы Fe–C–Si, сравнение которых показывает, что увеличение содержания кремния сдвигает эвтектические

иэвтектоидные точки Fe–C влево и вверх 7 . На положение точки Е диаграммы кремний влияет в меньшей степени. Таким образом, при рассмотрении превращений в обычных чугунах за основу можно брать двойную систему Fe–C, правильно обозначив на ней изучаемый чугун.

Все примеси, возможные в промышленных чугунах, принято делить на две группы: 1 – технологические или обычные, попадающие в сплав в процессе производства; 2 – легирующие

имодифицирующие, которые вводятся специально с целью из-

менения структуры и свойств. Постоянные примеси – это

S (0,05–0,2 %), P (0,05–0,8 %, для художественного литья воз-

можно до 2,5 %), Mn (0,5–1,3 %) и растворенные газы (кислород, водород, азот). Возможное содержание газов в промышленных чугунах приведено в табл. 3.

14

Кислород в расплаве чугуна находится в виде оксидов типа SiO2, Al2O3, так как C, Si, Mn и другие элементы имеют большое сродство к кислороду. Увеличение дисперсности и количества оксидов способствует графитизации. Водород, растворяясь в расплаве, увеличивает опасность отбела при получении серого чугуна. Азот образует фазы внедрения, растворяется в цементите (образуя карбонитрид Fe3CN) и задерживает графитизацию в эвтектическом и эвтектоидном интервалах. Водород и азот способствуют образованию газовой пористости в отливках, если их содержание превышает предел растворимости в металле.

Модифицирование чугуна

Модифицирование чугуна – это введение в расплав в предрекристаллизационный период специальных добавок – модификаторов, которые эффективно и целенаправленно влияют на формирование структуры и свойств. В настоящее время применение различных модификаторов при получении чугунных отливок позволяет не только повысить однородность структуры, предотвратить отбел, но и изменять степень дисперсности и морфологию фазовых составляющих чугуна, т.е. получать высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВПЧ) и вермикулярным графитом (ЧВГ); интенсифицировать режимы отжига для получения ковкого чугуна, высокоэффективно влиять на технологические и механические свойства серого чугуна. Соот-

16

ветственно требованиям по структуре и свойствам отливки применяют графитизирующее, сфероидизирующее или стабилизирующее модифицирование. В качестве графитизирующих добавок применяют преимущенственно ферросилиций, силикокальций и лигатуры на их основе, например 75%-ный ферросилиций (ФС75Л) содержит примеси Al и Ca 8 .

Графитизирующее модифицирование эффективно и целесообразно только для чугунов с низким углеродным эквивалентом СЭ, которые без модифицирования затвердевали бы как половинчатые.

Элементы, сфероидизирующие Г, весьма различны (Na, Mg, Ca, Ba, Ce, Y, Nd и др.), но наиболее эффективно влияет магний, затем иттрий и церий. Так, наличие в составе чугуна 0,04 % Mg уже гарантирует сфероидизацию графита 8 . Наиболее стабильным методом получения шаровидного графита является обработка чугуна лигатурами Ni–Mg, Cu–Mg или комплексными лигатурами типа Si–Mg–РЗМ–Ca. Оптимальное содержание модификатора, необходимое для формирования шарообразной формы графита в низкосеристом чугуне (0,03–0,04 % S), составляет: 0,03–0,06 % Mg, 0,08–0,12 % Ce, 0,18–0,22 % Y.

Чугуны с вермикулярным графитом (промежуточная форма между пластинчатым и шаровидным) получают следующими методами:

обработка жидкого чугуна лигатурой, одновременно содержащей глобулязирующие (Mg, Ce) и деглобулязирующие

(Ti,Al) элементы;

обработка жидкого чугуна РЗМ;

глубокая десульфурация чугуна (S 0,002 %) в сочетании с высокой скоростью охлаждения;

целенаправленная недоработка жидкого чугуна магнием. По склонности к отбелу ЧВГ занимает, при равном углерод-

ном эквиваленте СЭ (по упрощенной формуле СЭ = С + 0,3 Si), промежуточное положение между ЧПГ и ЧШГ. Для получения ковкого чугуна требуется комплексный модификатор, который

17

при затвердевании отливки способствует получению структуры белого чугуна, а при последующей обработке – графитизации цементита. Двойное модифицирование элементами-стабилиза- торами (Bi, Te, Sb и др.) и элементами-графитизаторами (Al, B, Ti, Ca) при одновременном введении их в расплав обеспечивает метастабильное затвердевание отливки, т.е. отсутствие графита при первичной кристаллизации, и ускоренную графитизацию при отжиге отливки со структурой белого чугуна. Количественно присадки составляют от 0,001 до 0,01 % каждого элемента (Al до 0,03 %) от массы жидкого чугуна.

Таким образом, выбор модификаторов и технология введения модификаторов в расплав – факторы, во многом определяющие фазовый состав и структуру чугуна. Рекомендации и практические данные по применению модифицирования при производстве отливок различного назначения хорошо представлены в источниках 8, 9 .

Влияние легирующих элементов

Легирующие элементы (Cr, Si, Al, Mn, Ni, Mo, Cu, V и др.)

вводят в расплав с целью получения особых заданных свойств и повышения механических свойств. Легированные чугуны классифицируют и маркируют по химическому составу и по специальным свойствам. Например, ЧХ16 – чугун хромистый, содержит 16 % Cr; ЧГ7Х4 – чугун высоколегированный марганцевый, содержит 7 % Mn и 4 % Cr.

Влияние легирующих элементов на свойства, фазовый состав и структуру серого чугуна аналогично их влиянию в сталях: они могут давать легированные твердые растворы, легированный цементит и специальные карбиды; влияют на положение концентрационных точек S, E, C диаграммы Fe–C. Например, кремний смещает концентрационные точки S , E , C влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода, и повышает их температуру (например, точка S повышается на 30 С).

18

Марганец, хром и другие элементы влияют незначительно. Легирование вызывает упрочнение и повышение твердости серого чугуна (рис. 10).

Рис. 10. Влияние легирующих элементов на свойства серого чугуна

2.2. Фазы в чугунах

Основные фазы чугунов – это жидкий и твердые растворы углерода, кремния и примесей в железе, графит, карбиды простые и сложные (цементит, легированный цементит), специальные карбиды. Наряду с равновесными твердыми растворами (аустенит, феррит) в чугунах возможно образование пересыщенного углеродом твердого раствора примесей в -Fe, т.е. мартенсита.

Краткая характеристика свойств основных фаз приведена далее 6, 7, 9 .

19

Феррит (Ф) – ферромагнитная до 768 С фаза; В = 250 МПа,

Т = 120 МПа, до 50 %, до 80 %, твердость 80–100 HB.

В феррите чугунов обычно растворен кремний, повышающий прочность феррита и его склонность к хрупкому разрушению.

Аустенит (А) – парамагнитная фаза; В = 500…800 МПа, 170–200 HB. Кристаллы аустенита обладают большой пластичностью и малой склонностью к хрупкому разрушению. Аустенит сильно упрочняется (наклепывается) при деформации. Более плотная упаковка атомов определяет относительно малую скорость диффузионных передвижек и более высокие показатели жаропрочности аустенита по сравнению с ферритом.

Мартенсит (М) – ферромагнитная фаза; В = 1400…1800 МПа, 550–650 HB, характеризуется большой склонностью к хрупкому разрушению. Свойства мартенсита зависят от степени тетрагональности его решетки, которая определяется содержанием углерода.

Графит (Г) – имеет слоистую упаковку атомов. Графитные включения, которые выделяются из жидкого высокоуглеродистого чугуна, часто имеют такую же совершенную гексагональную огранку, как кристаллы естественного графита.

20