Влияние химического состава и скорости охлаждения на микроструктуру чугуна

В обычных серых чугунах, кроме железа и углерода, имеются следующие примеси: Si, Mn, Р« S. В чугуны, обладающие специальными свойствами, как отмечалось выше, могут входить и легирующие примеси: Ni, Cr, Mo, Ti, Си и др Находящиеся в чугуне примеси влияют на количество и строение выделяющегося графита.

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 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 на структуру чугуна видно из структурной диаграммы, показанной на рис. 72, а. На диаграмме по линии абсцисс отложено содержание в чугуне кремния, а на оси ординат — содержание углерода.

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 количестве 0,1—0,3% в твердом чугуне находится в растворенном состоянии. При больших содержаниях фосфор образует тройную фосфидную эвтектику Fe + Fe₃P + Fe₃C 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 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 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.