Укажите 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 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

На что влияет кремний в составе чугуна

Серый чугун

Серый чугун представляет собой сплав железа и углерода, графит в котором имеет вид хлопьевидных, пластинчатых или волокнистых включений. Такое название данный сплав получил благодаря виду излома, который имеет характерный серый цвет. Своим цветом серый чугун обязан количеству свободного графита – именно он, а не форма графитных включений в сплаве, является цветообразующим.

Получение серого чугуна осуществляется путем восстановительных процессов с использованием углеродного топлива (кокса). Основным и единственным материалом для данного процесса являются железные руды. В процессе получения серого чугуна, происходит не только восстановление окислов железа, но и наполнение сплава свободным углеродом.

Серый чугун. Свойства

В зависимости от процентного содержания свободного углерода в сплаве, серый чугун может обладать теми или иными механическими свойствами. Среди них можно выделить наиболее важные качества, которыми являются его литейность (или жидкотекучесть), а также малая усадка при застывании. Указанные свойства сплава позволяют изготавливать из него отливки сложной формы. Также стоит сказать, что выполненные из серого чугуна детали имеют достаточно высокую устойчивость к воздействию на них внешних концентраторов напряжения при циклических нагрузках, а также обладают высоким коэффициентом поглощения колебаний при вибрациях деталей. Серому чугуну присущи высокие прочностные свойства.

Толщина стенок отливки влияет на временное сопротивление (или предел прочности) серого чугуна. В связи с тем, что данный сплав в своем составе имеет пластинчатые формы графитных включений, то он является хрупким. Это связано с тем, что характерные пластинчатые графитные включения выполняют роль множественных надрезов в чугуне. Серый чугун имеет следующую прочность: 100 МПа для СЧ 10 и 350 МПа для СЧ 35. Не смотря на то, что данный сплав обладает достаточно низкой прочностью на изгиб и высокой хрупкостью, ему присущий достаточно высокий показатель прочности на сжатие.

Благодаря своей износостойкости, чугун является основным материалом для изготовления тех деталей, которые функционируют при большом трении. В силу своих свойств, обработка серого чугуна возможна далеко не всеми способами. Так, например, большое содержание углерода в составе сплава, которое является основным условием при получении чугуна, не позволяет производить с данным сплавом сварочные работы. Они практически невозможны. Однако, учитывая технический прогресс и современные методы, все же некоторые условия позволяют совершить с серым чугуном подобные манипуляции. К специальным условиям относятся: предварительный и качественный прогрев делателей, применение специальных электродов с высоким содержанием углерода. Но даже при всех правильно созданных условиях и сварке, структура металла шва имеет существенные отличия от первоначального материала. Для того, чтобы избежать напряжений в зоне шва, сваренные чугунные детали охлаждаются достаточно медленно.

Структура серого чугуна

Основными компонентами чугуна являются железо и углерод, который содержится в сплаве обязательно в количестве, большем, чем 2,4%. Зачастую содержание углерода колеблется в пределах от 2,9 до 3,7%. Не смотря на то, что углерод является основным компонентом, он является не единственным, и в составе серого чугуна обязательно присутствуют другие составляющие, в частности, кремний, без которого не возможно образование графита. Большую роль на формирование внутренней структуры сплава играют условиях охлаждения после затвердевания и само время остывания. В зависимости от этого чугун может обладать ферритной, ферритно-перлитной или сугубо перлитной металлической основой. Чем быстрее происходит охлаждение чугуна, тем большую долю в своем составе он имеет перлита, что, в свою очередь, отображается на его прочности – она возрастает, однако, вместе с этим существенно снижается его пластичность. Каждая определенная марка чугуна, имеющая оптимальные для конкретного случая сочетания свойств, применяется в совершенно конкретной области. Структурные компоненты серого чугуна обозначаются условно по ГОСТ 3443-87. Например, обозначение пластичного графита, содержащегося в сером чугуне по ГОСТ будет иметь маркировку ПГ. Графит в структуре серого чугуна может иметь различные формы:

Структура чугуна имеет очень важное значение для того, чтобы в дальнейшем можно было получить необходимые свойства отливки. В связи с этим, очень важное значение имеют все технологические режимы плавки и заливки при работе с серым чугуном.

Применение серого чугуна

Серый чугун благодаря своим уникальным свойствам в сочетании с достаточно низкой стоимостью является тем материалом, который нашел свое широкое применения, в первую очередь, для изготовления деталей, на которые воздействуют незначительные механические нагрузки. Таким образом, данный вид материала является очень популярным и востребованным в таких сферах человеческой деятельности, как машиностроение, строительство, сантехнические работы и многое другое. Также его применяют при изготовлении различных предметов повседневного обихода, кухонной посуды и т.д.

Как получают высокопрочный чугун

?Модификаторы инокулирующего действия ( ферросилиций, силикокальций, С, Аl, сплавы титана, циркония, некоторых лантаноидов, бария, стронция ) позволяют опустить в чугуне содержание Si и С без появления бледна, размельчают графит, в итоге чего растет количество перлита и улучшаются механические свойства серого чугуна. Введение Sn, Pb, Р, Sb, N и других модификаторов способствует получению перлитных серых чугунов. Введение Bi и повышение содержания S резко отбеливают чугун. В ковком чугуне некоторые модификаторы связывают такие вредные примеси, подобно азоту ( в виде AIN, BN ) и хром ( в виде атомных сегрегаций типа Sb 2 Cr 3 ). Некоторые модификаторы ( магний, большинство лантаноидов, иттрий ) при определённой их дозе вызывают выделение графита округлой фигуры, вследствие чего образуется чугун с шаровидным графитом, называемый высокопрочным. Таковой вид модифицирования существенно увеличивает прочность чугуна и сильно повышает его пластичность и вязкость. Главные способы модифицирования : на жёлобе печей, в автоклавах, в специальных ковшиках, например герметизированных, вдуванием, введением модификаторов через лигатуры или соли, в литниковых системах литейных формочек.

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются механические его высокие свойства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия, благодаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентраторы напряжений. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой крепостью, но и пластичностью.

Чугун с шаровидным графитом применяется также в химическом и нефтяном машиностроении ( трубы, детали насосов и компрессоров, покрышки и кольца буровых машинок, задвижки и арматура крекинговых установок, корпусы автоклавов ), в автотракторной промышленности и сельскохозяйственном машиностроении ( коленчатые и распределительные валы, тормозные барабаны, картеры коробок передач, картеры задних мостиков, ступицы колес, сошники плугов, зубья борон, шестерни сялок, диски лущильников ), в станкостроении ( корпуса токарных патронов, суппорты, резцедержатели, шпиндели, рычажки механизмов зажимов револьверных станков и станков — автоматов, задние бабки токарных и шлифовальных станков, шестерни, шкивы ), для изготовления шахтных и тоннельных тюбингов, изложниц для разливки стали и т.д.

Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие ; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Легированные Ч. Для улучшения прочностных, эксплуатационных свойств или придания Ч. особенных характеристик ( износостойкости, жаропрочности, жаростойкости, коррозионностойкости, немагнитности и т.д. ) в его состав вводят легирующие элементы ( Ni, Cr, Cu, Al, Ti, W, V, Mo и др. ). Легирующими элементами могут служить также Mn при содержании > 2% и Si при содержании > 4%. Легированные Ч. группируют в соответствии с содержанием основных легирующих элементов — хромистые, никелевые, алюминиевые и т.д. По степени легирования различают низколегированные ( совокупное количество легирующих элементов 10% ). Низколегированные Ч. имеют перлитную или бейнитную структуру матрицы, среднелегированные — обычно мартенситную, высоколегированные — в большинстве случаев аустенитную или ферритную.

Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита : Хорошая электропроводность, и подобно следствию — его пригодность для изготовления электрода Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде — это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не спрашивает особых степеней по его удалению из полосы реакции. Это свойство значительно упрощает технологию производства алюминия.

Структура ковкого чугуна

?Чугу?н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ). Обыкновенно, чугун хрупок.

Образование усадочных раковин и пористости происходит в местах отливок, где металл каменеет в новую очередь, т. е. в местах концентрации предельной массы металла, где теплоотвод наименее ярок. В зависимости от конфигурации отливок эти недостатки могут быть макро — и маленькими, собранными и распределенными, духовными и внешними. Для предупреждения образования дефектов усадочного происхождения необходимо при конструировании отливок предусматривать возможность произведения направленного их затвердевания. Литниковая система отливок из ковкого чугуна должна непременно располагать ровные и отводные питающие бобышки ( прибыли ) у массивных мест отливки и в « горячих узлах » [ 8 ].

Высокопрочные чугуны Высокопрочный чугун ( ЧШГ — чугун с шаровидным графитом ) получают модифицированием жидкими присадками ( 0, 1… 0, 5% магния от массы обрабатываемой порции чугуна, 0, 2… 0, 3% церия, иттрия и отдельных иных элементов ). При этом перед вводом модификаторов необходимо уменьшить содержание серы до 0, 02… 0, 03 %. Рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна ( 2, 7… 3, 7 % С ; 0, 5… 3, 8 % Si ) выбирается в зависимости от толщины стенок отливки ( чем тоньше стенка, тем больше углерода и кремния ). Чтобы избежать формирования в высокопрочных чугунах ледебурита, их подвергают графитизирующему отжигу. Длительность такого отжига благодаря увеличенному содержанию графитизирующих элементов ( углерода, кремния ) много короче, чем при отжиге белого чугуна. Структура высокопрочного чугуна состоит из металлической основы ( феррит, перлит ) и включений графита шаровидной фигуры.

Одним из важнейших параметров, определяющих тепловые, а значит и технологические свойства пламени, является его температура. Она разная в разных его фрагментах как по длине вдоль его оси ( узор 1 ), так и в поперечном сечении. Она зависит от состава газовой смеси и степени чистоты применяемых газов. Высшая температура наблюдается по оси пламени, достигая пика в сварочной зоне на расстоянии 2 … 3 мм от края основы. Эта сварочная зона является основной для расплавления металла. С наращиванием в наибольшая температура возрастает и смещается к мундштуку горелки. Это объясняется увеличением скорости горения смеси при излишке кислорода. При избытке ацетилена ( в менее 1 ) наоборот, максимум температуры удаляется от мундштука и убавляется по величине.

Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие ; в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Ковкие чугуны имеют довольно высокую крепость, пластичность, сопротивляемость ударным нагрузкам и износостойкость в сочетании с хорошей обрабатываемостью. По сравнению с серыми они являются прочнее и пластичнее. Ковкий чугун имеет несколько худшие литейные свойства, чем серый чугун ( меньшая жидкотекучесть, огромная объемная усадка и др. ), и по собственным механическим свойствам занимает промежуточное положение между серым чугуном и литой сталью.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в итоге которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна : феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил свое название из — за повышенной пластичности и вязкости ( при всем при том, что обработке давлением не подвергается ). Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении и рослым сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали непростой фигуры : картеры заднего моста машин, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Серый чугун — наиболее широко применяемый вид чугуна ( машиностроение, сантехника, строительные конструкции ) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для подробностей из серого чугуна характерны небольшая чувствительность к действию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях подробностей ( в 2 — 4 раза выше, чем у стали ). Важная конструкционная особенность серого чугуна — выше, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугуна. Свойства серого чугуна зависят от структуры металлической основы, фигуры, величины, числа и характера распределения включений графита. Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, лафетов и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно — перлитной металлической основой.

Чугу?н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2, 14 % ( точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний ). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют : бледный, бесцветный, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны держат постоянные примеси ( Si, Mn, S, P ), а в отдельных событиях также легирующие элементы ( Cr, Ni, V, Al и др. ). Обыкновенно, чугун хрупок.

Группировка В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим ( 2, 14 — 4, 3 % углерода ), эвтектическим ( 4, 3 % ) или заэвтектическим ( 4, 3 — 6, 67 % ). Состав сплава влияет на структуру материала. В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают : бледные и бесцветные ( по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита ), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита. В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим типом : передельный чугун — П1, П2 ; передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2, передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3, передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3 ; чугун с пластинчатым графитом — СЧ ( цифры после букв « СЧ », значат величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм ) ; антифрикционный чугун антифрикционный серый — АЧС, антифрикционный высокопрочный — АЧВ, антифрикционный ковкий — АЧК ; чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ ( цифры после букв « ВЧ » означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние ( % ) ; чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

На машиностроительных заводах производят в основном ферритный ковкий чугун, и в крайне незначительном количестве перлитный, при всем при том, что последний и обладает высокрй прочностью, износостойкостью, хорошо работает в условиях повышенных температур, обладает высокой усталостной прочностью, хорошо гасит вибрации и т. д.

Источник