Производство отливок из чугуна

Худокормов Д.Н.

Высшая школа, 1987 г.

5. ЧУГУНЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ

 ЛЕГИРОВАННЫЕ ЧУГУНЫ

К специальным чугунам относятся сплавы, составы которых подбираются для получения отливок вполне определенного назначения. Специфика их эксплуатации делает во многих случаях невозможным применение обычных марок конструкционного чугуна. Поэтому специальные высокоуглеродистые сплавы железа представлены низко-, средне- и высоколегированными чугунами (ЛГ), обеспечивающими повышенные износостойкость, коррозионную устойчивость, жаростойкость, невосприимчивость к намагничиванию. Сюда же можно отнести чугуны, из которых получают отливки с отбеленной поверхностью, используемые для производства прокатных валков, мелящих тел и т. д.

Процесс легирования чугунов аналогичен процессу легирования сталей. Однако легирование чугунов усложняется тем, что каждый легирующий элемент приходится рассматривать применительно к его графитизирующему или «отбеливающему» действию. В практике производства чугунного литья в качестве легирующих элементов используют Cr, Ni, Ti, V, Mo, Си, Μη, Si, Al и ряд других. Легирующие элементы могут образовывать самостоятельные фазы в виде различных соединений, изменять количественное соотношение феррита и аустенита, упрочнять их и воздействовать в той или иной мере на результаты эвтектоидного превращения. При этом легирующий элемент, как правило, оказывает влияние на все процессы структурообразования, ко не в одинаковой степени.

Наиболее эффективным является комплексное легирование, при котором в состав чугуна вводится два и более легирующих элемента. Легированные чугун ы, особенно с высоким содержанием легирующих элементов, склонны к образованию литейных дефектов в большей мере, чем нелегированные, конструкционные. Поэтому технология производства отливок из легированных чугунов должна предусматривать особо тщательный отбор шихтовых материалов, строгое соблюдение режимов плавки и разливки.

При плавке введение легирующих элементов в состав шихты обеспечивает меньшую степень неравномерности в распределении присадки по объему расплава по сравнению с внепечной обработкой. Плавку легированных чугунов целесообразно проводить в электрических печах, где значительно ниже потери легирующих элементов на окисление и обеспечивается достаточно высокий и строго регламентированный по режиму перегрев чугуна. В первую очередь это относится к средне- и высоколегированным сплавам.

Многие легирующие добавки состоят из химически активных элементов, взаимодействующих с такими постоянными примесями чугуна, как кислород, азот, сера. Образующиеся в результате химических реакций включения способны существенно снижать эффект легирования. Если химически активные легирующие элементы вводятся в массовых долях, значительно превышающих баланс веществ, вступающих во взаимодействие, то, помимо загрязнения металла неметаллическими включениями, может развиваться процесс пленообразования. Этот процесс устраняется плавкой и разливкой в нейтральных газовых средах, наведением специальных шлаков и др.

Поскольку чугуны являются высокоуглеродистыми сплавами, для которых характерно образование при первичной кристаллизации графита или цементита, то все легирующие элементы следует классифицировать по способности к карбидо- или графитообразованию. Среди легирующих добавок имеется ряд элементов, образующих самостоятельные устойчивые карбиды с относительно высокой областью гомогенности но углероду. К ним относятся такие соединения, как ZrC, TiC, VC, отличающиеся высокими температурой плавления и твердостью. Хром и марганец, проявляющие карбидообразующие свойства в чугунах, хорошо растворимы в цементите. Эти легирующие элементы, а также ванадий хорошо растворяются в железе. Марганец и особенно хром, образуя с железом двойные карбиды, увеличивают устойчивость этих фаз. Хром в отличие от марганца при повышенном содержании может способствовать выделению в структуре чугуна карбидов, не содержащих железо. Выделение карбидов (Zr, Ti, V), взаимодействие карбидообразующих элементов с углеродом на молекулярном уровне увеличивают растворимость углерода в жидком чугуне, что затрудняет процесс графитообразования. При этом ускоряется разрушение графитных частиц в расплаве и усиливается диссоциация макромолекул углерода. Следовательно, карбидообразующие элементы однозначно влияют на образование высокоуглеродистой фазы, за исключением тех случаев., когда в чугун вводятся малые добавки, способствующие появлению дисперсных частиц нитридов, оксидов или карбидов. Небольшая добавка химически активного карбидообразующего элемента практически не изменяет активности углерода, но создает подложки для формирования графитной фазы. В этом отношении наиболее показательно действие титана.

Медь и никель не способствуют появлению карбидов. Оба легирующих элемента растворяются в аустените и феррите, причем максимальная растворимость меди в аустените при содержании в чугуне 3,0—3,5% С не превышает 5%. С понижением температуры растворимость меди в аустените и феррите существенно снижается. Выделяющийся при этом из раствора легирующий элемент образует самостоятельные включения. Никель в железоуглеродистых сплавах стабилизирует аустенитную фазу и неограниченно растворяется в ней. Как медь, так и никель способствуют снижению растворимости углерода в жидком чугуне и твердых растворах Fe—С. В данном случае никель воздействует сильнее, чем медь, поэтому чугуны, содержащие никель, приобретают повышенную склонность к графитизации в процессе затвердевания. Медь не стабилизирует цементитную фазу, но и не вызывает отчетливо выраженного графитизирующего эффекта.

Алюминий при содержании до 4% является сильным графитизатором, так как при этом снижается растворимость углерода и появляются дисперсные неметаллические включения. При больших концентрациях алюминия в сплавах системы Fe—С—А1 появляется фаза (Fe₃Al), в которой растворяется до 4% углерода с образованием сложного карбида FeAlC,.. Алюминий как один из наиболее химически активных легирующих элементов при содержании в чугуне свыше 0,3—0,4% способствует образованию пленки на незащищенной поверхности расплава. При этом существенно снижается жидкотекучесть и ухудшаются механические свойства чугуна. Аналогичное явление наблюдается в высокохромистых чугунах.

Кремний относится к наиболее активным графитизаторам чугуна, заметно снижая растворимость углерода в железе. При содержании до 6% кремний не образует соединений с углеродом и способствует графитообразованию. Однако при больших концентрациях кремния образуются железокремнистые карбиды, а при 20—29% Si отмечается появление карбида кремния SiC. Следовательно, при значительных концентрациях кремния идет кристаллизация карбидной фазы, и графитизация полностью подавляется.

Первичная структура, формирующаяся при затвердевании легированных чугунов, является основным фактором, который определяет их эксплуатационные свойства. Большое значение в отдельных случаях имеет также характер влияния легирующих элементов на процессы структурообразования, протекающие ниже температур затвердевания. Следует подчеркнуть особенность эвтектоидного превращения в низколегированных высокоуглеродистых сплавах железа, которые широко используются в машиностроении. При обычных скоростях охлаждения отливок в формах распад аустенитной фазы происходит практически полностью с образованием перлита. Ферритизация структуры осуществляется при последующем охлаждении чугуна. Поэтому сохранению перлитной структуры способствуют все карбидообразующие элементы, повышающие устойчивость цементитной фазы, а также никель и медь, снижающие температуру эвтектоидного превращения.

Значительный практический и теоретический интерес представляет замена в чугунах кремния алюминием. При растворении алюминия в аустените и феррите межатомные связи Fe—А1 приобретают металлический характер, что отличает их от связи между атомами железа и кремния в тех же фазах. В результате при равной прочности алюминиевых чугунов и обычных, содержащих кремний, в алюминиевых значительно снижается твердость. Наличие в алюминиевом чугуне кремния отрицательно сказывается на вязкости металлической основы сплава. При содержании в чугуне 2,5—2,8% алюминия увеличение концентрации кремния свыше 0,8— 1% вызывает резкое повышение хрупкости металлической матрицы. Как следствие высокого химического сродства алюминия к кислороду на поверхности зеркала расплава образуется пленка оксидов, существенно ухудшаюшая не только заполняемость форм металлом, но и его механические свойства. Пленка оксидов при заливке форм разрушается, загрязняя сплав неметаллическими включениями, поэтому алюминиевые чугуны обязательно рафинируются флюсующими добавками.

Особый интерес представляет замена кремния алюминием при производстве ЧШГ, в котором влияние графитной фазы на свойства отливок проявляется значительно слабее, чем в сером чугуне. Хотя алюминий и относится к демодификаторам магниевого чугуна, но наиболее заметное отрицательное действие этого элемента на форму графита наблюдается лишь при концентрациях 0,4—0,6 и 3,2—3,6%. Поэтому при легировании ЧШГ алюминием (2—2,5%) демодифицирующий эффект проявляется довольно слабо.