Легированный чугун - конструкционный материал

Герек А., Байка Л.

Металлургия, 1978 г.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЛЕГИРОВАННОГО ЧУГУНА

Легированным чугуном называется сплав железа с углеродом, обычно содержащий определенное количество кремния и марганца, а также добавочно один или несколько таких элементов, как хром, никель, медь, алюминий и др.

Легированным чугуном называют также чугун, который имеет повышенное содержание присутствующих в нем таких элементов, как кремний и марганец; при этом содержание кремния должно превышать 4%, а марганца 2%.

Обычно принято, что чугун — это сплав, содержащий больше 2% (по массе) С. Это определение принято с учетом анализа бинарного сплава железа с углеродом и не учитывает влияния остальных элементов, входящих в чугун. В случае же высокоуглеродистых сплавов железа с некоторыми легирующими элементами содержание углерода может быть снижено даже до 1%, например в высококремнистом чугуне, однако не без заметного влияния на его структуру и свойства.

Это связано со снижением растворимости углерода в железе из- за внедрения в его кристаллическую решетку атомов легирующих элементов или с образованием карбидов. На кривых фазового равновесия Ре—С—Мп это проявляется смещением таких характерных точек диаграммы, как точки эвтектического и эвтектоидного равновесий, а также смещением кривых граничной растворимости углерода в α- и γ-железе.

В свете вышеизложенного классическое определение чугуна становится устаревшим.

Особое внимание заслуживает группа чугунов, в которых содержание легирующих добавок не превышает 1% часто составляет около сотых долей процента. К этим чугунам относят серый, белый или половинчатый чугуны, содержащие такие легирующие добавки, как молибден, мышьяк, бор и теллур. Их обычно считают модификациями обычных чугунов. Эти чугуны, несмотря на минимальное содержание легирующих элементов, часто обладают специфическими физико-химическими свойствами, значительно отличающимися от обычных чугунов.

2. СТРУКТУРА КАК КЛАССИФИКАЦИОННЫЙ КРИТЕРИЙ ЛЕГИРОВАННОГО ЧУГУНА

Свое название легированный чугун чаще всего принимает от основного легирующего элемента. Так, например, чугуны можно классифицировать на кремнистые, алюминиевые, хромистые марганцевые,  никелевые, сурьмянистые, медистые, оловянистые титановые, молибденовые, кобальтовые, вольфрамовые, ванадиевые и т п. некоторые марки легированного чугуна имеют сложное название, учитывающее вид, а также количество многих элементов входящих в состав сплава, например среднеалюминиевокремнистый чугун. Легированный чугун с небольшим содержанием легирующего элемента имеет первичную структуру, подобную структуре обычного чугуна (серого, белого, половинчатого) со случайными выделениями лег нрованного цементита и только после соответствующей термической ооработки может иметь мартенситную или бейнитпую структуру. При оольшем содержании легирующих элементов могут встречаться структуры, значительно отличающиеся от исходных структур обычною чугуна (например, высоконикелевый чугун является аустенитным, а алюминиевый чугун с определенным содержанием алюминия имеет в структуре значительное количество выделений фазы е).       В определенных случаях, особенно при больших содержаниях легирующих элементов, весь углерод находится в связанном виде или некоторое количество  его находится в свободном, структурно не связанном виде. С этой точки зрения в самом общем виде легированный чугун по структуре можно разделить на белый, половинчатый и серый.

Серый легированный чугун, как и нелегированный, в зависимости от формы свободного углерода подразделяют на: чугун с пластинчатым графтом; с шаровидным графитом; с компактным так называемым вермикулярным графитом (промежуточным между пластинчатым и шаровидным); с углеродом отжига.

В зависимости от структуры металлической основы чугуны подразделяют на ферритные, феррито-перлитные или перлито-ферритные (в зависимости от того, какая из составляющих превалирует); перлитные; мартенситные; аустенитные; мартенсито-аустенитные или аустенито-мартенситные (в зависимости от составляющей, которая превалирует), переходные, которые имеют сорбитную, трооститную, бейнитную структуру металлической матрицы или смешанную структуру (смесь многих фаз).

На практике легированные чугуны часто классифицируют с учетом эксплуатационных свойств: жаростойкий чугун; кислото- и щелочеупорный чугун; износо- и кавитационноупорный чугун; чугун со специальными, точно заданными механическими свойствами; чугун со специальными, строго заданными электрическими и магнитными свойствами.  

Интерес к чугуну больше не ограничивается имеющимися стандартными высокоуглеродистыми сплавами железа; в настоящее время проводят поиск таких новых структур чугуна, которые лучше бы соответствовали возникающим требованиям.

Чугун являясь многокомпонентным сплавом на основе железа, чаще всего представляет собой в сыром, термически не обработанном состоянии композицию из всех или некоторых структурных составляющих основы, т. е. феррита, аустенита и перлита, Рассматриваемых совместно с заэвтектическими и эвтектическими карбидами (в общем случае низколегированного цементита), так и из выделений графита различной формы (от разветвленной пластинчатой до компактной шаровидной), а также углерода отжига; в его состав могут войти, кроме того, фовфиды железа, образующие двойные и тройные легкоплавкие фосфидные эвтектики, а также сульфиды, окислы и другие довольно существенно влияющие на свойства чугуна структурные составляющие. Структура чугуна после разливки и затвердевания не всегда может быть названа первичной структурой в этом понятии существует определенная двойственность и под первичной понимают структуру, которая может быть в результате первичной кристаллизации, иногда структуру отливки в сыром состоянии после завершения охлаждения.  Следует учитывать то, что структура чугуна необычайно чувствительна  к условиям отливки. Очевидно, что вторичной структурой чугуна можно управлять более точно в результате проведения

3. ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК, А ТАКЖЕ ЛЕГИРУЮЩИХ МИКРОДОБАВОК НА СВОЙСТВА ЧУГУНА

Получение легированного чугуна с соответствующими физико-механическими свойствами заключается в грамотном управлении процессом выплавки, обработки жидкого металла, заливки, а также кристаллизации, позволяющим получить заранее заданную структуру чугуна.

Фактором, определяющим свойства чугуна, является структура его металлической основы, а также форма графита в том случае, когда углерод выделяется в свободном виде. Углерод может также находиться и в связанном виде — в карбидах железа и легирующих элементов.¹ В случае белого чугуна (углерод находится в карбидах) управление процессом плавки способствует получению соответствующей структуры металлической основы. В сером чугуне углерод выделяется в виде графита и, кроме соответствующей металлической основы, следует стремиться получить и графит в соответствующей форме: пластинчатой, вермикулярной или шаровидной, что оказывает большое влияние на механические и эксплуатационные свойства чугуна.

К элементам, оказывающим положительное влияние (очевидно в определенных пределах их содержания) на графитизацию  относят алюминий, кремний, никель, медь и кобальт. Противодействуют выделению графита такие элементы, как хром, ванадий, вольфрам и молибден [160]. Перечень элементов, применяемых в качестве легирующих добавок в легированных чугунах приведен в табл. 3. Противоположностью склонности чугуна к образованию графита является его склонность к отбелу, которая измеряется глубиной отбела стенки отливки из серого чугуна (рис. 7).

Сравнивая графики влияния легирующих элементов на температуру начала графитизации, а также глубину отбела стенки отливки, можно отметить аналогию между склонностью чугуна, содержащего хром, молибден и марганец, к отбелу, а также к повышению температуры начала его графитизации.

Подобное влияние на свойства чугуна оказывает также и сера.

Кроме влияния на графитизацию или отбел чугуна, легирующие элементы, как и скорость охлаждения отливок, оказывают решающее влияние и на структуру металлической матрицы.

Наглядное представление о влиянии основных легирующих элементов на образование феррита, аустенита и закалочных структур в чугуне, а также на его графитизацию и образование карбидов дано в табл. 3.

Учитывая подобное влияние нескольких легирующих добавок на графитизацию, а также формирование структуры металлической основы, существует возможность их взаимозаменяемости в определенных пределах. В случае использования легирующих элементов, оказывающих противоположное влияние на образование структурных составляющих, также возможна взаимная компенсация их влияния на сплавы [20]. Коэффициенты взаимозаменяемости, а также компенсации влияния основных легирующих элементов на образование феррита, аустенита и на графитизацию чугуна приведены в табл. 4, где по горизонтали показана возможность взаимозаменяемости элементов, в то время как по вертикали с помощью минусов и плюсов показана возможность взаимной компенсации.

Легирующие элементы, влияя на структуру чугуна, оказывают решающее влияние и на его механические и эксплуатационные свойства. Влияние некоторых легирующих элементов в низколегированных чугунах с пластинчатым графитом на предел прочности при растяжении чугуна, а также на его твердость показано на рис. 8.