Основы металлографии чугуна

Бунин К.П., Малиночка Я.Н., Таран Ю.Н.

Металлургия, 1969 г.

 6. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА ДИАГРАММУ СОСТОЯНИЯ Fe— С   СПЛАВОВ

В промышленных чугунах, кроме железа и углерода, содержатся разные примеси. Взаимодействуя с атомами основных компонентов, примесь может растворяться в жидкой и в твердых фазах чугуна (феррите, аустените, цементите, графите), изменяя условия их равновесия. Нередко примеси образуют с железом, углеродом и друг с другом самостоятельные химические соединения. Влияние примеси Μ на фазовые равновесия железоуглеродистых сплавов (точнее, тройных Fe—С—М  сплавов) полно описывается тройной диаграммой Fe—С—М, как это уже рассмотрено для случая кремния и фосфора. Однако построение таких диаграмм представляет значительные трудности. Кроме того, часто необходимо знать влияние только небольшого содержания примеси. Поэтому нередко ограничиваются изучением влияния третьего элемента на положение основных точек и линий диаграммы Fe—С сплавов, т. е. пользуются частичными политермическими разрезами тройной диаграммы Fe—С—Μ при малом содержании компонента М.

Некоторые сведения о характере влияния элемента Μ можно получить из рассмотрения двойных диаграмм Fe—Μ и С—Μ [81, 270]. Диаграмма Fe—Μ для многих легирующих элементов (V, W, Mo, Сr, Ti, Al, Be, Si, Ρ, As, Sn, Sb) содержит замкнутую область γ-растворов (см. рис. 19). Все эти элементы, за исключением хрома (до 8%), повышают точку Α_Ά и понижают точку A₄(δ^γ). Хром вначале понижает точку A₃ (до 850°С при 8% Сr), а затем повышает. В тройных системах Fe—С—Μс увеличением концентрации любого из этих элементов однофазная область γ-раствора сужается и при определенном содержании выклинивается. При добавке А1, Мо, Ti, Si, Wтемпературы эвтектического и эвтектоидного равновесий повышаются, точки С  Е',S' диаграммы стабильного равновесия Fe—С смещаются в сторону меньших концентраций углерода. Добавка фосфора и мышьяка слегка повышает эвтектоидную и сильно понижает эвтектическую температуру; точка 5' слабо смещается вправо, а точки Е' и С — сильно влево, в сторону меньших концентраций углерода.

Такие элементы, как марганец, никель, медь, сильно понижают точку А_ъи повышают точку А_А.В тройных сплавах Fe—С—Μэти элементы расширяют (особенно сильно марганец и никель) область γ-раствора благодаря понижению точек Л3 и А_х.Марганец слабо понижает эвтектическую и сильно — эвтектоидную температуру; точки С, Е' и S' смещает влево. Никель слегка повышает эвтектическую температуру, а эвтектоидную — сильно понижает; точки Е' и С смещает вправо, а точку S' — влево.

Изменение положения основных точек диаграммы стабильного равновесия Fe-С сплавов при добавке 1 % легирующего элемента указано в табл. 4 [438,393,386, 442, 89]. Пользуясь этими данными, можно приближенно определить верхнюю температурную границу эвтектического и эвтектоидного интервалов и концентрацию углерода (эвтектическую и эвтектоидную) в чугуне с примесями [438,89].

Из табл. 4 видно, что из обычных примесей чугуна на положение точек £', С, S' наиболее сильно влияют кремний и фосфор. Их совместное влияние на фазовые состояния можно представить изменением положения точек и линий диаграммы

Fe—С—Siпри добавке фосфора или точек и линий диаграммы Fe—С—Ρ при добавке кремния.

Имеются данные [395] о влиянии кремния на положение линии двойной эвтектики в\Е диаграммы Fe—С—Ρ (рис. 30). При добавке кремния линия СЕсмещается влево, в сторону меньших концентраций углерода. Концентрация же углерода в тройной эвтектике не изменяется; точка Ε лишь немного смещается в сторону большего содержания фосфора.

Судя по влиянию кремния и фосфора на температуру плавления железа и по их растворимости в α-железе [81, 270], силы связи Fe—Siбольше сил связи Fe—Р. Поэтому можно думать, что при добавке кремния в Fe—С—Р-сплав понижается растворимость в аустените не только углерода (что следует из диаграммы Fe—С—Si), но и фосфора, т. е. линия nD(см. рис.29) смещается влево, а точка D— вниз, в сторону меньших концентраций фосфора. В таком случае конода DΓ (или DCв случае образования цементитной эвтектики) смещается вниз. Следовательно, с увеличением содержания кремния в чугуне тройная фосфидная эвтектика должна появляться при меньшем содержании фосфора.

7. СТРУКТУРНЫЕ  КЛАССИФИКАЦИИ    ЧУГУНОВ

В зависимости от вида высокоуглеродистой фазы, кристаллизующейся из расплавов при затвердевании, чугуны делят на серые, белые и половинчатые. Если во время затвердевания жидкая фаза полностью переходит в смесь аустенита и графита (Ж—>~А+Г), чугуны называют серыми. Если из жидкости образуется смесь аустенита и карбида (Ж—А+К), чугуны называют белыми. Если при кристаллизации из жидкости выделяется аустенит, графит и карбид (Ж—>А + Г + К),чугуны называют половинчатыми.

Иногда в одной отливке можно встретить все эти структурные виды чугуна: ускоренно охлажденная зона имеет структуру белого чугуна, медленно охлажденная — структуру серого чугуна, а зона, кристаллизовавшаяся при средних скоростях охлаждения, — структуру половинчатого чугуна. Такие чугунные отливки называют отбеленными.

По виду графитных включений серые чугуны делятся на две группы: обычные чугуны с пластинчатым графитом и высокопрочные чугуны с шаровидным графитом.

Государственным стандартом (ГОСТ 3443—57), регламентирующим структуру отливок из серого чугуна, предусмотрено деление их на пять подгрупп в зависимости от количества графита (табл. 5). По величине наиболее крупных сечений графитных включений ГОСТ предусматривает 10 подгрупп чугунов с пластинчатым графитом и 5 подгрупп чугунов с шаровидным графитом (табл. 6 и 7).

В зависимости от характера металлической основы серых чугунов при комнатной температуре их делят на ферритные, феррито-перлитные, перлитные, перлито-карбидные, бейнитные, мартенситные и аустенитные.

В ферритных серых чугунах матрица состоит из зерен «-раствора. В перлитных — она представляет собой эвтектоидную смесь α-раствора и карбида. В феррито-перлитных -кристаллы α-раствора и перлит в различных соотношениях.

Перлито-карбидные серые чугуны имеют матрицу, состоящую из перлита и заэвтектоидного карбида; бейнитные и мартенситшые чугуны — матрицу из бейнита >и мартенсита. Матрица аустенитного серого чугуна состоит из кристаллов твердого γ-раствора. Устойчивость его при комнатной температуре достигается высоким легированием такими элементами, как никель. марганец, хром и др.

Кроме белых, серых, половинчатых и отбеленных чугунов, различают ковкие чугуны. Их получают из белых чугунов термической обработкой, называемой графитизирующим отжигом; в результате отжига вместо карбидных кристаллов образуются включения графита. В зависимости от режима термической обработки металлическая основа ковкого чугуна может быть ферритной, перлитной, феррито-перлитной и др.