Влияние химического состава на механические свойства чугуна

21.10.2019

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.

Как и в случае графитизации, влияние углерода и кремния на механические свойства чугуна рассматривают совместно и чаще всего как функцию углеродного эквивалента или эвтектичиости, хотя относительное влияние этих элементов на положение эвтектической точки далеко не всегда соответствует их влиянию на механические свойства. В известной степени это допустимо только для серого чугуна, в котором с понижением углеродного эквивалента (Cэ) или эвтектичности (Sэ) уменьшается количество эвтектики, а следовательно, увеличивается остов аустенита, упрочняющий всю структуру. Кроме того, при этом размельчаются выделения графита, что в совокупности имеет своим следствием значительное повышение прочности чугуна. В литературе опубликовано много формул и диаграмм, устанавливающих зависимость между прочностью серого чугуна и его эвтектичностью, например:

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.

Однако все эти зависимости даже для серого чугуна имеют ограниченное значение и применимы только для сравнительно узкого диапазона химического состава, так как графитизация, определяющая структуру чугуна, а следовательно, и его механические свойства, вовсе не является функцией одной эвтектичности. Углеродный эквивалент механических свойств, подобно углеродному эквиваленту жидкотекучести (II.38) не может, следовательно, совпадать с углеродным эквивалентом эвтектичности (II.37). Поэтому прочность серого чугуна даже при одной и той же эвтектичности возрастает с уменьшением отношения С:Si. Таким образом, уменьшение содержания углерода даже в пределах одной и той же эвтектичности повышает прочность серого чугуна и, следовательно, углеродный эквивалент прочности должен быть другим, с меньшим коэффициентом при кремнии (например, С+0,2Si или C+0,1Si). Получение больших колебаний прочности при одной эвтектичности дало возможность В. Паттерсону предложить новые критерии оценки качества чугуна, в частности, относительную прочность (ОП) или «степень зрелости» (Reifegrad):

где числитель (ов) представляет действительную прочность данного чугуна, а знаменатель — теоретически рассчитанную по величине эвтектичности согласно (III.39). Это показатель иллюстрирует, следовательно, насколько прочность данного чугуна выше или ниже среднего значения, выраженного формулами (III. 39). Таким же образом определяется и другой показатель — относительная твердость (ОТ):

иллюстрирующий, насколько твердость данного чугуна отличается от среднего значения, теоретически рассчитанного по формулам (III.40). Решая совместно уравнения (III.39) и (III.40), можно определить зависимость твердости от прочности и получить другое выражение для относительной твердости:

Так как меньшая твердость при данной прочности является показателем более высокого качества чугуна (большая пластичность и вязкость, лучшая обрабатываемость), то объединенным показателем качества чугуна (ПК) является отношение относительных значений прочности и твердости, например:

Чем больше значение относительной прочности и меньше значение относительной твердости, тем выше качество чугуна. Таким образом, эвтектичность или углеродный эквивалент не являются, по существу, определяющими факторами для механических свойств чугуна, но при сравнительно небольших колебаниях состава, структуры и условий производства они все же могут быть использованы как показатели качества металла. Судя по этим данным, в частности по рис. 201, можно установить общую закономерность понижения прочности и модуля упругости с увеличением углеродного эквивалента. Пластические же и вязкие свойства могут при этом различно изменяться в зависимости от того, что превалирует: смягчение матрицы или укрупнение графита. Поэтому с увеличением углеродного эквивалента, как видно из рис. 201, стрела прогиба иногда увеличивается, а иногда (главным образом в высокоуглеродистых чугунах) — уменьшается. Интерес представляет также то обстоятельство, что с повышением углеродного эквивалента (или эвтектичности) повышаются неупругие свойства чугуна, скорость распространения звука и циклическая вязкость:

Заметное влияние на механические свойства чугуна оказывают также марганец и сера (рис. 202). Влияние марганца проявляется благодаря легированию феррита, размельчению перлита, торможению графитизации, образованию иногда свободных карбидов и некоторому улучшению формы пластинчатого графита. В соответствии с этим марганец уже в небольших пределах (1—2%) заметно повышает твердость чугунов всех типов, особенно в тех случаях, когда он действует не только как легирующий, но и как антиграфитизирующий элемент. Еще интенсивнее влияние марганца при больших концентрациях (5—7%), когда он способствует образованию мартенситной структуры. При дальнейшем же повышении содержания марганца и образовании аустенитной структуры (что приближенно соответствует составу Ni + Cu + 2Мn > 18%), твердость понижается. Как видно из рис. 202, характеристики прочности, пластичности и вязкости серого чугуна сначала повышаются при увеличении содержания марганца, а затем падают вследствие увеличения неоднородности структуры, образования карбидов и увеличения внутренних напряжений. Падение пластичности и вязкости обычно начинается уже при концентрациях 0,3—0,5% Mn, а прочности — при 0,8—1,2% Mn, хотя пределы эти для прочности в сильной степени зависят от состава чугуна и условий производства; они повышаются, например, при увеличении содержания углерода и кремния и при модифицировании чугуна. В этом случае максимальная прочность получается при 1,7 и даже 2,5% Mn, что подтверждается следующими данными:

В пластичных чугунах свободный марганец, тормозя графи-тизацию, как правило, понижает пластичность и повышает прочность, как это видно из данных И.И. Хорошева по ковкому чугуну и И.А. Шапранова по высокопрочному чугуну (рис. 202). В этих чугунах марганец является наиболее распространенным перлитизирующим элементом, в том числе и при получении зернистого перлита.


В значительно меньшей степени освещен вопрос о влиянии серы на механические свойства чугуна. Все же с достоверностью можно утверждать, что сера, в особенности FeS, оказывает весьма неблагоприятное влияние на прочность и пластичность чугуна (рис. 202) при одной и той же структуре матрицы, что объясняется ослаблением границ зерен эвтектикой Fe—FeS. Вместе с тем сера, способствуя перлитизации структуры, может также повысить прочность и твердость ферритного или ферритоперлитного серого чугуна. Указанное еще в большей степени проявляется в ковком чугуне, где сера, препятствуя ферритизации структуры и улучшая к тому еще форму графита, может значительно повысить прочностные свойства, одновременно понижая, конечно, пластические (рис. 202). Более совершенная форма графита при повышенном содержании серы делает поэтому перлитный ковкий чугун с отношением S:Mn = 1,0/2,0 благоприятным конструкционным материалом:

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<0,12%; Cr = 0,15/0,25% и Mg = 0,04/0,10%:

На этом основании некоторые исследователи считают исходное низкое содержание серы важнейшим условием получения высоких свойств в отливках из чугуна с шаровидным графитом.

Влияние фосфора на механические свойства чугуна сказывается благодаря легированию феррита, размельчению эвтектического зерна и образованию включений фосфидной эвтектики. При этом, как показано на рис. 203, во всех чугунах значительно повышается твердость и понижается пластичность и вязкость чугуна. Прочность же изменяется при этом различно в зависимости от типа чугуна, его структуры и содержания в нем других элементов. Общая закономерность такова, что прочностные свойства сначала возрастают с повышением содержания фосфора в чугуне, а затем при выделении фосфидной эвтектики, особенно при неблагоприятной ее форме (крупные включения, сетка по границам зерен), они начинают понижаться. Это критическое содержание фосфора в разных чугунах различно и в сером чугуне составляет 0,3—0,8%. При этом эффективность благоприятного влияния фосфора на прочность серого чугуна повышается с увеличением углеродного эквивалента, достигая 4,2 кГ/мм2 на 1% P в заэвтектическом чугуне. Однако благоприятное до известного предела влияние фосфора на прочность проявляется в сером чугуне в значительно большей мере, чем в других чугунах, так как в этом случае кроме фактора легирования значительную роль играет размельчение эвтектического зерна. В ковком же чугуне благоприятное влияние фосфора на прочность хотя и проявляется, как видно из рис. 203, в пределах всего допустимого в этом металле диапазона (до 0,2%), но интенсивность этого влияния уже значительно меньше, а критическое содержание ниже и близко к 0,2% P, так как в структуре чугуна начинает появляться фосфидная эвтектика. При этом интенсивность влияния фосфора понижается, как видно из рис. 199, с увеличением содержания кремния в чугуне.

Значительно сложнее обстоит дело с высокопрочным чугуном, в котором по исследованиям К.И. Ващенко и Л. Софрони фосфор в пределах до 0,3% повышает прочность ферритного чугуна с 49 до 53 кГ/мм2, а затем сравнительно медленно ее снижает. При перлитной же структуре влияние фосфора всегда отрицательное и более интенсивное. А.А. Горшков и М.В. Волощенко не только не нашли какого-либо благоприятного влияния фосфора на прочность перлитного и даже перлито-ферритного высокопрочного чугуна, но считают даже понижение содержания фосфора до 0,04% эффективным средством повышения прочности. Однако на ферритный чугун это, по-видимому, не распространяется. Более того, при обработке жидкого чугуна магнием и церием и заливке в металлические формы или присадке антиграфитизирующих добавок (В, Te) для обеспечения получения белой структуры возможно в процессе отжига при температуре несколько ниже плавления фосфидной эвтектики получить в сфероидизированном виде не только графит, но и фосфиды, что дает возможность сохранить неизменной прочность ферритного чугуна с шаровидным графитом даже при 1,5% Р:

Однако и при такой форме фосфидов резко проявляется их отрицательное влияние на пластичность, и применение такого чугуна нецелесообразно. Следует указать, что критическое содержание фосфора в отношении пластичности также зависит от ряда условий и составляет по данным около 0,04—0,08%; по исследованиям же Г. Гильберта удлинение чугуна с шаровидным графитом остается высоким даже при 0,16% Р, если содержание кремния не превосходит 2%, а марганца — 0,35%:

Точно так же Г.А. Писаренко и др. показали, что при низком содержании марганца можно допустить в высокопрочном чугуне для изложниц содержание фосфора до 0,17%. То же можно сказать и об ударной вязкости (рис. 204), которая резко снижается при повышении содержания фосфора в чугуне, и тем интенсивнее, чем выше содержание кремния и марганца. Из рис. 204 следует, что соотношение в интенсивности влияния этих элементов представляется равным

хотя по некоторым данным основное влияние надлежит кремнию, а фосфор только чрезвычайно усиливает его влияние. Одновременно фосфор, подобно кремнию и марганцу, понижает температурный порог хрупкости ковкого чугуна (рис. 205), причем и в этом отношении он действует сильнее других элементов. Такое же влияние (табл. 17) фосфор оказывает на свойства высокопрочного чугуна.

В том же направлении фосфор влияет в сером чугуне, хотя и менее интенсивно (рис. 203).

Влияние химического состава на механические свойства чугуна

Вместе с тем влияние фосфора на усталостный (многократный) удар (рис. 206), особенно в сером чугуне, не проявляется отрицательно. Наоборот, в отсутствии надрезов сопротивление многократному удару, органически связанное с прочностью, даже возрастает с увеличением содержания фосфора в чугуне. В высокопрочном чугуне такое благоприятное влияние фосфора не обнаруживается. Повышение содержания фосфора в обычных пределах практически не влияет и на усталостную прочность и модуль упругости. Отмечается только понижение интенсивности падения модуля упругости серого чугуна с увеличением напряжения, что обусловлено уменьшением остаточных деформаций. Вероятно, с этим и связано понижение циклической вязкости в фосфористых чугунах.

Вследствие этого наблюдается увеличение чувствительности к надрезам с повышением содержания фосфора в чугуне, как это видно, в частности, из рис. 206.

Значительно сложнее вопрос о влиянии специальных элементов и малых примесей на механические свойства чугуна, потому что число возможных вариантов составов и структур очень велико и столь же, следовательно, разнообразно влияние этих элементов. Поэтому имеющиеся в этом отношении различные данные следует считать приближенными, строго соответствующими только условиям опыта. Анализируя данные, приведенные на рис. 207, можно прежде всего отметить значительную разницу интенсивности влияния элементов на свойства разных чугунов; общим для них является повышение прочности (до известного предела) и твердости при одновременном в большинстве случаев понижении пластичности.


Механизм влияния большинства специальных элементов, за исключением, может быть, одного титана, главным образом заключается в легировании матрицы и измельчения продуктов распада аустенита. В ферритных и перлито-ферритных чугунах при этом обычно происходит еще перлитизация структуры, в связи с чем особо интенсивно повышается твердость и прочность и понижаются пластичность и вязкость. В сером чугуне в ряде случаев происходит еще измельчение графита и вследствие этого могут одновременно увеличиться также пластические и вязкие свойства. Так действует, например, хром (до 0,5%), увеличивая стрелу прогиба серого чугуна, еще сильнее — молибден (до 0,6—0,7%) и в меньшей степени вольфрам, ванадий и никель (в последнем случае при одновременном снижении содержания кремния).

При превышении определенных концентраций элементов пластичность чугуна понижается, прочность же обычно еще увеличивается в некотором интервале, а затем тоже начинает понижаться. Поэтому содержание легирующих элементов в конструкционном чугуне не должно превышать оптимальное (соответствующее лучшему сочетанию свойств), зависящее от состава металла и условий кристаллизации. Пределы содержания некоторых элементов и их максимальное влияние в сером чугуне приближенно представлены в табл. 18.

Характерным для большинства благоприятно действующих элементов в сером чугуне является то обстоятельство, что они повышают главным образом прочность при растяжении, сжатии и срезе и в меньшей степени — при изгибе, понижая отношение ou : oв. Наибольшая эффективность этих элементов проявляется обычно при низком углеродном эквиваленте, за исключением титана, который оказывает благоприятное влияние и в высокоуглеродистом (заэвтектическом) чугуне, где он препятствует образованию спели. Параллельно со статическими характеристиками прочности повышаются, конечно, и усталостные свойства, причем соответствующие коэффициенты эквивалентности мало изменяются легирующими элементами, кроме молибдена, который их заметно повышает. Вместе с тем циклическая вязкость чугуна при этом понижается, за исключением случая легирования медью, которая при небольших напряжениях (15—20% от предела прочности) несколько увеличивает поглощение вибраций. Это обстоятельство служит одной из причин применения медистого чугуна для коленчатых валов и других подобных отливок взамен стали.

При увеличении прочности и пластичности, как это имеет место при легировании серого чугуна хромом, никелем и особенно молибденом, соответственно повышается и его ударная вязкость. Так, например, при введении в чугун 1% Mo ударная вязкость серого чугуна возрастает вдвое, следует только иметь в виду, что благоприятное влияние молибдена проявляется лишь при низком содержании фосфора. Другие свойства серого чугуна, в том числе и сопротивление многократному удару, молибден повышает и при более высоком содержании фосфора (0,3—0,4%), хотя эффективность его влияния при этом все же несколько понижается. При легировании медью (а также оловом) ударная вязкость надает вследствие уменьшения пластичности, сопротивление же многократному удару возрастает до предела, при котором увеличивается прочность:

Как указывалось, меди и олову уделяется в последнее время особенно большое внимание, как перлитизирующим элементам в сером и высокопрочном чугунах. В этом отношении оба элемента значительно превосходят по своему влиянию марганец и никель, причем так же, как последний, не вызывают образования отбела в отливках. При этом чем больше углеродный эквивалент чугуна и больше содержание фосфора, тем больше необходимо олова и меди для подавления процесса ферритизации. Предполагается, что большая эффективность меди по сравнению с никелем объясняется концентрацией ее на поверхности раздела матрица—графит с образованием барьера, понижающего скорость диффузии углерода и препятствующего кристаллизации феррита.

С этой точки зрения понятно, что при шаровидном графите вследствие меньшей поверхности раздела нужно меньше меди или олова для полной перлитизации структуры. Ценные конструкционные свойства, получаемые при легировании этими элементами, в первую очередь медью, явились причиной их широкого применения за рубежом.

Перлитизации структуры способствуют также мышьяк и сурьма, особенно последняя. Однако вследствие выделения структурных составляющих неблагоприятной формы эти элементы (главным образом сурьма) оказывают отрицательное влияние на механические свойства чугуна (рис. 208) и только повышают его твердость. Поэтому как упрочняющие элементы они не применяются, за исключением некоторых случаев микролегирования сравнительно мягкого серого чугуна. He получили для этой цели практического применения и такие графитизирующие элементы, как Al, Zr, Co, так как эффективность первого в повышении механических свойств серого чугуна сомнительна, а остальных— мала, и то только при низком содержании кремния.

Из малых примесей следует прежде всего отметить бор, который, способствуя выделению измельченных карбидов в структуре, повышает механические свойства серого чугуна (табл. 19).

Можно видеть, что при небольших добавках бора, по-видимому, происходит сначала графитизация чугуна, в связи с чем увеличивается несколько стрела прогиба и ударная вязкость; с появлением же карбидов в структуре наблюдается некоторое повышение прочности и падение пластичности и вязкости. Благоприятное влияние на механические свойства серого чугуна (и на его графитизацию) оказывают также небольшие присадки (до 0,1%) церия, что и получило применение на некоторых наших заводах. С другой стороны, такие элементы, как свинец, висмут, теллур, особенно в комбинации, а также при наличии сурьмы и фосфора, уже в малых концентрациях способствуют образованию анормальных форм графита, в результате чего снижаются механические свойства чугуна, что особенно резко проявляется в толстостенных отливках. При этом снижается также благоприятное влияние хорошо зарекомендовавших себя специальных элементов, например, меди, как это видно из табл. 20.

Однако в ряде других случаев, как уже указывалось, можно отметить иногда положительное влияние малого количества примесей, особенно в тонкостенном литье и при мягком чугуне, в частности с целью устранения «первичного» феррита. Все это еще раз подтверждает многообразие влияния элементов в зависимости от их концентрации и взаимосвязи, скорости охлаждения отливок и других условий, вследствие чего упрощенная классификация элементов на «вредные» и «полезные» является совершенно несостоятельной.


Благоприятное влияние специальных элементов возрастает при модифицировании (рис. 209) и при комплексном легировании. Последнее дает возможность шире использовать специальные элементы, в том числе иногда даже такие, которые в отдельности действуют отрицательно. При этом совместное воздействие элементов оказывается, как правило, сильнее суммы их отдельных влияний. Так, например, если 0,5% Cu увеличивает прочность серого чугуна на 5%, а 0,5% Mo — на 20%, совместная их присадка увеличивает этот эффект до 40%. Основные идеи комплексного легирования заключаются в комбинации элементов: а) благоприятно влияющих на первичную и вторичную кристаллизацию, б) препятствующих и способствующих графитизации, в) образующих растворы с ферритом и цементитом, г) повышающих кристаллитную и межкристаллитную прочность и т. д. Этим принципам удовлетворяет, например, сочетание никеля или меди с хромом или молибденом, хрома с молибденом, меди, хрома или ванадия с титаном, а также более сложные комбинации: никель—хром—молибден, медь—хром—молибден, никель—медь—хром—молибден, хром—никель—титан—медь и др. Наиболее распространенными являются хромоннкелевые чугуны с соотношением концентрации от 1:3 до 3:1. Последнее сочетание экономически целесообразнее ввиду дефицитности никеля, и в наших условиях, как видно из рис. 210, легко и выгодно обеспечивается применением природнолегированных халиловских чугунов. При этом недостаток никеля может быть возмещен без заметной потери прочности небольшой добавкой кремния. Соотношение между другими элементами обычно рекомендуется в пределах: Ni:Mo = 4:1 или 3:1, реже 2:1; Cr:V или Cr:Mo = 1:1. Выгодность комплексного легирования серого чугуна иллюстрируется данными табл. 21.

Наиболее высокими свойствами серые чугуны отличаются при игольчатой структуре, для чего обычно необходимо свыше 1,2% Ni и 0,8—1,2% Mo. Наряду с высокой твердостью и прочностью (32—45 кГ/мм2) эти чугуны характеризуются и повышенной ударной вязкостью (3—5 кГ*м/см2 на образцах без надреза) при условии низкого содержания фосфора (менее 0,1 %).

В противоположность серому чугуну основной целью легирования белого чугуна является повышение твердости, увеличение же прочности и вязкости может быть обеспечено низким содержанием углерода. Выбор специальных элементов и их количества зависит от желательной структуры, а следовательно, и твердости. Типичным в этом отношении является хромоникелевый чугун нихард, химический состав и механические свойства которого представлены в табл. 22.

Чугун этот характеризуется высокими значениями твердости и прочности, что обусловлено мартенситной структурой. Пластические же его свойства, как и почти во всех белых чугунах, низки. Подбирая содержание специальных элементов в этом чугуне с учетом скорости охлаждения, следует иметь в виду, что слишком высокое содержание никеля приводит к увеличению количества остаточного аустенита вследствие понижения точек мартенситного превращения (Mн и Мк), а излишне высокое содержание хрома делает чугун хрупким, что ведет к образованию трещин.

Мартенситную структуру можно получить частичной заменой никеля медью или марганцем, а также при полном отсутствии никеля, путем легирования чугуна высоким содержанием хрома и молибдена, например: 3,0—3,5% С; 0,03—0,06% Si; 0,6—0,9% Mn; до 0,06% S; до 0,1% Р; 15—18% Cr; 2,75—3,25% Mo. Однако, как показали отечественные исследования во ВНИИПТ-углемаше и в литейной лаборатории ЛПИ, содержание молибдена может быть значительно снижено или даже вовсе исключено, если это не требуется с точки зрения термообработки.

Твердость этого чугуна (особенно после нормализации для устранения перлита в структуре, образующегося при медленном охлаждении вследствие образования более твердых карбидов хрома (Cr, Fe)7C3) равна или даже выше, чем у чугуна нихард:

Такую же или еще более высокую твердость можно получить на базе бора. Например, белый чугун с содержанием 3,5—4,0% Ni и около 1% В, имеющий фирменное название «халой», характеризуется твердостью до HB 1000, что соответствует приближенно HRC 65. В этом отношении представляет интерес процесс глубокого борирования высокопрочного чугуна, разработанный С.И. Витензон, Л.М. Баженовым и М.В. Кольцовым в Воронежском сельскохозяйственном институте.

В противоположность серому и белому чугунам ковкий чугун легируется редко, так как специальные элементы обычно препятствуют ферритизации и, как правило, не повышают наиболее ценное свойство этого конструкционного материала — его пластичность. При получении же перлитного ковкого чугуна обычно ограничиваются некоторым повышением содержания марганца (до 1,0—1,25%). Поэтому, если не считать модифицирующие добавки (Al, В, Bi), влияние которых на механические свойства ковкого чугуна незначительно, единственными элементами, которыми иногда легируется ковкий чугун, является медь (1—1,5%), повышающая не только прочностные, но и его износостойкие и антикоррозионные свойства, и в редких случаях — хром (0,15—0,25%), обеспечивающий получение перлитной структуры при нормальном ферритизирующем отжиге отливок. Однако и то и другое легирование в Советском Союзе практически применяется редко: первое — из-за дефицитности меди, второе — из-за наличия более дешевого и более удобного перлитизирующего элемента — марганца.

Приведенные соображения остаются справедливыми и для высокопрочного ферритного чугуна, при получении же чугуна с перлитной структурой влияние легирования значительно возрастает, так как специальные элементы дают возможность обеспечить нормальную структуру и высокую прочность даже в толстых сечениях отливок. Еще больше возрастает роль легирующих элементов при применении термической обработки (улучшения), эффективность которой увеличивается в присутствии легирующих элементов, повышающих прокаливаемость чугуна. Как правило, для легирования высокопрочного чугуна применяются те же элементы, что и для серого чугуна (Ni, Cu, Mo, Mn), особенно медь и молибден. Однако содержание меди должно быть ограничено концентрацией, при которой шаровидная форма графита начинает нарушаться. В среднем можно считать этот предел в 2%, но он в сильной степени зависит от примесей других деглобулизирующих элементов. Поэтому для легирования следует подбирать чистую медь, не загрязненную свинцом, титаном и другими вредными в этом случае элементами. По ряду данных присадка только 0,2—0,5% никеля или меди уже значительно повышает прочностные свойства перлитного высокопрочного чугуна. На автомобильном заводе Форда, например, для коленчатых валов применяется легированный высокопрочный чугун состава: 3,5—4,0% С; 2,5% Si; 0,5% Mn; 0,01% S; 0,05% Р; 0,10% Cr; 0,20% Cu; 0,10% Ni. Этот чугун при перлитной структуре имеет в сыром состоянии ов = 55/65 кПмм2, b = 3/5%, HB 220/260. Хорошей комбинацией является также сочетание никеля, марганца и молибдена, обеспечивающее получение структур игольчатого троостита и высоких механических свойств, особенно предела текучести, например: 2,9—3,2% С; 1,6—2,6% Si; 0,6—1,2% Mn; 1—4% Ni; 0,8—1,2% Mo; ов = 75/100 кГ/мм2; о0,2 = 55/75 кПмм2, b = 1—5%; HB 280/350.

Однако следует учесть, что высокое содержание марганца хотя и увеличивает предел текучести, но уменьшает однородность структуры и понижает удлинение и вязкость чугуна в большей степени, чем соответствующее увеличение содержания никеля, особенно в толстостенных отливках. Поэтому использование марганца взамен никеля должно производиться с осторожностью; более целесообразной в случае толстостенных отливок является добавка 0,25—0,50% Cr или 0,1—0,2% V, обеспечивающая получение перлитной структуры. При быстром же охлаждении (тонкостенные отливки, литье в металлические формы и т. п.) структура получается бейнитной или мартенситной в зависимости от степени легированности.

Приведенные примеры являются только частными иллюстрациями легированного перлитного или бейнитного высокопрочного чугуна, применяемого для валков, штампов, цилиндровых втулок, коленчатых и кулачковых валов и других отливок. Теоретическое и практически применяемое сочетание элементов очень многообразно и в настоящее время нет возможности указать оптимальные комбинации. Следует только подчеркнуть, что во всех случаях производства отливок с шаровидным графитом необходимо строго следить за содержанием деглобулизирующих элементов и с целью их нейтрализации вместе с магнием вводить в чугун небольшое количество церия. При этом еще раз приходится указать, что влияние всех этих так называемых вредных примесей в высокопрочном чугуне, как и в других чугунах, зависит от ряда факторов, прежде всего от их концентрации и взаимодействия с другими элементами. Поэтому встречаемые в литературе рекомендации в этом отношении следует рассматривать как сугубо приближенные.

Существенное влияние на свойства чугуна оказывают также присутствующие в нем газы, хотя по этому вопросу имеются еще значительные противоречия. Наиболее выясненным, особенно благодаря работам Л.И. Леви, является влияние азота. Достоверно установлено, что вне зависимости от способа введения (продувка аммиаком или обработка солями) азот, перлитизируя структуру и улучшая форму графита, повышает прочность серого чугуна (рис. 211), а также его твердость и вязкость. Особенно сильно азот влияет на свойства заэвтектического чугуна, в котором увеличение прочности может достигнуть 40—100%, как это видно из следующих данных:

В меньшей степени проявляется влияние азота в высокопрочном чугуне, особенно после ферритизации (табл. 23).

Как видно из этих данных, азот повышает прочность и твердость высокопрочного чугуна только в сыром состоянии, соответственно понижая его удлинение, что объясняется перлитизацией структуры, и не влияет в отожженном состоянии. В ковком же чугуне (вероятно, вследствие меньшего содержания кремния и более интенсивного влияния на отпускную хрупкость) азот оказывает характерное для него влияние даже при ферритной структуре:

В противоположность азоту водород не является упрочняющим элементом, с повышением его содержания прочность и пластичность серого чугуна падают, а твердость несколько возрастает, как это показано автором в совместной работе с Е.И. Егоровым (рис. 212).

Водород оказывает отрицательное влияние и на свойства высокопрочного чугуна, например, увеличение его содержания в этом случае с 0,95 до 4,8 см3/100 Г привело к понижению предела прочности при изгибе с 95,6 до 75 кГ/мм2 и стрелы прогиба с 6,8 до 2,4 мм.

Понижение прочности и пластичности в присутствии водорода наблюдается и в отношении ковкого чугуна:

При этом следует подчеркнуть, что воздействие водорода проявляется главным образом в процессе кристаллизации. Поэтому модифицирование ослабляет это влияние. По той же причине удаление водорода из чугуна в твердом состоянии не сказывается заметно на его механических свойствах. Что касается кислорода, то его влияние на механические свойства изучено в меньшей степени и может быть различным в зависимости от формы его состояния. Поэтому статистический анализ большого числа плавок не обнаружил в этом отношении какой-либо зависимости.

Вследствие указанного общее влияние газов на механические свойства чугуна может быть различным, что подтверждают исследования процессов вакуумирования и вакуумной плавки. Так, например, по данным О. Некаса и Р. Каменского прочность чугуна после плавки в вакууме уменьшается на 20%, а твердость на 13%. То же по ряду данных имеет место при вакуумировании:

Это снижение механических свойств связано с удалением не только азота, но и кислорода, вследствие чего графит кристаллизуется в междендритной форме, а в матрице образуется феррит. Поэтому при добавке кислорода и модифицировании чугуна после вакуумирования потеря механических свойств не наблюдалась:

В других исследованиях, как показали Ф. Варга и Е. Bopoc, плавка под вакуумом от 3*10в-3 до 9*10в4 мм рт. ст. неизменно повышала механические свойства чугунов разной эвтектичности, несмотря на значительное уменьшение содержания в них азота и кислорода. Таким образом, влияние вакуума и вакуумирования может в зависимости от конкретных условий (исходной структуры, исходного содержания газов, режима процесса) оказать различное влияние на свойства серого чугуна.

Более определенным является влияние дегазации на механические свойства высокопрочного чугуна. При этом особенно увеличивается пластичность чугуна, что является следствием улучшения формы графита и ферритизации матрицы:


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна