Загрузка...Влияние химического состава чугуна на его свойства
Влияние химического состава на структуру и свойства чугунных отливок
Входящие в состав чугуна углерод, кремний, марганец, сера, фосфор и легирующие элементы (никель, хром, титан, медь, молибден и др.) оказывают влияние на его структуру и свойства отливок.
Углерод в чугунных отливках может находиться в виде свободного углерода графита и в виде химического соединения с железом Fe3C, называемого карбидом железа или цементитом. Чем больше углерода в чугуне, тем больше выделяется графита. Графит в сером чугуне располагается в форме пластинок, которые разъединяют основную металлическую массу и понижают прочность чугуна. Чем меньше углерода и более мелкие по величине пластинки его, тем выше механические свойства чугуна, но в то же время углерод улучшает его литейные свойства.
При изготовлении отливок содержание углерода колеблется в значительных пределах: в обычном сером чугуне — от 3,2 до 3,9%, в ковком — от 2,4 до 3%, в малоуглеродистом оно снижается до 2,7%.
Процесс выделения графита из цементита во время затвердевания и охлаждения отливки сопровождается увеличением объема, что понижает усадку чугуна.
Кремний в чугуне способствует распаду цементита и образованию графита, т. е. является графитизатором. С железом кремний образует устойчивое химическое соединение FeS. Изменяя содержание кремния в чугуне, можно регулировать соотношение между связанным углеродом и графитом. Кремний повышает жидкотекучесть чугуна и уменьшает его усадку. В обычном сером чугуне содержание кремния колеблется от 1,8 до 3%, в малоуглеродистом — от 1,6 до 2,2%, в ковком — от 0,8 до 1,3%, в кремнистом ковком чугуне — от 1,0 до 1,9%.
Марганец увеличивает устойчивость карбидов железа, сам образует карбид Mn3C и этим самым препятствует графитизации чугуна. Он нейтрализует сильное влияние серы на уменьшение жидкотекучести чугуна, образуя сульфид марганца MnS, который переходит в шлак. Содержание марганца в отливках из серого чугуна колеблется от 0,5 до 1,2%, в отливках из ковкого чугуна — от 0,5 до 0,6%.
Сера в чугуне образует сернистое железо FeS, которое растворяется в нем в неограниченном количестве. Сернистое железо образует с железом легкоплавкое соединение Fe*FeS с температурой плавления 985° С. Это соединение при затвердевании отливки кристаллизуется последним по границам кристаллов и снижает механические свойства чугуна, вызывая красноломкость. Сера препятствует графитизации, понижает жидкотекучесть чугуна, увеличивает усадку, повышает твердость и хрупкость чугуна в холодном состоянии. Предельно допустимое содержание серы в чугуне 0,12—0,15%.
Фосфор в чугуне при содержании до 0,3% находится в растворе. При избытке фосфора образуется двойная и тройная фосфидная эвтектика (Fe+Fe3P и Fe+FeP+Fe3C) с температурой плавления около 950° С. Фосфидная эвтектика обладает большой твердостью. При содержании фосфора до 0,7% она выделяется в виде отдельных включений, при большем содержании — в виде сплошной сетки по границам кристаллов и увеличивает хрупкость (хладноломкость) чугуна. Фосфор способствует графитизации и увеличивает жидкотекучесть чугуна. Содержание фосфора в чугуне допускают до 0,3% в ответственных отливках, до 0,8%) в отливках, работающих на истирание, и до 1,2% в тонкостенном и художественном литье.
Хром уменьшает графитизацию и жидкотекучесть и увеличивает твердость чугуна. В то же время он повышает его механические свойства, износостойкость, жаростойкость и коррозионную стойкость.
Никель и медь способствуют графитизации чугуна, улучшают его структуру в отливках. Их обычно применяют в качестве добавок в чугун с другими легирующими элементами (Cr, Ti и др.).
Титан является слабым графитизатором и сильным раскислителем. Связывает азот, образуя нитриды, и способствует получению плотного строения отливок.
Алюминий при содержании до 0,1 % действует как сильный графитизатор. При высоком содержании алюминия (7—9%) чугун приобретает жаростойкость.
Магний уменьшает графитизацию чугуна, является сильным раскислителем и обессеривателем (десульфуратором). Подобно церию, магний используют для получения высокопрочного чугуна со сфероидальной формой графита.
Кальций в виде сплава с кремнием (силикокальций) применяют как модификатор чугуна, способствующий графитизации, раскислению и образованию мелких структур в отливках.
Влияние химического состава и скорости охлаждения на микроструктуру чугуна
В обычных серых чугунах, кроме железа и углерода, имеются следующие примеси: Si, Mn, Р« S. В чугуны, обладающие специальными свойствами, как отмечалось выше, могут входить и легирующие примеси: Ni, Cr, Mo, Ti, Си и др Находящиеся в чугуне примеси влияют на количество и строение выделяющегося графита.
Углерод в чугуне
При изготовлении отливок для машиностроения содержание углерода колеблется для обычных серых чугунов от 3,0 до 3,7%. В качественных чугунах содержание углерода снижается вплоть до 2,7 % С повышением содержания углерода в чугуне увеличивается, выделение графита, а следовательно, возрастает склонность чугуна затвердевать серым.
Во всех случаях нижние пределы содержания углерода принимают для толстостенных, а верхние — для тонкостенных отливок.
Кремний в чугуне
Кремний способствует выделению углерода в виде графита в процессе затвердевания чугуна и разложению выделившихся кристаллов цементита При разложении цементита образуются феррит и графит. Изменяя содержание кремния в чугуне, можно регулировать соотношение количеств связанного углерода и свободного графита.
Совместное влияние углерода и кремния
Совместное влияние углерода и кремния на структуру чугуна видно из структурной диаграммы, показанной на рис. 72, а. На диаграмме по линии абсцисс отложено содержание в чугуне кремния, а на оси ординат — содержание углерода.
Марганец в чугуне
Марганец растворяется в чугуне, образуя твердые растворы с ферритом и цементитом без образования каких-либо новых структурных составляющих. Марганец несколько препятствует графитизации чугуна. Увеличение содержания марганца до 0,8—1,0% повышает механические свойства чугуна, особенно в тонкостенных отливках. Кроме того, марганец нейтрализует вредное влияние серы на чугун. Обычно содержание марганца в сером чугуне колеблется з пределах 0,5—0,8%.
Фосфор в чугуне
Фосфор в количестве 0,1—0,3% в твердом чугуне находится в растворенном состоянии. При больших содержаниях фосфор образует тройную фосфидную эвтектику Fe + Fe3P + Fe3C с температурой плавления 950°. При содержании фосфора около 0,5—0,7% фосфидная эвтектика выделяется в виде сплошной еетки по границам зерен, в результате чего повышается хрупкость чугуна. Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость, но ухудшает обрабатываемость чугуна. Для ответственного литья допускают содержание фосфора до 0,2—0,3%. Отливки, работающие на истирание, могут содержать до 0,7—0,8% росфора. При производстве тонкостенного и художественного литья для увеличения жидкотекучести чугуна в него добавляют около 1 % фосфора.
Сера в чугуне
Сера с железом образует сернистое железо FeS. При затвердевании чугуна сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику Fe + FeS, которая плавится при 985°. Она затвердевает в чугуне последней и располагается между зернами, вызывая хрупкость и понижение прочности чугуна при повышенных температурах Это явление называют красноломкостью.
Вредное влияние серы в чугуне может быть нейтрализовано добавкой марганца в количестве, превышающем содержание серы в 5—7 раз. Сера образует с марганцем сернистый марганец, который плавится при 1620° и находится в расплавленном чугуне в твердом виде.
Сера ухудшает литейные свойства чугуна: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин, поэтому содержание серы в чугуне ограничивают 0,12%. Для менее ответственных и простых по конфигурации отливок допускается содержание серы до 0,15—0,16%. В высокопрочных чугунах допускается минимальное содержание серы — 0,03%.
Легирующие элементы Сr, Ni, Mo, Ti и другие повышают прочность чугуна. При этом хром способствует отбелу чугуна (т. е. препятствует выделению графита), а никель оказывает обратное действие. Поэтому обычно эти два элемента применяют совместно для легирования чугуна. При легировании чугуна структура перлита размельчается и он переходит в сорбит или троостит, или мартенсит. При содержании свыше 10—15% Ni или около 15% (Мn + Сu) серый чугун становится аустенитным (немагнитным).
Скорость охлаждения отливки
Скорость охлаждения отливки оказывает значительное влияние на образование структуры чугуна. Увеличение скорости охлаждения отливки способствует повышению содержания в чугуне цементита; с уменьшением скорости охлаждения увеличивается содержание в чугуне графита. Структурная диаграмма на рис. 72, а построена для случая постоянной скорости охлаждения для отливки с толщиной стенки 50 мм, поэтому данной диаграммой нельзя пользоваться для практических расчетов химического состава отливок, имеющих различную толщину стенки.
На рис. 72, б приведена структурная диаграмма, учитывающая зависимость состава чугуна и толщины стенки отливки. Критерием скорости охлаждения отливки в диаграмме принята толщина стенки отливки в миллиметрах (чем больше толщина отливки, тем меньше будет скорость ее охлаждения).
На оси ординат диаграммы отложена сумма углерода и кремния, а на оси абсцисс — толщина стенок отливки. Области, разграниченные кривыми, обозначают те же микроструктуры, что и на диаграмме рис. 72, а.
Влияние химического состава на структуру и механические свойства чугуна;
Сайт СТУДОПЕДИЯ проводит ОПРОС! Прими участие 🙂 — нам важно ваше мнение.
Si – увеличение концентрации в чугуне Si снижает растворимость С в Fe. Это приводит к тому, что эвтектика в чугуне образуется не при концентрации C 4,3%, а при более низкой. В промышленных чугунах Si содержится 1,3 -2,8%. При наличии такой концентрации его состав оценивается по углеродному эквиваленту.
CЭ= %С + 1/3 Si + 1/5 P
Si повышает жидкотекучесть чугуна потому что он приближает концентрацию состава сплава по С к эквивалентному. Если концентрация Si приводит к увеличению СЭ выше эвтектического состава, то жидкость падает.
S, Mn – являются карбидообразующими элементами. Вместе с Fe и С он образует сложные карбиды. В промышленных чугунах Mn до 1%. При такой концентрации Mn не влияет на жидкотекучесть, а при взаимодействии с S образует тугоплавкие сульфиды (MnS), которые замутняют чугун, снижая жидкотекучесть. Любые тугоплавкие химические соединения в чугуне снижают жидкотекучесть ибо они увеличивают вязкость расплава. В промышленных чугунах концентрация S не более 0,2%.
P – увеличивает жидкотекучесть промышленных чугунов. В обычных чугунах концентрация до 0,2%, а в спец. чугунах до 0,5%. При содержании в чугуне 0,3 – 0,4 %P его жидкотекучесть повышается в 2-3 раза. Это связано с образованием легкоплавкой (950 градусов Цельсия) фосфидной эвтектикой. Наличие такой эвтектики в головной части потока создает объемы с низкой температурой плавления, что и способствует хорошей заполняемости литниковой формы.
№ 22.Ваграночный процесс получения чугуна
Вагранки (печи шахтного типа) Открытые,Закрытые,Без водяного охлаждения,С водяным охлаждением,С кислой футеровкой,С основной футеровкой,Без подогрева дутья,С подогревом дутья — воздухом до 400°С(с применением рекуператора); — воздухом до 700 °С (с применением электронагревателей; — воздухом обогащенным кислородом (3-5% О2 ) Без копильника,Скопильником. Коксовая вагранка: Она имеет шахту , в нижней части которой расположены фурмы для подачи воздуха, шлако-отделительное устройство и копильник , устройство для дожигания продуктов сгорания кокса, в основном СО , устройство для очистки охлажденных отходящих газов от пыли, устройство для подогрева воздушного дутья. В шахту загружается холостая колоша кокса на высоту от уровня фурм, равную, а также рабочие калоши металлошихты, кокса и флюса. Чугун плавится за счет тепла, выделяющегося от сгорания кокса, стекает в нижнюю часть шахты, называемую горном, и либо накапливается там, либо непрерывно уходит в копильник, где собирается определенная порция для выпуска чугуна на заливку. Для повышения температуры чугуна в плавильной зоне, а значит и выдаваемого в копильник, подогревают воздух поступающий в фурмы при помощи рекуператоров (за счет тепла отходящих газов) – это 400°С , специальными электрокалориферами (до 700°С) и добавлением в горячее дутье 3-5% кислорода. Вагранка – плавильная печь шахтного типа непрерывного действия, работающая по принципу противотока. Снизу вверх поднимается поток горячих газов, образующихся в результате горения кокса, навстречу ему опускается поток шихты. В результате теплообмена между этими потоками металлическая шихта прогревается, плавится, а получившийся жидкий металл перегревается выше температуры ликвидуса. В зависимости от размеров и конструкции производительность вагранок составляет от 3 до 100 тонн в час жидкого чугуна.
№ 23. Особенности выплавки чугуна в дуговых и индукционных печах.
Основная причина использования дуговых печей – это обеспечение значительного перегрева расплава и наводки «горячего» активного шлака. Это позволяет проводить такие операции как десульфурация, легирование, науглераживание чугуна карбюризатором.
· надежность в эксплуатации
· быстрота выполнения ремонтных работ
· гибкость в изменении технологии
· возможность использования негабаритного лома
· высокий уровень шума
· повышенный угар C, Si, Mn и л.э.
· нет перемешивания жидкого металла
· значительные пылегазовые выбросы
При получении ВЧ используют осн футеровку. Чугун такой плавки имеет повышенное содержание азота. Обязательной операцией из-за повышенного угара С явл науглераживание добавкой карбюризатора в тв завалку.
Индукционные печи. Нагрев шихты и плавление идет за счет токов «Фуко». Бывают тигельные и канальные. По частоте: пром-ой (50 Гц), средней ( до 10000 Гц), высокой (свыше 10000 Гц).
При плавке в печах пром частоты требуется стартовый остаток чугуна («болото»).
· нет контакта сплава с топливом и газами
· интенсивное перемешивание сплава
· небольшие пылегазовые выбросы
· легко проводить корректировку хим состава
Особое значение имеет реакция SiО2+2C=Si+2CO. при превышении температуры равновесия реакции, активизируется процесс восстановления Si из футеровки печи.
№ 24. Способы получения, структура и свойства чугуна с шаровидным графитом
Чшг является одним из самых перспективных конструкционных материалов на основе железа. По своим механическим свойствам он превосходит СЧ, КЧ и по ряду свойств сталь. Характерные типы микроструктуры чшг: феритная, перлито-феритная, мартенситная, ферито-бейнитная. Перлитный чшг – имеют высокую сопротивляемость к статическим и циклическим нагрузкам и износостойкостью. Бейнитные чшг — сочетают максимальную прочность и высокую пластичностью. Все марки чшг имеют высокий модуль упругости. У ВЧ более низкая температура плавления, чем у стали, что позволяет экономить не только энергоресурсы но и повысить качества отливки за счет пригара,лучшей жидкотекучести,снижением усадки. Также этот чугун имеет большую на 15-25% обрабатываемость.В настоящее время чшг в основном используется для изготовления труб и изложниц,в автотракторостроении.
Используют модификаторы: магний, церий, иттрий, лантан, кальций, натрий, калий и цирконий.
№ 25.Способы десульфурации и сфероидизирующей обработки при получении высокопрочного чугуна
Десульфурация. Основная цель – снизить концентрацию серы в исходном чугуне, перед сфероидизирующей обработкой. При использовании традиционных шихтовых материалов в жидкий чугун вносится не более 0,04 % S, а остальная часть – шихтовые материалы, из кокса при ваграночнй плавке.
В практике литейного производства десульфурация производиться как в плавильных агрегатах (за счёт наведения основных шлаков), так и при внепечной обработке. Обязательное условие десульфурации – снижение концентрации серы до 0,01-0,02, а так же перегрев чугуна до 1480-1520 *С. В противном случае резко снижается степень удаления серы, коэф. использования реагентов и условия удаления продуктов реакции. Основные десульфураторы – это карбид кальция СаС2 и известь СаО.
в)вращение специальной мешалкой
В мировой практике наиболее широко используют десульфурацию чугуна продувкой инертным газом. Этот метод позволяет в течении 1,5-2 минут снизить исходное содержание серы на 90%, при расходе реагента СаС2 равному десятикратному исходному содержанию серы. Для десульфурации больших масс чугуна (более 3 т) эффективная обработка во встряхивающих ковшах. Десульфурация сопровождается большими потерями температуры, что требует дополнительного перегрева чугуна перед сфероидизирующей обработкой. Кроме того требуется время для удаления отработанных реагентов и образовавшегося шлака.
Влияние химических элементов на свойства чугуна.
Свойства чугунов зависят от химического состава, т. е. от содержания в них углерода, кремния, марганца, фосфора, серы.
Углерод, химически связанный с железом, образует цементит. Цементит придает чугуну хрупкость, но значительно повышает твердость. Такой чугун, имеющий в изломе блестящий металлический оттенок, называют белым. Белые чугуны не обрабатываются режущим инструментом.
Углерод в чугуне может находиться в свободном состоянии в виде графита. Цементит в таких чугунах не образуется, поэтому их твердость значительно ниже твердости белых чугунов; такие чугуны хорошо обрабатываются резанием. Присутствие графита придает чугуну в изломе серый, матовый оттенок; чугун в данном случае называют серым.
Кремний способствует выделению углерода в чугуне в виде графита, улучшает литейные свойства чугуна, понижает его твердость.
Марганец препятствует выделению углерода в чугуне в виде графита и способствует образованию цементита, поэтому повышает твердость чугуна и при определенном содержании его увеличивает прочность.
Фосфор, соединяясь с железом, образует легкоплавкую хрупкую и твердую составляющую, которая располагается по границам зерен чугуна, вследствие чего у чугуна значительно повышаются хрупкость и твердость, увеличивается износостойкость. Образующаяся легкоплавкая составляющая улучшает наполняемость литейных форм жидким чугуном. Фосфор — вредная примесь.
Сера тормозит выделение углерода в чугуне в виде графита. Образуя по границам зерен чугуна хрупкую составляющую, сера снижает механические свойства, способствует образованию трещин в отливках. Вредное влияние серы может быть нейтрализовано повышенным содержанием марганца, с которым сера легко образует тугоплавкое соединение.
Стали с особыми физическими и механическими свойствами: классификация, маркировка, свойства и область применения.
Нержавеющая сталь — сложнолегированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.
Сопротивление нержавеющей стали к коррозии напрямую зависит от содержания хрома: при его содержании 13 % и выше сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, более 17 % — коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности, в азотной кислоте крепостью до 50 %.
Причина коррозионной стойкости нержавеющей стали объясняется, главным образом, тем, что на поверхности хромсодержащей детали, контактирующей с агрессивной средой, образуется тонкая плёнка нерастворимых окислов, при этом большое значение имеет состояние поверхности материала, отсутствие внутренних напряжений и кристаллических дефектов.
Классификация
По химическому составу нержавеющие стали делятся на:
· Хромистые, которые, в свою очередь, по структуре делятся на;
o Полуферритные (мартенисто-ферритные);
· Хромомарганцевоникелевые (классификация совпадает с хромоникелевыми нержавеющими сталями).
Мартенситные и мартенсито-ферритные стали
Мартенситные и мартенситно-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства. В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности, ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами. К этому виду относятся, стали типа 30Х13, 40Х13 и т. д.
Ферритные стали
Эти стали применяют для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроениии. Ферритные хромистые стали имеют высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, водных растворах аммиака, в аммиачной селитре, смеси азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а также в других агрессивных средах. К этому виду относятся, стали 400 серии.
Аустенитные стали
Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения. К данному классу относятся стали 300 серии.
