Образование графитных включений в чугунах

В чугунах, отличающихся от сталей повышенным содержанием углерода, углерод может находится не только в связанном состоянии (в виде цементита), но и в свободном состоянии, т.е. в виде графитных включений различной формы. Эти включения могут образовываться как из жидкой фазы, при кристаллизации расплава, так и из твёрдой фазы (цементита) при его нагреве и длительной выдержке. Процесс образования графитных включений в чугунах называют графитизацией.

На процесс графитизации существенное влияние оказывает скорость охлаждения жидкого расплава. Если расплав охлаждается достаточно быстро, атомы углерода не успевают собраться в графитные включения и в сплаве наблюдается образование цементита. Не смотря на то, что цементит является менее устойчивой, чем графит, фазой, его химический состав (6,67 % С) ближе к химическому составу жидкого расплава, чем химический состав графита (100 % С). Поэтому при высоких скоростях охлаждения расплава цементит образуется с большей вероятностью, чем графит. При медленном (равновесном) охлаждении жидкого расплава создаются условия благоприятные для диффузии атомов углерода и образования в структуре сплава графитных включений.

Процессу графитизации чугунов способствует наличие в жидком расплаве не растворившихся частиц графита и частиц SiO₂, Al₂O₃, AlN. Все эти неметаллические включения при кристаллизации чугунов могут играть роль центров графитизации.

На процесс графитизации также существенное влияние оказывает химический состав чугунов. Так кремний, являющийся постоянной примесью в чугунах, способствует процессу графитизации, а марганец, напротив, препятствует. Изменяя соотношение в сплаве Si и Mn, можно управлять процессом графитизации. Содержание Si в графитных чугунах может достигать 4 - 5%, а Mn должно быть не более 1%. Сера также препятствует процессу графитизации и ведёт к отбеливанию чугунов. Её отбеливающее влияние в 5-6 раз сильнее влияния Mn. В то же время, S снижает жидкотекучесть чугунов, повышает усадку, склонность к образованию трещин и пузырей. По этой причине сера в чугунах является кране нежелательной, вредной примесью. Фосфор, напротив, повышает жидкотекучесть чугунов и практически не влияет на процесс графитизации. Фосфор в чугунах не считается вредной примесью.

Белые и графитные чугуны

Чугуны, в зависимости от того, в каком состоянии находится в них углерод, подразделяются на белые и графитные. В белых чугунах углерод находится преимущественно в связанном состоянии, т.е. в виде цементита – химического соединения Fe₃C. Из-за цементита эти чугуны выглядят на изломе белыми, блестящими. Они отличаются повышенной хрупкостью и твёрдостью. Их структуру отражает метастабильная диаграмма состояния «железо-цементит». По структуре белые чугуны подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектические чугуны содержат от 2,14 до 4,3% углерода и состоят из зёрен перлита, вторичного цементита и ледебурита. Эвтектические чугуны содержат 4,3% углерода и состоят из зёрен ледебурита, т.е. механической смеси перлита с цементитом. Заэвтектические белые чугуны содержат более 4,3% углерода и в структуре, помимо ледебурита, обнаруживают кристаллы первичного цементита.

В графитных чугунах углерод находится преимущественно в свободном состоянии, т.е. в виде графитных включений различной формы. Из-за графита эти чугуны на изломе выглядят серыми и марают руки. Графитные чугуны отличаются от белых чугунов меньшей твердостью и прочностью. Структуру этих чугунов отражает стабильная диаграмма состояния «железо-графит».

Графитные включения в чугунах могут иметь либо пластинчатую, либо шаровидную, либо хлопьевидную форму. Чугуны с пластинчатой формой графитных включений называют серыми, с шаровидной - высокопрочными, с хлопьевидной - ковкими.

Графитные включения располагаются в некоторой металлической матрице, которая может быть либо ферритной, либо перлитной, либо феррито-перлитной. Таким образом, структура графитных чугунов напоминает структуру доэвтектоидных либо эвтектоидных сталей, но с графитными включениями различной формы.

Графитные включения имеют малую прочность, твердость и снижают прочностные характеристики материала. Преимущественно по этим включениям происходит разрушение чугунов. При нагружении чугунов графитные включения играют роль концентратов напряжений. Наилучшими концентратами напряжений являются относительно «острые» включения пластинчатой формы, а наихудшими - включения шаровидной формы. По этой причине серые чугуны имеют меньшую прочность, чем высокопрочные чугуны. Ковкие чугуны занимают в этом ряду промежуточное положение.

Графитные включения играют не только отрицательную роль. Благодаря смазывающему эффекту графита у графитных чугунов отмечаются хорошие антифрикционные свойства и они хорошо работают в паре трения. Графитные чугуны хорошо гасят удары и вибрации и поэтому используются для изготовления станин различных молотов, прессов и станков. Кроме того, графитные чугуны имеют высокие литейные характеристики.

Серые чугуны получают при медленном охлаждении жидкого расплава, содержащего достаточное количество кремния. Серый чугун обычно используют как литейный сплав.

Высокопрочный чугун получают путём модифицирования жидкого расплава, т.е. введения в него магния, алюминия и кальция. Такой чугун применяют для изготовления зубчатых колес и валов.

Ковкий чугун получают из белого доэвтектического чугуна посредством его длительного графитизирующего отжига (томления). При температурах выдержки белого чугуна свыше 950°С происходит распад цементита, содержащегося в чугуне, на феррит и графит. При этом образующиеся включения графита приобретают хлопьевидную форму.

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами. Первая группа цифр означает предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм², а вторая – предел прочности на изгиб.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, означающими предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм².

Ковкие чугуны маркируются буквами КЧ и цифрами. Первая группа цифр означает предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм², а вторая – относительное удлинение в %.

Например: СЧ20-10, ВЧ60, КЧ40-12.

Легированные стали

Легированными называют стали, в которые специально вводят те или иные химические элементы с целью изменения структуры и свойств сталей. Наиболее распространенными легирующими элементами, из-за своего благоприятного влияния на свойства сталей, являются хром и никель. Также в сталь достаточно часто вводят молибден, кобальт, титан, вольфрам, ниобий и другие элементы. Марганец, кремний и азот, являющиеся постоянными примесями в сталях, также могут выступать в роли легирующих элементов, если их в достаточном количестве специально вводят в сталь

Современные легированные стали являются, как правило, сложнолегированными. В них обычно присутствует сразу несколько легирующих элементов. Стоимость таких сталей определяется стоимостью легирующих элементов.

Легированные стали обычно подвергаются термической обработке, в ходе которой существенно изменяется их структура и улучшаются свойства. Использование дорогостоящих легированных сталей без термической обработки не рационально.

Легированные стали классифицируют по структуре, по количеству легирующих элементов, по качеству и по назначению.

По количеству легирующих элементов стали подразделяют на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. Общее количество легирующих элементов в низколегированных сталях не превышает 2,5%, а в среднелегированных – 10%. Высоколегированные стали содержат более 10% легирующих примесей.

По качеству легированные стали подразделяются на стали качественные, высококачественные и особовысококачественные. Качество сталей определяется содержанием в них вредных примесей (серы, фосфора, кислорода, азота, водорода). Чем меньше содержится в сталях вредных примесей, тем выше их качество и, соответственно, выше цена.

По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения.

Конструкционные стали – это обрабатываемые стали, используемые для изготовления различных заготовок, деталей машин и элементов конструкций.

Инструментальные стали используют для изготовления измерительного, ударного и режущего инструмента.

Стали специального назначения – это стали, обладающие особыми физическими, химическими и механическими свойствами. Например, высокотвердые быстрорежущие стали, используемые для изготовления режущего инструмента. Или шарикоподшипниковые, рессорнопружинные, жаропрочные, коррозионностойкие, электротехнические и другие специальные стали.

Маркировка легированных сталей зависит от их назначения. В основе маркировки лежит буквенно-цифровой метод.

В начале марки конструкционных легированных сталей располагаются цифры, означающие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют большие буквы русского алфавита, означающие наличие в стали того или иного легирующего элемента:

Х – хром

Н – никель

М – молибден

К – кобальт

В – вольфрам

Т – титан

А – азот

Г – марганец

Д – медь

Б – ниобий

Р – бор

С – кремний

Ф – ванадий

Ю – алюминий

После букв могут стоять цифры, которые обозначают среднее, округлённое до целого процентное содержание соответствующего легирующего элемента. Если цифр нет, то содержание легирующего элемента равно примерно одному проценту или менее.

Буква «А» в середине марки стали означает наличие в сплаве азота. Если эта буква расположена в конце марки стали, она означает, что сталь является высококачественной. Буква «А» в начале марки стали означает, что сталь является автоматной, используемой в качестве конструкционного материала в станках-автоматах.

Например, сталь 40Х3НМФА – конструкционная легированная высококачественная сталь, содержащая примерно 0,4% углерода, 3% хрома, по 1% никеля, молибдена и ванадия.

В начале марки инструментальных легированных сталей может стоять цифра, означающая среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если цифры нет, то среднее содержание углерода в стали составляет 1%. Далее следуют буквы и цифры, означающие то же самое, что и в случае конструкционных сталей.

Например, сталь ХВГ - инструментальная легированная сталь, содержащая примерно 1% углерода и по 1% хрома, вольфрама и марганца.

Стали специального назначения маркируются несколько иначе. В начале марки таких сталей располагается буква (буквы), означающая назначение стали (например, Р – быстрорежущая, Ш – шарикоподшипниковая, Э - электротехническая и т.д., смотри справочник). Затем следуют цифры, обозначающие среднее процентное содержание основного легирующего элемента. Для быстрорежущих сталей это вольфрам, для электротехнических – кремний и т.д. (смотри справочник). Далее следуют буквы и цифры, означающие то же самое, что и в случае конструкционных сталей.

Например, сталь Р6М5К4 – быстрорежущая сталь, содержащая примерно 6% вольфрама, 5% молибдена и 4% кобальта.