Какова цель легирования чугунов кратко

Обновлено: 30.06.2024

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.

Что такое легированный чугун — это чугун подвергшийся дополнительному введению одного или нескольких элементов.

Применение легированного чугуна для различных литых деталей основано на том, что легирующие элементы улучшают механические, физические, химические и эксплуатационные свойства.

В зависимости от степени легирования чугун можно разделить на три группы. Низколегированный с содержанием легирующих элементов до 3%, среднелегированный с содержанием элементов 3-10% и высоколегированный с содержанием элементов выше 10%.

Низколегированный чугун

Низколегированный чугун используют как конструкционный материал. Металлическая основа этого чугуна мало отличается от обычного серого чугуна.

В низколегированном чугуне легирующие элементы способствуют выравниванию структуры по сечению отливки и измельчению кристаллического строения. Это приводит к повышению механических и эксплуатационных свойств чугуна. Кроме того, легированный чугун легче поддается термической обработке.

Среднелегированный чугун

Среднелегированный чугун характеризуется особой мартенситной структурой, которая обеспечивает высокую износостойкость деталей как при нормальной, так и при повышенной температуре.

Высоколегированный чугун характеризуется ферритной или аустенитной структурой, которая придает чугуну особые физические или химические свойства, поэтому этот чугун применяют для коррозионностойких, жаростойких, немагнитных отливок.

Влияние легированных элементов на свойства чугунов

В зависимости от содержания преобладающего элемента легированный чугун разделяют на никелевый, хромистый, хромоникелевый, медистый, молибденовый, марганцевый, алюминиевый и другие.

В настоящее время наибольшее распространение находит чугун, легированный хромом и никелем. Данный чугун преимущественно используют для отечественных машиностроительных деталей, работающих на износ при трении.

В отдельных случаях для придания этому чугуну дополнительных свойств в его состав вводят еще и другие элементы, но называют его тогда уже не хромоникелевым, а по названию введенного элемента, например, молибденовым, ванадиевым и т.д.

Низколегированный чугун

приведены различные составы низколегированного чугуна с указанием его назначения. Молибден вводится в чугун в тех случаях, когда требуется повышенная жаропрочность, т.е. сохранение механических свойств при повышенных температурах.

В качестве антифрикционного материала как заменителя оловянных бронз применяют специальный низколегированный антифрикционный чугун. Табл2

Структура антифрикционного чугуна должна быть перлитной, с равномерным распределением графита.

Высоколегированный чугун

Высоколегированный чугун применяют для деталей, работающих в особых условиях:агрессивная среда, высокая температура и другое. Высоколегированный немагнитный чугун имеет аустенитную структуру, хорошо работает на износ, обладает хорошей коррозионной стойкостью. Немагнитный чугун применяют в электротехнической и машиностроительной промышленности. Химический состав высоколегированного чугуна может быть различным см табл 3

Этот чугун хорошо обрабатывается.

Легированный чугун с жаростойкими свойствами устойчиво работает при высоких температурах-до 1200°С.Во многих случаях такой чугун обладает и высокой коррозионной стойкостью.

В таблице приведены типичные составы жаростойкого и коррозионностойкого чугуна.

Высокохромистый жаростойкий чугун, несмотря на высокую твердость (Н_в=250 – 400), удовлетворительно обрабатывается режущим инструментом.

С увеличением содержания углерода и кремния твердость высокохромистого чугуна понижается. Объемная усадка высокохромистого чугуна см таблицу

Линейная усадка этого чугуна колеблется от 1,5 до 2,7%. Большая усадка высокохромистого чугуна требует хорошего питания отливок, что осуществляется установкой прибылей.

Отделение прибылей производится механическим способом, так как применение для этой цели электродуги приводит к образованию трещин. В практике широко применяют легкоотделяемые прибыли см рис

Чугун с высоким содержанием алюминия (20-24%) обладает высокой жаростойкостью до 1200 — 1250°С и химической стойкостью, такой чугун не магнитится, хрупкий и очень чувствителен к изменению температуры.

Сложный по составу чугун с содержанием меди, никеля, хрома и других элементов обладает повышенной жаростойкостью, химической стойкостью и в отдельных случаях немагнитными свойствами.

Леги́рованный чугу́н — чугун, в состав которого наряду с обычными компонентами специально введены легирующие элементы, придающие ему прочность, износостойкость, жароупорность, коррозионную стойкость, немагнитность.

В зависимости от уровня легирования различают низколегированные (суммарное количество легирующих элементов меньше 2, 5 %), среднелегированные (2, 5-10 %), высоколегированные (больше 10 %) чугуны. Низколегированные чугуны имеют перлитную или бейнитную структуру, среднелегированные — мартенситную структуру, высоколегированные - аустенитную или ферритную структуры.

Легированные чугуны классифицируют обычно по химическому признаку (алюминиевый, никелевый, хромистый чугун). Алюминиевый чугун содержит от 0, 6 до 31% алюминия; обладает повышенной прочностью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, износостойкостью. В зависимости от содержания алюминия и углерода он может кристаллизоваться без выделения графита в структуре и с выделением пластинчатого графита, а при модифицировании — с выделением шаровидного графита. Алюминиевый чугун используется как жаростойкий материал для работы в агрессивных средах при повышенных температурах. Из него изготавливают детали термических печей, аппаратов химического оборудования, газовых двигателей.

Белый чугун, легированный ванадием с целью повышения механических свойств, называют ванадиевым чугуном. Он содержит 3, 5-12 % ванадия. Эффективно совместное легирование белого чугуна ванадием с добавками никеля, хрома, меди, марганца.

Марганцовый чугун или ферроманган (ферромарганец), содержит до 7, 5% углерода и 30-80% марганца, используется как присадка при получении литого железа (стали), для удаления кислорода, поглощенного во время процесса.

Никелевый чугун содержит от 0, 3-0, 7 до 19-21% никеля. Форма графитовых выделений в структуре никелевого чугуна (пластинчатая или шаровидная) зависит от содержания никеля. Hикелевые чугуны коррозионностойки, жаропрочны, хладостойки; применяются для изготовления деталей, работающих в морской воде.

Хромистый чугун содержит до 32 % хрома; жаростоек, коррозионностоек, износостоек, в том числе в условиях ударного абразивного изнашивания материала. Легированные чугуны дешевле нержавеющих сталей, обладают хорошими литейными свойствами, поэтому изделия из них получаются экономичными.

Процесс легирования чугуна предполагает введение в расплав определенных компонентов, максимальный эффект от которых достигается при достижении термодинамического равновесия, то есть, полного растворения, сопровождающегося увеличением до максимального уровня энтропии системы. Следовательно, легирование металла необходимо осуществлять на ранних этапах литейной технологии (в плавильной печи или ковше).

Процесс легирования чугунов в целом аналогичен процессу легирования сталей. Однако легирование чугунов усложняется тем, что каждый легирующий элемент необходимо рассматривать применительно к его графитизирующему или отбеливающему действию. В практике производства чугунного литья в качестве легирующих элементов используют Cr, Ni, Ti, V, W, Mg, Cu, Mn, Si, Al и ряд других. Помимо этого, в силу сравнительно низкой температуры разливки чугуна, существуют значительные трудности с растворением легирующих сплавов, имеющих температуру плавления выше, чем температура чугуна в ковше.

Легирующие элементы могут образовывать самостоятельные фазы в виде различных соединений, изменять количественное соотношение феррита и аустенита, упрочнять их и воздействовать в той или иной мере на результаты эвтектоидного превращения. При этом легирующий элемент, как правило, оказывает влияние на все процессы структурообразования, но не в одинаковой степени.

Наиболее эффективным является комплексное легирование, при котором в состав чугуна вводят несколько легирующих элементов. Между тем, легированные чугуны, особенно с высоким содержанием легирующих элементов, склонны к образованию литейных дефектов в большей мере, чем нелегированные конструкционные. Поскольку чугуны являются высокоуглеродистыми сплавами, для которых характерно образование при первичной кристаллизации графита и цементита, то все легирующие элементы следует классифицировать по способности к карбидо - и графитообразованию.

По сравнению с внепечной обработкой в ковше введение легирующих элементов в состав шихты обеспечивает меньшую степень неравномерности в распределении присадки по объему расплава. Плавку легированных чугунов целесообразно проводить в электрических и индукционных печах, где значительно ниже потери легирующих элементов на окисление и обеспечивается достаточно высокий и регламентированный по режиму перегрев чугуна. В первую очередь это относится к средне- и высоколегированным сплавам. Вероятно, применение внепечной обработки для легирования чугунов целесообразно в случае использования легкоплавких лигатур, а также при корректировке химического состава чугуна после его легирования в плавильной печи.

Читайте также: