Влияние примесей на структуру и свойства чугунов.

Чугуны нашли широкое применение в качестве машиностроительных материалов благодаря сочетанию высоких литейных свойств, достаточной прочности, износостойкости, а также относительной дешевизны.

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2,14 до 6,67%. Кроме углерода в чугуне также присутствуют постоянные примеси – кремний, марганец, сера и фосфор. Иногда в чугуны вводят легирующие добавки, такие как никель, хром, магний и т.д., для придания им определенных свойств.

Рассмотрим влияние примесей на структуру и свойства чугунов. Основным элементом, определяющим структуру и свойства чугуна, является углерод. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. В чугуне углерод может находиться в виде цементита или графита (пластинчатой формы, сфероидальной, хлопьевидной).

Кремний — важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким. Содержания кремния в чугунах колеблется от 0,3 – 0,5 до 3 – 5%.

Изменяя содержание кремния, можно получить чугуны, совершенно различные по свойствам и структуре. Чем больше в отливке кремния, тем больше выделение графита и тем они крупнее, а следовательно, тем меньше прочность такого чугуна, ниже твердость и лучше обрабатываемость.

Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации или, как говорят, способствует отбеливанию чугуна, т.е. он увеличивает содержание цементита и способствует более мелким выделениям графита. Марганец увеличивает усадку и хрупкость чугуна, способствует раскислению чугуна и улучшает его жидкотекучесть.

Сера является вредной примесью, она ухудшает литейные свойства (снижает жидкотекучесть), увеличивает усадку, вызывает хрупкость (красноломкость) и склонность к образованию трещин. Присутствие серы в чугуне задерживает разложение цементита, при этом в чугуне появляются твердые пятна, что затрудняет обработку металла режущим инструментом и ухудшает механические свойства. Содержание серы в чугуне для мелкого литья допускается не выше 0,08%, для крупного литья – не выше 0,12%. Вредное влияние серы на свойства чугуна в зна­чительной степени нейтрализуется марганцем, образующим хи­мическое соединение МnS, большая часть которого переходит в шлак.

Фосфор не ускоряет и не замедляет графитообразование, поэтому почти не влияет на структуру чугуна. Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках), поэтому чугуны с повышенным содержанием фосфора применяют для отливок, не требующих большой прочности. Однако он является и полезной примесью, так как делает чугун более жидкотекучим и несколько снижает температуру плавления, повышая, таким образом, литейные качества 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.

Фосфор является желательной примесью при изготовлении тонкостенных отливок, так как фосфористый чугун вследствие своей жидкотекучести хорошо заполняет все очертания формы.

Кроме постоянных примесей, в чугун вводят специальные добавки для придания чугунам определенных свойств. Иногда чугуны выплавляют в доменных печах из руд, содержащих хром, никель и другие легирующие компоненты. Такие чугуны называют природнолегированными. Влияние легирующих эле­ментов на свойства чугунов определяется главным образом их отношением к углероду. Графитообразующие элементы способ­ствуют получению хорошо обрабатываемых чугунов, а карбидообразующие —получению отбеленных чугунов, плохо под­дающихся обработке режущим инструментом.