Какие влияние на свойства чугуна оказывает графит

Графит имеет гексагональную слоистую решетку с небольшой энергией связи между атомами в разных слоях (силы Ван-дер-Ваальса), вследствие чего он обладает очень низкими твердостью, прочностью и пластичностью, значительно более низкими, чем у металлической основы. Графитные включения фактически представляют собой своеобразные трещины или пустоты, заполненные графитом. Чугун в связи с этим можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством таких трещин и пустот (графитных включений), ослабляющих металлическую основу. Чем больше графитных включений, чем они грубее, тем больше они разобщают металлическую основу и тем ниже механические свойства чугуна.

Графитные включения в чугунах имеют пластинчатую, вермикулярную, шаровидную или хлопьевидную форму (рис. 7.2).

Пластинчатый графит, играющий роль острых трещин и надрезов, является резким концентратором напряжений. Под действием нормальных напряжений по концам таких графитных включений легко формируются очаги разруше-

Структуры чугунов с разной металлической основой и формой графитовых включений

Рис. 7.2. Структуры чугунов с разной металлической основой и формой графитовых включений

ния. По этой причине чугуны с пластинчатым графитом имеют самую низкую прочность при растяжении и изгибе.

Вермикулярный графит отличается от пластинчатого значительно меньшими размерами частиц – это очень мелкие и тонкие прожилки со скругленными концами. Скругленные графитные включения выполняют роль уже не трещин, а пустот и являются менее резкими концентраторами напряжений.

Наименьшая концентрация напряжений отмечается в чугунах с шаровидным графитом. Такие чугуны имеют самую высокую прочность при растяжении и изгибе.

Чугуны с хлопьевидным графитом уступают им по своим прочностным характеристикам, но превосходят чугуны с пластинчатым графитом.

Таким образом, прочность чугунов с графитом определяется строением металлической основы и формой графитных включений. При меньшей степени графитизации (например, в ферритно-перлитном и особенно в перлитном чугунах по сравнению с ферритным) количество (объем) и размеры графитных включений будут меньше.

Уровень пластичности чугунов определяется формой графита (табл. 7.2). Самую низкую пластичность имеет чугун с пластинчатым графитом.

Таблица 7.2

Влияние формы графитных включений на пластичность чугунов

Графит	Пластинчатый	Вермикулярный	Хлопьевидный	Шаровидный
Относительное удлинение δ, %	<0,5	1…3	3…12	2…17

Чугуны с графитом широко применяются в промышленности. Наличие графита в структуре, определяющее низкую прочность чугунов, придает им ряд высоких технологических и эксплуатационных свойств:

– графит улучшает литейные свойства, уменьшая усадку чугунов при кристаллизации (см. 11.2.1);
– мягкий и хрупкий графит улучшает обрабатываемость чугунов резанием, способствуя образованию стружки надлома (стружка ломается на графитовых включениях);
– графит обеспечивает чугунам хорошие антифрикционные свойства, он играет роль смазки в парах трения;
– графит гасит вибрации и резонансные колебания;
– чугуны с графитом мало чувствительны к надрезам и другим дефектам поверхности деталей, поскольку подобные дефекты в виде графитных включений уже имеются в самом чугуне.

Источник

Микроструктура чугунов (табл. 1) зависит от скорости охлаждения металла: при быстром охлаждении будет белый чугун (углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита и ледебурита), а при медленном охлаждении будет серый чугун (углерод находится в виде графита).

Табл. 1. Марки и механические свойства чугуна разлиных типов.

Группа	Марка чугуна	σВ, МПа	НВ	δ
серые	СЧ10	100	120…150
СЧ15	150	130…241
…	…	…
СЧ35	350	179…290
Высокопрочные	ВЧ35	350	140…170	22
ВЧ40	400	140…202	15
…	…	…	…
ВЧ100	1000	270…360	2
Ковкие	КЧ30-6	300	163	6
КЧ33-8	330	163	8
КЧ37-12	370	163	12
…	…	…	…
КЧ63-2	630	269	2

Кремний Si способствует графитизации чугуна, и улучшает его литейные свойства. В серых чугунах содержится 0,8 …4,5 % Si.

Марганец Mn способствует отбеливанию чугуна, но содержание Mn до 1,2% полезно, т.к. увеличиваются твердость и прочность чугуна.

Фосфор Р повышает жидкотекучесть чугуна, поэтому допустимо его содержание до 0,4%, но в ответственных чугунных отливках содержится фосфора менее 0,15%, т.к. с ростом содержания его увеличивается хрупкость чугуна.

Сера S затрудняет графитизацию, увеличивает хрупкость и ухудшает жидкотекучесть чугуна, поэтому серы в чугунах должно быть не более 0,1%.

Серые чугуны делятся на модифицированные, высокопрочные и ковкие (табл. 2).

В серых чугунах графит имеет пластинчатую форму, в высокопрочных – шаровидную, а в ковких – хлопьевидную.П римеры обозначения чугунов:

Формирование структуры чугуна происходит при затвердевании отливки. Основными факторами, влияющими на структурообразование чугуна, являются его химический состав (см. табл. ниже) и скорость охлаждения отливки в форме.

Табл. 2 – Влияние химических элементов на свойства чугуна

Серый чугун	Высокопрочный чугун	Ковкий чугун
Углерод
Повышенное содержание углерода приводит к уменьшению прочности, твердости и увеличению пластичности; углерод улучшает литейные свойства чугуна	Увеличенное содержание углерода улучшает литейные свойства чугуна	Углерод – основной регулятор механических свойств ковкого чугуна; чугун обладает низкой жидкотекучестью и требует высокого перегрева
Кремний
Кремний (с учетом содержания углерода) способствует выделению графита и снижает твердость, а также уменьшает усадку; повышенное содержание кремния снижает пластичность и несколько увеличивает твердость	С повышением содержания кремния возрастает предел прочности при растяжении, при дальнейшем увеличении содержания – уменьшаются предел прочности при растяжении и относительное удлинение	Для ферритного ковкового чугуна суммарное содержание кремния и углерода должно быть 3,7-4,1%. Содержание кремния зависит от количества углерода и толщины стенки. При содержании кремния до 1,5% механические свойства сплава повышаются
Марганец
Марганец тормозит выделение графита, способствует размельчению перлита и отбеливанию чугуна; взаимодействуя с серой, нейтрализует ее вредное действие. Механические свойства чугуна повышаются при содержании марганца до 0,7-1,3 %, а при дальнейшем увеличении – снижаются. Марганец увеличивает усадку сплава	С повышением содержания марганца уменьшается доля феррита и увеличивается количество перлита; при этом повышается предел прочности при растяжении и уменьшается относительное удлинение. Для повышения износостойкости содержание марганца увеличивают до 1,0- 1,3%	Марганец увеличивает количество связанного углерода, повышает прочность феррита. При повышении содержания марганца до 0,8-1,4% увеличивается количество перлита, прочность сплава повышается, но резко падает пластичность и ударная вязкость. В ферритном чугуне содержание марганца не должно превышать 0,6%, в перлитном – 1,0%
Магний
–	Для образования графита шаровидной формы содержание магния должно быть не ниже 0,03%, а церия не ниже 0,02% (остаточное содержание). При более низком содержании не весь графит получает шаровидную форму; часть его содержится в виде пластинок, что снижает механические свойства сплава. При повышенном содержании магния (и церия) в структуре сплава образуется цементит и, следовательно, снижаются механические свойства. Оптимальное содержание остаточного магния – 0,04-0,08%	–
Сера
Сера снижает прочность и пластичность, но несколько повышает износостойкость сплава, считается вредной примесью, придает чугуну красноломкость (образование трещин при высоких температурах), препятствует выделению графита	Чем выше содержание серы в исходном чугуне, тем труднее получить полностью шаровидную форму графита и, следовательно, высокие механические свойства	Содержание серы в ферритном ковком чугуне, модифицированном алюминием, может быть повышено до 0,2 %; при этом механические свойства возрастают за счет улучшения формы графита. Определяющее влияние на механические свойства чугуна оказывает отношение содержания марганца и серы, которое должно быть в пределах 0,8-3,0
Фосфор
Фосфор на процесс графитизации углерода влияет слабо, но повышает жидкотекучесть сплава, придает чугуну хладноломкость, т. е. хрупкость	Фосфор оказывает существенное влияние на структуру и механические свойства. Чтобы получить чугун с высокой пластичностью, содержание фосфора не должно превышать 0,08%. Для получения чугуна с невысокой пластичностью содержание фосфора увеличивают до 0,12-0,15%	Фосфор оказывает такое же, как для серого чугуна влияние на структуру и механические свойства сплава
Никель
Никель – легирующий элемент, благоприятно влияет на выравнивание механических свойств в отливках с различной толщиной стенок, повышает твердость на 10 НВ. С увеличением содержания никеля возрастает коррозионная стойкость и улучшается обрабатываемость сплава	Никель влияет на тепло- и электропроводность, а также на коррозионную стойкость и жаростойкость сплава. С увеличением содержания никеля эти свойства повышаются	Никель способствует графитизации углерода и увеличивает количество перлита в металлической основе сплава
Хром
Хром – карбидообразующий элемент. С увеличением хрома растет прочность и твердость отливок, замедляется процесс графитизации углерода	С увеличением содержания хрома в определенных пределах повышается жаростойкость, коррозионная стойкость и износостойкость сплава	Хром замедляет процесс графитизации углерода. Содержание хрома в сплаве не превышает 0,06-0,08%; повышение содержания до 0,1 -0,12% приводит к образованию в структуре сплава стойких карбидов
Молибден
Молибден – легирующий элемент; замедляет процесс графитизации углерода и способствует карбидообразованию. С увеличением содержания молибдена повышается твердость без ухудшения обрабатываемости и возрастает сопротивление износу	–	Молибден способствует измельчению перлита и графитовых включений, увеличивает предел прочности на 3-7 кгс/мм2 при содержании молибдена 0,5%; замедляет процесс графитизации углерода
Медь
Медь способствует графитизации углерода, увеличивает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость сплава	При содержании в сплаве 1 % меди прочность при растяжении повышается до 40%, а текучесть – до 50 % и соответственно при 2% меди – до 65% и до 70%. Содержание меди более 2% препятствует образованию в структуре сплава шаровидного графита	Медь способствует графитизации углерода и увеличивает содержание в сплаве перлита

Небольшие количества множества элементов могут попасть в состав литейного чугуна и оказывать заметное воздействие на структуру и свойства отливок. Добавки некоторых из этих элементов производят специально, в то время как другие представляют собой примеси, привнесенные в металл из шихты. Некоторые из этих элементов оказывают положительное воздействие, особенно в сером чугуне, в то время как другие оказывают отрицательное воздействие и попадания их с расплав следует избегать. В таблице перечислены обычные источники этих элементов, часто встречающиеся уровни их содержания и основное воздействие на чугун. Результаты применения некоторых элементов в качестве основных легирующих (например, хром), в таблице не указаны.

Элемент	Обычный источник	Обычное содержание (%)	Воздействие на литейный чугун
Алюминий Al	Стальной лом, раскисленный Al, модификаторы, ферросплавы, добавки алюминия	До 0,03	Способствует образованию водородных газовых пор в тонких сечениях при содержании Al выше 0,005%. Нейтрализует азот. Способствует образованию дросса. При Al свыше 0,08% оказывает отрицательное воздействие на форму шаровидных включений графита. Может быть нейтрализован церием. Сильный стабилизатор графита.
Сурьма Sb	Стальной лом, эмалированный лом, корпуса подшипников, добавки сурьмы	До 0,02	Сильный стабилизатор перлита и карбидов. Препятствует образованию шаровидного графита в отсутствие РЗМ.
Мышьяк As	Чугун, стальной лом	До 0,05	Сильный стабилизатор перлита и карбидов. Улучшает форму шаровидного графита.
Барий Ba	Модификаторы с барием	До 0,003	Усиливает образование центров графитизации графита и увеличивает продолжительность действия модификатора. Снижает тенденцию к отбелу и способствует образованию графита.
Висмут Bi	Специальные добавки, покрытие литейной формы, содержащее висмут	Свыше 0,01	Способствует образованию отбела и нежелательных форм графита. Увеличивает число включений шаровидного графита в ВЧ, содержащем РЗМ (церий). Чрезмерное число шаровидных включений графита может спровоцировать усадку.
Бор B	Эмалированный лом, специальные добавки (например, FeB).	До 0,01	Свыше 0.001 % способствует образованию карбидов особенно в ВЧ. 0,002 % B улучшает способность к отжигу ковкого чугуна.
Кальций Ca	Ферросплавы, модификаторы	До 0,01	Улучшает степень шаровидности включений графита. Снижает тенденцию к отбелу и способствует образованию графита.
Церий Ce	Большинство магниевых сплавов, мишметалл или другие источники РЗМ	До 0,02	Как правило, не используется в сером чугуне. Подавляет отрицательное воздействие нежелательных элементов в ВЧ. Улучшает степень шаровидности графита. Стабилизатор карбидов из-за сегрегации.
Хром Cr	Легированная хромом сталь, некоторые чугуны, феррохром	До 0,3	Способствует образованию отбела и перлита. Повышает прочность. Образует скопления карбидов в ВЧ при содержании выше 0,05 %.
Кобальт Co	Инструментальная сталь	До 0,02	Не оказывает существенного воздействия на чугун.
Медь Cu	Медная проволока, сплавы на основе меди, стальной лом, специальные добавки меди.	До 0,5	Способствует образованию перлита. Повышает прочность. Ослабляет процесс ферритизации в ВЧ. Отсутствие вредного воздействия.
Водород H	Сырые огнеупоры, материалы литейных форм и влажные добавки.	–	Образует подповерхностные газовые поры. В незначительной степени способствует образованию отбела. Способствует отбелу при недостатке марганца для нейтрализации серы. Способствует образованию крупных включений графита.
Свинец Pb	Старые краски, некоторые виды эмалей, автоматная сталь, припой, отложения на бензиновом двигателе.	До 0,005	Способствует образованию нежелательных структур графита в сером чугуне и существенно снижает прочность при содержании > 0,004 %. Способствует образованию перлита и карбидов. Вызывает образование дегенеративных форм шаровидных включений графита. Отрицательное воздействие на графит в ВЧ нейтрализуется РЗМ (церием).
Магний Mg	Добавки магний содержащих модификаторов.	0,03 – 0,08	Способствует образованию шаровидных включений графита и стабилизирует карбиды в ВЧ. Не используется в серых чугунах.
Марганец Mn	Большинство чугунов, стальной лом, добавки кускового или брикетированного ферромарганца.	0,2 – 1,0	Нейтрализует серу, образуя MnS. Способствует образованию перлита. Образует скопления карбида в ВЧ. При высоком содержании способствует образованию газовых пор в сочетании с высоким содержанием серы.
Молибден Mo	Рафинированный чугун, легированная сталь, добавки ферромолибдена	До 0,1	Способствует образованию перлита. Повышает прочность. Может способствовать формированию усадки и образованию карбидов.
Никель Ni	Никелированный лист, стальной лом, специальные чугуны. Сплав Ni/Mg	До 0,5	В небольших количествах слабое воздействие на расплав. Графитизирующий эффект в больших количествах.
Азот N	Кокс, науглероживатели, связующие, стальной лом, добавки азотированного ферромарганца.	До 0,015	Способствует формированию компактных структур графита. Способствует образованию перлита. Повышает прочность. Высокое содержание приводит к образованию трещин в толстых сечениях. Может быть нейтрализован Al, Ti и Zr. Оказывает незначительное влияние на ВЧ.
Фосфор P	Фосфористый чугун и лом, добавки FeP.	До 0,1	Повышает углеродный эквивалент. Повышает жидкотекучесть. Формирует фосфидную эвтектику. Оказывает отрицательное воздействие на ВЧ при содержании > 0,05 %. При содержании > 0,04 % вызывает образование пригара.
Кремний Si	Сплавы ферросилиция, стальной лом, чугун.	0,8-4,0	Способствует графитизации, снижает отбел, стабилизирует феррит, повышает литейные свойства.
Сера S	Кокс, науглероживатели, чугун, чугунный лом, добавки сульфида железа.	До 0,15 (серый чугун)	Оказывает сильное отрицательное воздействие на структуры и свойства, если не сбалансирована марганцем. Повышает чувствительность СЧ к модифицированию. Может требовать увеличения навесок Mg в ВЧ. Содержание серы в ВЧ не должно превышать 0,03 %.
Стронций Sr	Стронций содержащие модификаторы	До 0,003	Способствуют формированию графита в СЧ и ВЧ. В значительной степени снижает отбел в сером чугуне.
Теллур Te	Автоматная медь, покрытия литейной формы, остатки от проб при термическом анализе.	До 0,003	Сильный стабилизатор карбидов. Вызывает образование многих нежелательных форм графита. Влияние Те выражено при содержании с 0,0003 %. Влияние уменьшается в сочетании Те с Mg и Ce в ВЧ
Олово Sn	Припой, жестяной лом, бронзовые компоненты, добавки олова.	До 0,15	В значительной степени способствует образованию перлита. Повышает прочность. Охрупчивает ВЧ при содержании > 0,08%. Не отмечено других вредных проявлений.
Титан Ti	Некоторые чугуны, некоторые краски и эмали, возврат ЧВГ, добавки титана и ферротитана.	До 0,10	Нейтрализует азот в сером чугуне. Вызывает формирование водородной пористости в присутствии алюминия. Вызывает образование переохлажденного графита в сером чугуне. Подавляет формирование шаровидных включений графита при производстве ЧВГ.
Вольфрам W	Быстрорежущая инструментальная сталь	До 0,05	Редко присутствует в существенных объемах. Средний по силе стабилизатор перлита.
Ванадий V	Лом, инструментальной стали, некоторые чугуны, добавки феррованадия.	До 0,10	Вызывает образование отбела. Измельчает включения пластинчатого графит. Существенно повышает прочность.

Предлагаем услуги по оптимизации геометрии разливочной оснастки с целью обеспечения повышения коэффициента использования металла и снижения осевой пористости слитков

подробнее

Источник

Графит. Его свойства и применение

Графит (от греч. – пишу) – это минерал, наиболее устойчивый при нормальных условиях кристаллическая модификация углерода. Графит огнеупорен, обладает электропроводностью; твёрдость графит по минералогической шкале Мооса – 1; плотность графита 2230 кг/м3.

Графит получают нагреванием антрацита без доступа воздуха.

Применение графита

В литейном производстве используют кристаллический литейный графит и скрытокристаллический графит. При производстве стали графит применяют для науглероживания, а также для смазки – в прокатном производстве.

Свойства графита

В отличие от другой аллотропной формы углерода – алмаза – графит обладает электропроводными свойствами и является полуметаллом (это свойство графита используется при производстве электродов).

Графит не плавится, а возгоняется при 3500°, то есть минуя жидкую фазу, переходит в газообразное состояние, но если одновременно с повышением температуры повышать давление до 1000 атм (98 МПа), то можно получить расплавленный графит. Это открытие было сделано при изучении свойств алмаза с целью синтезировать его. Однако получить алмаз из расплавленного графита не удалось.

Кристаллическая решетка графита

Кристаллическая решетка графита состоит только из атомов углерода. Кристаллической решетке графита присуща ярко выраженная слоистая структура, расстояние между слоями 0,335 нм. В кристаллической решётке графита каждый атом углерода связан с тремя другими окружающими его атомами углерода. Кристаллическая решетка графита бывает двух типов: гексагональная (б-графит) и ромбоэдрическая (в-графит, метастабильная форма). Атомы углерода каждого слоя кристаллической решётки б-графита расположены напротив центров шестиугольников, находящихся в соседних (нижнем и верхнем) слоях; положение слоев повторяется через один, каждый слой сдвинут относительно другого в горизонтальном направлении на 0,1418 нм (укладка АВАВА). В ромбоэдрической решетке в-графита положение плоских слоев повторяется не через один слой, как в гексагональной решётке, а через два. Несмотря на то, что в-графит метастабилен, в природном графите его содержание может доходить до 30%. При температурах 2230-3030°С ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный. Альфа-графит и бета-графит обладают сходными физическими свойствами (за исключением несколько отличающейся структуры графена).

Электропроводность кристаллов графита анизотропна: близка к металлической в направлении, параллельном базисной плоскости, и на порядок меньше в перпендикулярном направлении. Анизотропия характерна также для звукопроницаемости (акустических свойств) и теплопроводных свойств графита.

Форма графита

Графит – это также микроструктурная составляющая серого, ковкого, высокопрочного чугунов и чугуна с вермикулярным графитом. Графит в чугуне в основном состоит из углерода и предопределяет специфические свойства чугуна. Поэтому, количество графита в чугуне определяется содержанием углерода. Для обеспечения хороших литейных свойств чугуна углерода должно быть не меньше 2,4%.

Какие влияние на свойства чугуна оказывает графит

Классификации графита по форме

В зависимости от формы различают графит :

1) пластинчатый чугун),

2) вермикулярный (чугун с вермикулярным графитом);

3) хлопьевидный (ковкий чугун);

4) шаровидный (высокопрочный чугун). Рис.1.

классификация графита по форме.

Графит в чугуне по сравнению с металлической матрицей обладает низкими механическими свойствами, и графитовые включения можно рассматривать как пустоты, трещины. Свойства чугуна зависят от количества графита и его формы. Самой неблагоприятной формой является пластинчатый графит (можно сравнить с трещинами, надрывами внутри металла). По мере скругления включений графита прочностьи пластичность чугуна увеличиваются (высокопрочный чугун). Структура графита в чугунах большинства отливок формируется при кристаллизации чугуна, т.е. при затвердевании отливок.

Графит в чугуне классифицируют не только по форме, но и по размерам включений, его количеству (для пластинчатого и шаровидного графита) и распределению (пластинчатый графит) в структуре чугуна.

Графитизация

Графитизация (graphitization) – процесс образования графита в железоуглеродистых, никелевых, кобальтовых сплавах и др., в частности – в чугунах и сталях. Графитизация может иметь место в металлических сплавах, в которых углерод содержится в виде нестойких карбидов (химических соединений углерода с металлами).

Источник