Какое влияние оказывает сера марганец и фосфор на свойства чугуна

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

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.

Источник

Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси ( Si, Mn, P, S) , а иногда и легирующие элементы, затвердевает с образованием эвтектики. Чугун — важнейший первичный продукт чёрной металлургии (см. также Доменное производство), используемый для передела при производстве стали и как компонент шихты при вторичной плавке в чугунолитейном производстве. Чугун вторичной плавки – один из основных конструкционных материалов; Применяется как литейный сплав. Широкому использованию чугуна в машиностроении способствуют его хорошие литейные и прочностные свойства (по прочности некоторые чугуны лишь немногим уступают углеродистой стали; см. Модифицированный чугун}. В современном машиностроении на долю деталей из чугуна приходится около 75% от общей массы отливок.

Углерод оказывает большое влияние на свойства чугунов. Он может находиться в чугуне в виде цементита или графита или одновременно в виде цементита и графита. Чугун, в котором практически ,весь углерод находится в виде цементита, называется белым, а если в виде графита—серым чугуном.

Содержание углерода и форма выделения графита в серых чугунах также оказывают значительное влияние на их свойства. Поскольку графит обладает весьма малой прочностью, то в первом приближении графитовые включения в микроструктуре чугуна можно считать пустотами. Чем больше углерода в чугуне в виде графита, тем больший объем будут занимать пустоты и тем, следовательно, ниже механические свойства чугуна.

Кремний способствует графитизации чугуна и, следовательно, оказывает особенно большое влияние на его свойства. В чугунах обычно содержится 1,2…3,5% Si. Изменяя суммарное содержание углерода и кремния в чугуне, можно при прочих равных условиях получить различную структуру и свойства чугуна.

Марганецпрепятствует процессу графитизации и повышает способность чугуна к сохранению углерода в форме цементита, образуя карбиды. В чугунах содержится 1 … 1,5 % Мn.

Сера является вредной примесью; она ухудшает литейные свойства (понижает жидкотекучесть) и способствует отбеливанию чугуна. Содержание серы в чугуне для мелкого литья допускается не выше 0,08%, для крупного литья—не выше 0,10… 0,12 %. Вредное влияние серы на свойства чугуна в значительной степени нейтрализуется марганцем, образующим химическое соединение МnS, большая часть которого переходит в шлак.

Фосфор увеличивает жидкотекучесть чугуна благодаря образованию легкоплавкой тройной эвтектики FезР—FезС—Fе7, имеющей температуру плавления 950 °С. После затвердевания фосфитная эвтектика повышает твердость и износостойкость чугуна. Фосфор в чугунах содержится до 0,5 %.

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.

Источник