Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Серые чугуны

Структуры железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии

Различают три группы сплавов железа с углеродом: техническое железо, стали и чугуны.

Техническое железо – сплавы с содержанием углерода менее 0,02%, их структура: Ф+Ц_III (Рис. 20а).

Стали –сплавы с содержанием углерода от 0,02% до 2,14%С:

· доэвтектоидные стали, 0,02%<С<0,8%, их структура - Ф+П (Рис.20 б,в);

· эвтектоидная сталь содержит 08%С, структура - П (Рис.20 б,г);

· заэвтектоидные стали, 0,8%<%С<2,14%, структура - П+Ц_II (Рис.20 д,е).

Чугуны – сплавы с содержанием углерода от 2,14% до 6,67%С. Чугуны, в которых весь углерод находится в виде цементита, называют белыми:

· - доэвтектические белые чугуны, 2,14%<%С<4,3%, структура П+Л+Ц_II (Рис.20 ж);

· - эвтектический белый чугун, 4,3%С, структура – Л (Рис.20 з);

· - заэвтектические белые чугуны, 4,3%<%С<6,67%, структура – Л+Ц_I (Рис.20 и).

Белые чугуны из-за высокой хрупкости в промышленности не применяют, их используют для производства сталей и серых чугунов.

Чугуны, благодаря наличию эвтектики, обладают высокими литейными свойствами (жидкотекучестью).

В отличие от белых чугунов в серых чугунах углерод частично или полностью находится в виде графита. По составу серый чугун – это тройной сплав Fe-C-Si. Кремний способствует графитизации чугуна. Графит обеспечивает чугуну хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные и демпфирующие свойства, снижает чувствительность к надрезам, но понижает прочность и пластичность. В состав серого чугуна входят 2,4…3,5%С, 1,2…3,5%Si и постоянные примеси – Mn, P и S. Марганец затрудняет графитизацию (отбеливает чугун), но повышает механические свойства, фосфор улучшает жидкотекучесть, но увеличивает хрупкость, сера – ухудшает литейные и механические свойства. Изменяя содержание углерода, кремния и скорость охлаждения отливки можно получить разную структуру серого чугуна. Она состоит из металлической основы и графитных включений.

По металлической основе серые чугуны различают на:

· перлитный,

· феррито-перлитный,

· ферритный.

По форме графитных включений различают:

· серый литейный чугун с пластинчатым графитом;

· высокопрочный чугун с графитом шаровидной формы;

· ковкий чугун с графитом хлопьевидной формы.

Серый литейный чугун (рис.21) получают методом литья. Основными способами графитизации являются:

· медленное охлаждение отливки (малая степень переохлаждения, ΔТ < 6°С);

· легирование кремнием;

· модифицированием твердыми частицами Al₂O₃, SiO₂ или графита.

Чем больше содержание углерода в стали, тем выше её прочность и твёрдость, а пластичность и вязкость ниже (рис. 25). При содержании С>0,8% прочность падает из-за образования по границам зёрен хрупкой цементитной сетки (см. рис. 20 з).

Постоянные примеси попадают в сталь в процессе выплавки.

Полезные примеси: Mn от 0,3 до 0,8% и Si до 0,4%. Кремний повышает предел текучести, но снижает пластичность, марганец повышает прочность, не снижая пластичности.

Вредные примеси: сера, фосфор и газы (О₂, Н₂, N₂). Сера вызывает красноломкость – разрушение металла при горячей обработке давлением (1000…1200˚С). Марганец связывает серу в более тугоплавкое соединение MnS, предупреждая красноломкость. Фосфор способствует хладноломкости стали, каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости на 20…25˚С. Газы охрупчивают сталь.

ГЛАВА 6. Теория термической обработки