Легирование является одним из методов управления процессами образования структуры и формирования свойств чугуна. Оно позволяет измельчать первичные структурные составляющие, получать однородную микроструктуру продуктов распада переохлаждённого аустенита, заданные механические и специальные свойства. В табл. 1.1 приведён порядок величин концентрации некоторых легирующих элементов чугуна. Кроме этих элементов в промышленности используются специальные чугуны с добавками иттрия, теллура, бериллия, тантала.
Для достижения многих практических целей наиболее эффективно комплексное легирование двумя и более элементами.
В легированных чугунах проявляется особая чувствительность к содержанию в них скрытых примесей, источником которых могут быть шихтовые материалы, вводимые добавки, особенности металлургических процессов выплавки.
Таблица 1.1
Содержание элементов в легированных чугунах
| Назначение чугуна | Максимальное содержание элементов, % | |||||||||||||||
| Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V | Ti | W | Cu | Al | Nb | Zr | Sn | B | Sb | P | |
| Конструкционное литьё | 1,5 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 0,6 | 1,5 | 0,6 | 0,6 | 0,5 | 0,004 | 0,02 | 0,8 | ||||
| Специальное литьё | 2,0 | 0,8 | 0,2 | 2,5 |
Поскольку в процессе получения легированных чугунов заложены обычные промышленные методы плавки, то предпочтение должно быть отдано в этом случае использованию электропечей (табл. 1.2).
В общем случае отливки из легированных чугунов отличаются большой склонностью к образованию различных литейных дефектов. Многие из них связаны с наличием газов, особенно водорода.
Таблица 1.2.
Содержание газов в промышленных чугунах (см3/100 г) в зависимости от типа плавильного агрегата
| Плавильный агрегат | Содержание газов, см3/100 г | Всего | ||
| O | H | N | ||
| Вагранка | 1,7 | 2,7 | 6,2 | 10,6 |
| Электропечь дуговая | 1,1 | 2,0 | 6,6 | 9,7 |
| Индукционная тигельная печь | 1,1 | 2,3 | 3,7 | 7,1 |
Таким образом, одним из главных условий осуществления процесса легирования чугунов, являются гарантии получения отливок без литейных дефектов.
Легирующие элементы оказывают влияние на структуру и свойства чугуна в результате сложных физико-химических процессов, протекающих в жидком, затвердевающем и твёрдом его состоянии.
Образование структуры промышленных легированных чугунов происходит в условиях отличающихся от равновесных. Фазовый состав и особенно микроструктура легированных чугунов являются функцией многих переменных: способа получения сплава, степени перегрева расплава, условий заливки и охлаждения в форме и типа формы и др.
При легировании чугунов необходимо считаться с рядом особенностей поведения легирующих элементов и их влияния на природу образующихся фаз и их структурное обособление. К таким особенностям относятся:
- процессы перераспределения сил межатомных связей, происходящие в жидком растворе под влиянием легирующих элементов;
- изменение растворимости углерода;
- образование различных соединений легирующих элементов с углеродом, скрытыми примесями чугуна и между собой;
- изменение температурных и концентрационных интервалов образования и распада фаз.
Важная роль в формировании структуры и свойств легированных чугунов отводится высокоуглеродистым фазам. Углерод может быть как в свободном, так и в связанном виде. Это вызывает заметное затруднение при описании влияния легирующих элементов на процесс графитизации.