Влияние химического состава на свойства чугунов

Кремний в износостойких чугунах можно рассматривать как легирующий элемент, распределяющийся при кристаллизации между аустенитом и эвтектическим расплавом. Кремний повышает температуру эвтектической кристаллизации, расширяет интервал эвтектическо­го превращения и препятствуя переохлаждению, уменьшает влияние скорости охлаждения. Его содержание может находиться в пределах 0,3 - 2,0 %. Кремний очень сильно влияет на процесс формирования структуры отливок как в ходе затвердевания, так и при структурных изменениях в твердом состоянии. При обычных скоростях охлаждения отливок он практически целиком кон­центрируется в матрице (феррите). Увеличение содержания крем­ния в доэвтектических белых чугунах до 0,8 % приводит к повышению твердости и износостойкости.

Марганец способствует стабилизации аустенита и цементита. С углеродом марганец образует карбиды Мn₃С, Мn₇С₃ и Мn₂₃С₆, причем карбид Мn₃С изоморфен с карбидом Fe₃С и обра­зует c ним твердые растворы. В износостойких чугунах содержание марганца может достигать 10 %. Столь высокое содержание марганца в чугуне объясняется тем, что в структуре увеличивается доля остаточного аустенита. При ударно- абразивном изнашивании может происходить как упрочнение аустенита (наклеп), так и его фазовое превращение в мартенсит, что увеличивает износостойкость отливки в процессе её эксплуатации.

Хром является главным легирующим элементом группы белых износостойких чугунов. Он уменьшает растворимость углерода в a- и g- железе, увеличивает степень устойчивости твердого раствора и количество эвтек­тической составляющей. В a- железе хром имеет неограниченную растворимость, в g- железе растворяется до 12 % Сr. В чугунах даже при небольшом содержа­нии хрома образуется карбидная фаза цементитного типа, обога­щенная хромом. Его содержание в чугунах достигает 35 %. От содержания хрома и углерода в чугуне зависит тип образуемого карбида. Хром может частично замещать атомы железа в орторомбическом карбиде железа (Fe, Cr)₃C или образовывать карбиды хрома, в которых часть атомов хрома замещена железом: тригональный (Fe, Cr)₇C₃ и кубический (Fе, Cr)₂₃C_6.

При содержании хрома 12 - 24 % образуются карбиды М₇С₃, что способствует повышению твердости, прочности и износостойкости сплава. Дальнейшее увеличение содержания хрома снижает износостойкость сплава, так как в чугуне появляются крупные хрупкие иглы заэвтектических карбидов.

Никель в сплавах железа является элементом, стабили­зирующим аустенит, и характеризуется неограниченной растворимостью в g - железе. Многими исследованиями установлено, что влияние никеля на твердость и износостойкость белого чугуна подобно влиянию марганца. Осо­бенно сильное действие никель оказывает при содержании до 3 %. Никель применяется в высокохромистом износостойком чугуне. Он в сочетании с хромом настолько стабилизирует аустенит и снижает температуру мартенситного превращения, что металлическая основа представлена преи­мущественно аустенитом, а мартенсит и продукты диффузионного распа­да не образуются. Некоторое повышение твердости в этом чугуне достига­ется за счет дисперсионного твердения при выделении карбидов из пере­сыщенного хромоникелевого аустенита, но так как никеля в карбидах почти нет, его концентрация в g-фазе остается высокой и мартенситного превращения не наблюдается. Поэтому эксплуатационная стойкость отливок из таких чугунов, работающих в условиях износа при отсутствии ударных нагрузок, невысока.

Ванадий в белых чугунах образует самостоятельные карбиды (VС), которые характеризуются высокой температурой плавления (2830 °С) и высокой микротвердостью (более 30000 МПа).

Интерес к ванадию как компоненту износостойких сплавов связан с его способностью формировать структуры инвертированных эвтектик. При содержании в белом чугуне менее 3 % V он не меняет морфологию эвтектики. При больших содержаниях ванадия в структуре белого чугуна появляются участки эвтектики «аустенит - карбид ванадия», а при содержании >5 % V такая эвтектика полностью заме­няет ледебурит.

Колонии двойной аустенитно-ванадиевокарбидной инвертированной эвтектики имеют композитную структуру с волокнистыми включениями упрочняющей фазы (карбид ванадия). В пределах каждой эв­тектической колонии карбид ванадия образует жесткий каркас, армирующий более мягкую, пластичную и вязкую матрицу, со­стоящую из аустенита или продуктов его превращения. Эвтек­тические сферолитные колонии стыкуются друг с другом по мат­ричной оболочке, что предохраняет чугун от хруп­кого разрушения и увеличивает износостойкость.

Медь, практически не растворяясь в цементите и карбидах хро­ма, не оказывает существенного влияния на первичную структуру бе­лых износостойких чугунов. Ее действие сказывается на превращени­ях в твердом состоянии. Медью легируют хромомолибденовые и хромомарганцевые чугуны с целью увеличения прокаливаемости. Растворимость меди в железе ограничена.

Основная роль молибдена в белых чугунах заключается в увеличении их закаливаемости и прокаливаемости. Этим он способствует получению отливок с равномерной структурой по всему сечению. В хромистых чугунах молибден оказывает сильный кинетический эффект, задерживая перлитный распад аустенита. Молибден стимулирует также бейнитное превра­щение.Он повышает твердость мартенсита и при этом почти не влияет на положение точки начала мартенситного превращения.

Эффективность действия молибдена зависит от его содержания в ме­таллической основе чугуна. При концентрации его в чугуне 3 - 4 % может об­разоваться эвтектика А + Ме₂С, причем в карбидах Ме₂С содержание мо­либдена достигает 50 %, что резко снижает его содержание в матрице чугуна. Более благоприятным является образование карбида Ме₆С, в котором содержится 15 % Мо. Образованию таких карбидов соот­ветствуют концентрации молибдена в чугуне 4 % и более.

Титан вводят в чугун для повышения износостойкости. Обладая большим сродством к углероду, чем хром, молибден и ванадий, титан при кристаллизации расплава образует многочисленные карбиды, которые, являясь центрами кристаллизации, измельчают структурные составляющие чугуна. При этом карбиды титана отличаются высокой микротвердостью (более 30000 Мпа) и прочностью. Повышение износостойкости происходит за счет выделения устойчивых карбидов титана, размеры которых меньше размеров карбидов хрома, и они находятся, в основном, в виде изолированных включений. Образование специальных карбидов титана приводит к увеличению концентрации хрома в твердом растворе. Это способствует повышению износостойкости.

Бор, сурьму и кальций вводят в состав белых износостойких хромистых чугунов как микролегирующие и модифицирующие добавки.

Бор является поверхностноактивным элементом, способствует дегазации расплава, измельчению микроструктуры чугуна и оказывает упрочняющее воздействие. Бор способствует не только измельчению карбидной фазы, но и ее равномерному распределению и повышению микротвердости, что увеличивает износостойкость чугуна. При повышении содержания бора выше 0,15 % увеличивается количество боридов, что ведет к охрупчиванию сплава и снижению эксплуатационной стойкости.

Особенностью сурьмы как модификатора является ее влияние на кристаллизацию аустенита и эвтектическое превращение. Сурьма, сдвигая эвтектическую точку в сторону меньшего содержания углерода, увеличивает количество эвтектики и измельчает ее. Под влиянием оптимальных количеств сурьмы выравнивается скорость кристаллизации цементита в низколегированных чугунах, аустенита и карбидной фазы – в высоколегированных.

Модифицирующее влияние кальция заключается в устранении дендритной кристаллизации аустенита, увеличении количества эвтектики, уменьшении полей структурно свободного цементита. Кальций оказывает и рафинирующее действие на расплав чугуна, очищая его газов, серы, фосфора. Оптимальное количество кальция в чугуне (0,007-0,015) повышает износостойкость отливок.