Полезные и вредные примеси в чугуне
Промышленное значение имеет чугун с содержанием углерода от 2 до 4,3 % •
Углерод, являющийся важной составляющей, может находиться в чугуне в двух состояниях: в связанном с железом в виде цементита, в свободном в виде пластинчатого графита.
В чугуне содержатся также постоянные примеси кремния, марганца, серы и фосфора.
Кремний увеличивает жидкотекучесть, способствует разложению цементита (с выделением углерода в виде графита) и получению серого чугуна. В белом чугуне кремния содержится не более 2 %, а в сером от 1 до 4 %.
Марганец препятствует графитизации, образуя с углеродом карбиды Мп3С, способствует получению белого чугуна. Поэтому в белых чугунах марганца содержится от 1 до 3 %, а в серых не более 1,3 %
Сера является вредной примесью. Она понижает прочность, увеличивает хрупкость, ухудшает литейные свойства чугуна, так как придает ему пузырчатость и густотекучесть. Повышенное содержание серы вызывает красноломкость. Сера переходит в чугун в основном из топлива и в небольших количествах из руды. В чугуне серы должно быть не более 0,08%.
Фосфор понижает прочность и увеличивает хрупкость чугуна. Повышенное содержание фосфора вызывает хладноломкость металла. Содержание фосфора в чугунах, предназначенных для изготовления ответственных отливок, должно быть не более 0,2%. Одновременно фосфор улучшает литейные свойства чугуна, так как уменьшает усадку и увеличивает жидкотекучесть металла, а следовательно, способствует лучшему заполнению формы. Это позволяет получить из чугуна с повышенным содержанием фосфора тонкие отливки с чистой и гладкой поверхностью, что очень важно для художественного литья.
Белый и серый чугуны
Выплавленный в доменных печах чугун в зависимости от вида содержащегося углерода делится на белый , (передельный) и серый (литейный). Белым {передельным) называется чугун, в котором углерод находится в виде цементита, он имеет в изломе белый цвет (поэтому его называют белым), обладает высокой твердостью и хрупкостью, не поддается механической обработке. Серым, (литейным) называется чугун, в котором углерод находится в виде пластинчатого графита, он имеет в изломе серый цвет (поэтому его называют серым), обладает меньшей твердостью и хрупкостью, чем белый чугун, поддается механической обработке.
Белый чугун составляет около 80 % всех выплавляемых чугунов и идет в основном для переделки в сталь. По назначению он делится на три класса: мартеновский, предназначается для переделки в сталь в мартеновских печах, бессемеровский— для переделки в сталь в бессемеровских конвертерах, томасовский переплавляют в сталь в томасовских конвертерах.
Серый чугун хорошо сопротивляется сжимающим нагрузкам, нечувствителен к поверхностным дефектам и удовлетворительно сопротивляется усталостному разрушению, но из-за низкой пластичности и ударной вязкости его использование в качестве конструкционного материала ограничено.
В соответствии с ГОСТ 1412—79 различают следующие марки серого чугуна: СЧ00, СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ36-56, СЧ40-60, СЧ44-64.
Буквы в марке обозначают серый чугун, две первые цифры—-предел прочности на растяжение (кгс/мм2), две последние цифры — предел прочности при изгибе (кгс/мм2). В марке СЧ00 показатели прочности и твердости не определяются.
Механические свойства серого чугуна приведены в табл.12.
Все серые чугуны по содержанию фосфора делятся на гематитовые, обыкновенные и фосфористые.
Гематитовые чугуны выплавляются из чистых гематитовых руд, содержащих незначительное количество вредных примесей. Они содержат не более 0,1 % фосфора и применяются для ответственного литья.
Обыкновенные чугуны содержат до 0,3% фосфора и используются для менее ответственного литья, чем гематитовые.
Фосфористые чугуны содержат до 1,2% фосфора и применяются для литья, требующего тонкой, чистой и гладкой поверхности.
В судостроении из серого чугуна изготовляют гребные винты, дейдвудные трубы, детали арматуры, кнехты, киповые планки, роульсы и т. п.
Разновидностью серого чугуна является ковкий чугун. Это условное название более мягкого и вязкого чугуна, чем серый, получаемого из белого чугуна в результате длительного отжига. Ковкий чугун, как и другие чугуны, не куется. Существуют следующие марки ковкого чугуна по ГОСТ 1215—79: КЧЗО-6, КЧЗЗ-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.
Буквы в марке означают сокращенное название ковкий чугун, две первые цифры — предел прочности на растяжение (кгс/мм2), одна или две последние цифры — относительное удлинение (%).
Ковкий чугун обладает хорошими механическими свойствами и высокой стойкостью к коррозии. В судостроении из него изготовляют малонапряженные детали судового оборудования, дельные вещи и арматуру (детали клапанов и задвижек, иллюминаторы, дверные ручки и т. п.).
Модифицированный чугун получают путем введения в жидкий серый чугун перед разливкой специальных элементов, называемых модификаторами, например алюминия, кремния, кальция и др. Они увеличивают количество центров кристаллизации и, следовательно, измельчают графит. . Поэтому модифицированный чугун имеет повышенную прочность, лучшую стойкость против образования трещин и меньшую . хрупкость, чем обычные серые. Все высшие марки серого чугуна, начиная с СЧ28-48, получают методом модифицирования.
Высокопрочным называется серый чугун, содержащий шаровидный графит. Его получают введением в серый чугун магния, церия и висмута. Добавка их в расплавленный серый чугун, содержащий пластинчатый графит, превращает его в шаровидный. Высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем обычный серый, модифицированный и ковкий чугуны, а также среднеуглеродистая сталь (табл. 13). В настоящее время выплавляют следующие марки высокопрочного чугуна по ГОСТ 7293—79: ВЧ38-17, ВЧ42-12, ВЧ45-5, ВЧ50-2, ВЧ60-2, ВЧ70-3, ВЧ80-3, ВЧ100-4 и ВЧ120-4.
Буквы обозначают высокопрочный чугун, первые две цифры— предел прочности на растяжение (кгс/мм2), последние одна или две цифры — относительное удлинение (%).
В судостроении высокопрочные чугуны широко применяют вместо ковкого чугуна и среднеуглеродистой стали. Из них изготовляют различные судовые устройства, механизмы, дельные вещи и т. д. Наиболее распространен магниевый чугун, обладающий высокими механическими свойствами, что позволяет использовать его вместо ковкого чугуна при изготовлении ответственных деталей машин: коленчатых валов, картеров, шатунов и т. п., а также грузовых, зачистных, обогревающих и охлаждающих трубопроводов, дейдвудных труб, винтов регулируемого шага (ВРШ) и т. п.
Легированные чугуны
Легированными называются чугуны, в которые введены легирующие (облагораживающие) примеси, например хром, ванадий, молибден, никель, титан и др.
Легирующие элементы повышают прочность, твердость, износостойкость, коррозионную стойкость и другие механические, технологические и химические свойства чугунов.
Все легированные чугуны в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов делятся на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (свыше 10%).
Разновидности легированных чугунов имеют разные марки. Входящие в марку легирующие элементы обозначают буквами: Н—никель, X — хром, М — молибден, Т — титан, К — кобальт, В — вольфрам, Б — ниобий, Г — марганец, С — кремний, Ф — ванадий, Ю — алюминий, Д — медь. Цифры, стоящие после букв, указывают среднее содержание легирующих элементов в процентах. Если цифры нет, то данного легирующего элемента содержится около 1 %. Например, марка ЧН15Д7Х означает, что это высоколегированный чугун, в котором содержится никеля—15%, меди — 7% и хрома — около 1 %.
Изготовление легированных чугунов, обладающих целым рядом ценных свойств, относительно недорого, и поэтому область их применения непрерывно расширяется.
В зависимости от свойств легированные чугуны делятся на износостойкие, коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и др.
Износостойкими называются чугуны, обладающие высоким сопротивлением износу (истиранию), которое возникает при трении поверхностей, находящихся под нагрузкой. К износостойким чугунам относятся антифрикционные и фрикционные чугуны.
Антифрикционными называются износостойкие чугуны, обладающие низким коэффициентом трения. Из них изготовляют детали, работающие в условиях трения скольжения: подшипники скольжения и их вкладыши, грундбуксы, сальники и другие подобные детали.
Антифрикционные чугуны имеют марки по ГОСТ 1585—79: АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, АЧС-4, АЧС-5, АЧС-6, АЧК-1, АЧК-2, АЧВ-1, АЧВ-2 и др.
Буквы АЧ означают антифрикционный чугун, а буквы С, К и В — базовый чугун (серый, ковкий и высокопрочный), на основе которого он получен. Цифра — условный номер.
Кроме перечисленных марок применяют специальный антифрикционный пористый чугун марки АПЧ, получаемый введением в расплавленный чугун при его выплавке свинца, фосфора и углекислого калия (поташа). В результате затвердевший чугун становится пористым, что улучшает его антифрикционные свойства.
В качестве антифрикционных чугунов применяют также медистый чугун марок ЧМ-1,3, ЧМ-1,8 и др., в которых цифра указывает на содержание меди в процентах. Эти чугуны имеют хорошие антифрикционные свойства и выдерживают большие нагрузки.
Фрикционными называются износостойкие чугуны, имеющие высокий коэффициент трения. Из них делают тормозные устройства различных механизмов:
Все большее распространение в судостроении получают коррозионнно-стойкие чугуны (ГОСТ 11849—76), так как даже обычные чугуны обладают более высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и морской воде, чем углеродистые стали. Вводя в чугун более 12 % хрома и снижая содержание углерода, получают нержавеющий чугун. Высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, стойкостью к кавитации и износу в пароводяных средах обладают коррози-онно-стойкие чугуны марок ЧНХТ,ЧН1ХМД, ЧН15Д7Х2 и др.
Жаростойкими называются чугуны, стойкие против окисления и сохраняющие механические свойства при высоких температурах нагрева (свыше 750 К).
Многие высоколегированные жаростойкие чугуны являются одновременно и коррозионно-стойкими. Детали, работающие при высокой температуре нагрева без больших нагрузок, выгоднее изготовлять из жаростойких чугунов, чем из жаростойких сталей, так как стоимость их получения меньше.
В марках жаростойких чугунов (ГОСТ 7769—75) буквы ЖЧ обозначают жаростойкий чугун, последующие буквы обозначают легирующие элементы, а цифры.—среднее содержание легирующих элементов в процентах. Например, ЖЧНДХ-15-7-2 — это жаростойкий чугун, содержит никеля 15%, меди 7% и хрома 2 %, а остальное железо, углерод и другие примеси.
Существуют жаростойкие алюминиевые чугуны — чугаль и пирофераль. Они содержат большое количество алюминия и модифицированы магнием для получения шаровидного графита, коррозионно-стойки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется чугуном?
2. Какое влияние на свойства чугуна оказывают углерод, кремний, марганец, сера и фосфор?
3. Почему чугун для художественного литья должен иметь повышенное содержание фосфора?
4. Как делятся белые (передельные) чугуны и где их применяют?
5. Как делятся серые чугуны и где их применяют?
6. Почему одна из разновидностей серого чугуна получила название «ковкий чугун»?
7. Какими особыми свойствами обладают легированные чугуны?
Задание
Расшифруйте марки: СЧ32-52, КЧ50-4, ВЧ45-5, АЧС-2, АЧВ-1, АЧК-1, ЧМ-1,3, АПЧ, ЧН15Д7Х2, ЖЧС-5,5. Укажите области применения этих чу-гунов.
ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ
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.
Влияние примесей на свойства
стали и чугуна
Сталь — деформируемый
(ковкий) сплав железа с углеродом (и другими
элементами), характеризующийся эвтектоидным
превращением. Содержание углерода в стали
не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод
придаёт сплавам железа прочность и твёрдость,
снижая пластичность и вязкость.
Учитывая, что в сталь могут быть добавлены
легирующие элементы, сталью называется
содержащий не менее 45 % железа сплав железа
с углеродом и легирующими элементами
(легированная, высоколегированная сталь).
Чугу́н
— сплав железа с углеродом (содержанием
обычно более 2,14 %). Углерод в чугуне
может содержаться в виде цементита
и графита. В зависимости от формы
графита и количества цементита,
выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные
чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси
(Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие
элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун
хрупок.
Примеси могут
оказывать на свойства стали как
положительное, так и отрицательное
влияние, поэтому их делят на полезные
и вредные. Полезные примеси в основном
влияют на свойства кристаллов (зерен),
а вредные примеси ухудшают межкристаллитные
(межзеренные) связи.
В сталях большинства
марок главной полезной примесью является
углерод. Такие стали называют углеродистыми.
Содержание углерода в углеродистых сталях
чаще всего составляет 0,05—0,50%, но может
достигать 1% и более (теоретически до 2,14%).
В углеродистых сталях в качестве полезной
примеси также могут содержаться марганец
(0,3—0,6%) и кремний (0,15—0,3%). Содержание вредных
примесей, которыми обычно являются сера,
фосфор, кислород и азот, ограничивают
сотыми и тысячными долями процента.
Полезные
примеси: В первую очередь, это кремний
и марганец.
– Марганец:
Благодаря марганцу в стали повышается
прокаливаемость, а вредное воздействие
серы, наоборот, понижается.
– Кремний:
повышает прочность стали, раскисляя ее.
И фосфор, и
кремний вводится в сталь специально
при выплавке.
Вредные примеси:
К вредным примесям относятся сера и фосфор.
– Сера:
Влияние серы отрицательно сказывается
на пластичности и вязкости стали. Сталь
становится красноломкой при ковке и прокатке.
Но сера может влиять на сталь и положительно.
Она придает стали свойства, более оптимальные
для обработки. Поэтому, в некоторых случаях,
содержание серы все же допустимо (но только
в автоматических сталях неответственного
назначения). В стали сера появляется из
чугуна.
– Фосфор: Негативное влияние
фосфора сказывается на пластичности
стали. Это связано с тем, что тип кристаллической
решетки заметно фосфора заметно отличается
от стали. Фосфор содержится в руде, из
которой выплавляют сталь.
Отрицательно сказываются на качестве
стали и такие газы, как кислород, азот
и водород.
– Кислород:
уменьшает вязкость и пластичность стали.
– Азот: Имеет аналогичное действие.
– Водород: вызывает хрупкость
стали.
Эти примеси могут попадать в
сплав из природных соединений (руд),
например, сера и фосфор; из металлического
лома – хром, никель и др.; в процессе
выплавки и раскисления – углерод,
кремний и марганец. Углерод находится
главным образом в связанном состоянии
в виде цементита. В свободном состоянии
в виде графита он содержится в чугунах.
С увеличением содержания углерода в сталях
возрастают твердость, прочность и уменьшается
пластичность. Сера является вредной примесью.
Она образует легкоплавкую эвтектику
FeS + + Fe, которая при кристаллизации сплава
располагается по границам зерен и при
повторном нагреве расплавляется, что
приводит к образованию трещин и надрывов.
Это явление носит название красноломкости.
Содержание серы должно быть менее
0,06 %. Фосфор ухудшает пластические свойства
сплава, вызывая явление хладноломкости.
Его содержание в стали не должно
превышать 0,08 %. В чугуне допускается
до 0,3 % Р. Азот, кислород и водород
присутствуют в сплавах в составе
оксидов FeO, Si02, А1203, нитридов Fe4N или в свободном
состоянии, при этом они располагаются
в дефектных местах в виде молекулярного
и атомарного газов. Оксиды и нитриды служат
концентраторами напряжений и могут снижать
механические свойства (прочность, пластичность).
Водород растворяется в стали при расплавлении.
При охлаждении сплава растворимость
водорода уменьшается, он накапливается
в микропорах под высоким давлением и
может стать причиной образования внутренних
надрывов в металле (флокенов) и трещин.
Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый
сплав при его выплавке и в процессе раскисления.
Кремний повышает предел текучести и уменьшает
склонность к хладноломкости. Кремний
способствует графитизации чугуна. Марганец
образует твердый раствор с железом и
немного повышает твердость и прочность
феррита. Стали классифицируются по химическому
составу, качеству и назначению. По химическому
составу классифицируют главным образом
конструкционные стали, предназначенные
для изготовления деталей машин и металлических
конструкций. Конструкционные стали делят
на углеродистые и легированные. Углеродистые
стали могут быть низкоуглеродистые: С
0,09 … 0,25 %; среднеуглеродистые: С 0,25 … 0,45
% и высокоуглеродистые: С 0,45 … 0,75 %. Легированные
стали условно подразделяют на низколегированные
с содержанием легирующих элементов 2,5
%; среднелегированные – от 2,5 до 10 % и высоколегированные
– более 10 %.
Другие стали, например
инструментальные, с особыми физико-химическими
свойствами по химическому составу обычно
не классифицируются. По назначению стали
подразделяют на конструкционные, инструментальные
и стали и сплавы с особыми свойствами
– жаропрочные, кислотостойкие, износостойкие,
магнитные и др. По качеству различают
стали общего назначения, качественные,
высококачественные и особовысококачественные,
в последнем случае в маркировке указывается
способ выплавки и последующей обработки
стали. Под качеством стали понимают совокупность
свойств, определяемых металлургическим
процессом ее производства. Однородность
химического состава, строения и свойств
стали, а также ее технологичность во многом
зависят от содержания газов (кислорода,
водорода, азота) и вредных примесей – серы
и фосфора. Газы являются скрытыми количественно
трудноопределяемыми примесями, поэтому
нормы содержания вредных примесей служат
основными показателями для разделения
сталей по качеству. Стали обыкновенного
качества содержат до 0,05 % S и 0,04 % Р, качественные
– не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные
-не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особовысококачественные
– не более 0,015 % S и 0,025 % Р. Стали углеродистые
обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) обозначаются
индексом Ст и порядковым номером, например,
Ст1, СтЗ, Ст5. Чем выше номер в обозначении
стали, тем выше ее прочность и ниже пластичность.
Условные обозначения химических
элементов:
азот ( N ) – А
алюминий ( Аl ) – Ю
бериллий ( Be ) – Л
бор ( B ) – Р
ванадий ( V ) – Ф
висмут ( Вi ) – Ви
вольфрам ( W ) – В
галлий ( Ga ) – Гл
иридий ( Ir ) – И
кадмий ( Cd ) – Кд
кобальт ( Co ) – К
кремний ( Si ) – C
магний ( Mg ) – Ш
марганец ( Mn ) – Г
свинец ( Pb ) – АС
медь ( Cu ) – Д
молибден ( Mo ) – М
никель ( Ni ) – Н
ниобий ( Nb) – Б
селен ( Se ) – Е
титан ( Ti ) – Т
углерод ( C ) – У
фосфор ( P ) – П
хром ( Cr ) – Х
цирконий ( Zr ) – Ц
Углерод находится в стали обычно
в виде химического соединения Fe3C,
называемого цементитом. С увеличением
содержания углерода до 1,2% твердость,
прочность и упругость стали увеличиваются,
но пластичность и сопротивление удару
понижаются, а обрабатываемость ухудшается,
ухудшается и свариваемость.
Кремний, если он содержится в стали
в небольшом количестве, особого
влияния на ее свойства не оказывает.
При повышении содержания кремния
значительно улучшаются упругие
свойства, магнитопроницаемость, сопротивление
коррозии и стойкость против окисления
при высоких температурах.
Марганец, как и кремний, содержится
в обыкновенной углеродистой стали
в небольшом количестве и особого
влияния на ее свойства также не
оказывает. Однако марганец образует с
железом твердый раствор и несколько повышает
твердость и прочность стали, незначительно
уменьшая ее пластичность. Марганец связывает
серу в соединение MnS, препятствуя образованию
вредного соединения FeS. Кроме того, марганец
раскисляет сталь. При высоком содержании
марганца сталь приобретает исключительно
большую твердость и сопротивление износу.
Сера является вредной примесью.
Она находится в стали главным
образом в виде FeS. Это соединение
сообщает стали хрупкость при высоких
температурах, например при ковке, – свойство,
которое называется красноломкостью.
Сера увеличивает истираемость стали,
понижает сопротивление усталости и уменьшает
коррозионную стойкость.
В углеродистой стали допускается
серы не более 0,06-0,07%.
Увеличение хрупкости стали
при повышенном содержании серы используется
иногда для улучшения обрабатываемости
на станках, благодаря чему повышается
производительность при обработке.
Фосфор также является вредной
примесью. Он образует с железом
соединение Fe3P, которое растворяется
в железе. Кристаллы этого химического
соединения очень хрупки. Обычно они располагаются
по границам зерен стали, резко ослабляя
связь между ними, вследствие чего сталь
приобретает очень высокую хрупкость
в холодном состоянии (хладноломкость).
Особенно сказывается отрицательное влияние
фосфора при высоком содержании углерода.
Обрабатываемость стали фосфор несколько
улучшает, так как способствует отделению
стружки.
Легирующие элементы и их влияние
на свойства стали.
Хром – наиболее дешевый и распространенный
элемент. Он повышает твердость и прочность,
незначительно уменьшая пластичность,
увеличивает коррозионную стойкость;
содержание больших количеств хрома делает
сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость
магнитных сил.
Никель сообщает стали коррозионную
стойкость, высокую прочность и пластичность,
увеличивает прокаливаемость, оказывает
влияние на изменение коэффициента теплового
расширения. Никель – дорогой металл,
его стараются заменить более дешевым.
Вольфрам образует в стали очень
твердые химические соединения – карбиды,
резко увеличивающие твердость и красностойкость.
Вольфрам препятствует росту зерен при
нагреве, способствует устранению хрупкости
при отпуске. Это дорогой и дефицитный
металл.
Ванадий повышает твердость и прочность,
измельчает зерно. Увеличивает плотность
стали, так как является хорошим раскислителем,
он дорог и дефицитен.
Кремний в количестве свыше 1% оказывает
особое влияние на свойства стали: содержание
1-1,5% Si увеличивает прочность, при
этом вязкость сохраняется. При большем
содержании кремния увеличивается электросопротивление
и магнитопроницаемость. Кремний увеличивает
также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.
Марганец при содержании свыше
1% увеличивает твердость, износоустойчивость,
стойкость против ударных нагрузок, не
уменьшая пластичности.
Кобальт повышает жаропрочность, магнитные
свойства, увеличивает сопротивление
удару.
Молибден
увеличивает красностойкость, упругость,
предел прочности на растяжение, антикоррозионные
свойства и сопротивление окислению при
высоких температурах.
Титан повышает
прочность и плотность стали,
способствует измельчению зерна, является
хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость
и сопротивление коррозии.
Ниобий
улучшает кислостойкость и способствует
уменьшению коррозии в сварных конструкциях.
Алюминий
повышает жаростойкость и окалиностойкость.
Медь увеличивает
антикоррозионные свойства, она вводится
главным образом в строительную
сталь.
Церий повышает прочность и особенно пластичность.
Цирконий
оказывает особое влияние на величину
и рост зерна в стали, измельчает
зерно и позволяет получать сталь
с заранее заданной зернистостью.
Лантан, цезий,
неодим уменьшают пористость, способствуют
уменьшению содержания серы в стали,
улучшают качество поверхности, измельчают
зерно.
Свойства чугунов зависят от
их химического состава, т.е. от содержания
в них углерода, кремния, марганца,
фосфора, серы. Углерод, химически связанный
с железом, образует цементит FesC. Цементит
придает чугуну хрупкость, но значительно
повышает твердость. Такой чугун, имеющий
в изломе блестящий металлический оттенок,
называют белым. Белые чугуны не обрабатываются
режущим инструментом. Углерод в чугуне
может находиться в свободном состоянии
в виде графита. Цементит в таких чугунах
не образуется, поэтому их твердость значительно
ниже твердости белых чугунов; такие чугуны
хорошо обрабатываются резанием. Присутствие
графита придает чугуну в изломе серый,
матовый оттенок-чугун в данном случае
называют серым. Кремний способствует
выделению углерода в чугуне в виде графита,
улучшает литейные свойства чугуна, понижает
его твердость. Марганец препятствует
выделению углерода в чугуне в виде графита
и способствует образованию цементита,
поэтому повышает твердость чугуна и при
определенном содержании его увеличивает
прочность. Фосфор, соединяясь с железом,
образует легкоплавкую хрупкую и твердую
составляющую, которая располагается
по границам зерен чугуна, вследствие
чего у чугуна значительно повышается
хрупкость и твердость, увеличивается
износостойкость. Образующаяся легко
плавкая составляющая улучшает заполняемость
литейных форм жидким чугуном. Фосфор
вредная примесь в чугуне. Сера тормозит
выделение углерода в чугуне в виде графита.
Образуя по границам зерен чугуна хрупкую
составляющую, сера снижает механические
свойства, способствует образованию трещин
в отливках. Вредное влияние серы может
быть нейтрализовано повышенным содержанием
марганца, с которым сера легко образует
тугоплавкое соединение.
Фазовая диаграмма стабильного
равновесия Fe — С
Фазовая диаграмма состояния Fe —
С (стабильная) представлена на рисунке
выше (штриховые линии соответствуют выделению
графита, а сплошные — цементита). Температуры
плавления чугунов значительно ниже (на
300…400 °С), чем у стали.
Микроструктура чугунов 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). Серые чугуны
делятся на высокопрочные и ковкие.
Влияние химических элементов на свойства
чугуна.
Серый чугун:
Углерод: Повышенное содержание углерода
приводит к уменьшению прочности, твердости
и увеличению пластичности; углерод улучшает
литейные свойства чугуна
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