Роль часто используемых элементов в сером чугуне
1. Углерод и кремний. Углерод и кремний являются элементами, которые сильно способствуют графитизации. Углеродный эквивалент можно использовать для иллюстрации их влияния на металлографическую структуру и механические свойства серого чугуна. Увеличение углеродного эквивалента приводит к тому, что чешуйки графита становятся более грубыми, увеличиваются в количестве, уменьшаются прочность и твердость. Напротив, снижение углеродного эквивалента позволяет уменьшить количество графитов, рафинировать графит и увеличить количество первичных аустенитных дендритов, тем самым улучшая механические свойства серого чугуна. Однако снижение углеродного эквивалента приведет к снижению производительности литья.
2.Марганец: Марганец сам по себе является элементом, который стабилизирует карбиды и препятствует графитации. Обладает эффектом стабилизации и измельчения перлита серого чугуна. В диапазоне от Mn=0,5% до 1,0% увеличение количества марганца способствует улучшению прочности и твердости.
3. Фосфор: Когда содержание фосфора в чугуне превышает 0,02%, может возникнуть межкристаллитная эвтектика фосфора. Растворимость фосфора в аустените очень мала. Когда чугун затвердевает, фосфор в основном остается в жидкости. Когда затвердевание эвтектики практически завершено, состав оставшейся жидкой фазы между эвтектическими группами близок к тройному составу эвтектики (Fe-2%, C-7%, P). Эта жидкая фаза затвердевает при температуре около 955 ℃. Когда чугун затвердевает, молибден, хром, вольфрам и ванадий выделяются в богатую фосфором жидкую фазу, увеличивая количество фосфорной эвтектики. При высоком содержании фосфора в чугуне, помимо вредного воздействия самой фосфорной эвтектики, снижается содержание легирующих элементов, содержащихся в металлической матрице, тем самым ослабляется действие легирующих элементов. Эвтектическая жидкость фосфора образует кашеобразную массу вокруг эвтектической группы, которая затвердевает и растет, и ее трудно пополнить во время усадки при затвердевании, а отливка имеет большую тенденцию к усадке.
4.Сера: снижает текучесть расплавленного железа и увеличивает склонность отливок к горячему растрескиванию. Это вредный элемент в отливках. Поэтому многие думают, что чем ниже содержание серы, тем лучше. Фактически, когда содержание серы составляет ≤0,05%, этот вид чугуна не подходит для обычного модификатора, который мы используем. Причина в том, что прививка очень быстро портится, и на отливках часто появляются белые пятна.
5. Медь: Медь является наиболее часто добавляемым легирующим элементом при производстве серого чугуна. Основная причина заключается в том, что медь имеет низкую температуру плавления (1083 ℃), легко плавится и обладает хорошим легирующим эффектом. Способность меди к графитизации составляет примерно 1/5 от способности кремния, поэтому она может уменьшить склонность чугуна к белому отливу. В то же время медь также может снизить критическую температуру превращения аустенита. Следовательно, медь может способствовать образованию перлита, увеличивать содержание перлита, а также очищать перлит и укреплять перлит и феррит в нем, тем самым увеличивая твердость и прочность чугуна. Однако чем выше количество меди, тем лучше. Подходящее количество добавляемой меди составляет от 0,2% до 0,4%. При добавлении большого количества меди одновременное добавление олова и хрома вредно для производительности резания. Это приведет к образованию большого количества сорбитной структуры в матричной структуре.
6. Хром: Легирующий эффект хрома очень силен, главным образом потому, что добавление хрома увеличивает тенденцию расплавленного железа иметь белый оттенок, а отливка легко дает усадку, что приводит к образованию отходов. Поэтому количество хрома следует контролировать. С одной стороны, есть надежда, что расплавленный чугун содержит определенное количество хрома для улучшения прочности и твердости отливки; с другой стороны, содержание хрома строго контролируется на нижнем пределе, чтобы предотвратить усадку отливки и увеличение процента брака. Традиционный опыт гласит, что, когда содержание хрома в исходном расплавленном чугуне превышает 0,35%, это оказывает фатальное воздействие на отливку.
7. Молибден: Молибден является типичным элементом, образующим соединения, и сильным элементом, стабилизирующим перлит. Он может очищать графит. Когда ωMo<0,8%, молибден может измельчить перлит и укрепить феррит в перлите, тем самым эффективно улучшая прочность и твердость чугуна.
Следует отметить несколько проблем, связанных с серым чугуном.
1. Увеличение перегрева или удлинение времени выдержки может привести к исчезновению имеющихся в расплаве гетерогенных ядер или снижению их эффективности, уменьшению количества аустенитных зерен.
2.Титан обладает эффектом рафинирования первичного аустенита серого чугуна. Потому что карбиды, нитриды и карбонитриды титана могут служить основой зарождения аустенита. Титан может увеличить ядро аустенита и измельчить аустенитные зерна. С другой стороны, когда в расплавленном железе имеется избыток Ti, S в железе будет реагировать с Ti вместо Mn, образуя частицы TiS. Графитовое ядро TiS не так эффективно, как MnS. Поэтому образование эвтектического графитового ядра задерживается, тем самым увеличивая время выделения первичного аустенита. Ванадий, хром, алюминий и цирконий подобны титану в том, что они легко образуют карбиды, нитриды и карбонитриды и могут стать ядрами аустенита.
3. Имеются большие различия во влиянии различных модификаторов на количество эвтектических кластеров, которые располагаются в следующем порядке: CaSi>ZrFeSi>75FeSi>BaSi>SrFeSi. FeSi, содержащий Sr или Ti, оказывает меньшее влияние на количество эвтектических кластеров. Наилучший эффект оказывают инокулянты, содержащие редкоземельные элементы, причем эффект более значителен при добавлении в сочетании с Al и N. Ферросилиций, содержащий Al и Bi, может сильно увеличивать количество эвтектических кластеров.
4. Зерна графит-аустенитного двухфазного симбиотического роста, образующиеся с зародышами графита в центре, называются эвтектическими кластерами. Ядрами эвтектических кластеров также являются субмикроскопические агрегаты графита, остаточные нерасплавленные частицы графита, первичные чешуйчатые ветви графита, тугоплавкие соединения и газовые включения, которые существуют в расплавленном железе и могут быть ядрами эвтектического графита. Поскольку эвтектическое ядро является отправной точкой роста эвтектического кластера, количество эвтектических кластеров отражает количество ядер, которые могут вырасти в графит в эвтектической жидкости железа. Факторы, влияющие на количество эвтектических кластеров, включают химический состав, состояние ядра расплавленного железа и скорость охлаждения.
Большое влияние имеет количество углерода и кремния в химическом составе. Чем ближе углеродный эквивалент к эвтектическому составу, тем больше эвтектических кластеров. S – еще один важный элемент, влияющий на эвтектические кластеры серого чугуна. Низкое содержание серы не способствует увеличению эвтектических кластеров, поскольку сульфид в расплавленном чугуне является важным веществом графитового ядра. Кроме того, сера может уменьшить межфазную энергию между гетерогенным ядром и расплавом, так что можно активировать больше ядер. При W(S) менее 0,03% количество эвтектических кластеров существенно снижается и эффект модифицирования снижается.
При массовой доле Mn в пределах 2% количество Mn увеличивается и соответственно увеличивается количество эвтектических кластеров. Nb легко генерирует соединения углерода и азота в расплавленном железе, которое действует как графитовое ядро, увеличивая эвтектические кластеры. Ti и V уменьшают количество эвтектических кластеров, поскольку ванадий снижает концентрацию углерода; титан легко захватывает S в MnS и MgS с образованием сульфида титана, и его способность к зародышеобразованию не так эффективна, как у MnS и MgS. N в расплавленном железе увеличивает количество эвтектических кластеров. Когда содержание N меньше 350×10-6, это неочевидно. После превышения определенного значения переохлаждение увеличивается, тем самым увеличивая количество эвтектических кластеров. Кислород в расплавленном железе легко образует различные оксидные включения в виде ядер, поэтому с увеличением кислорода увеличивается количество эвтектических кластеров. Помимо химического состава важным влияющим фактором является состояние ядра эвтектического расплава. Поддержание высокой температуры и перегрева в течение длительного времени приведет к исчезновению или уменьшению исходного ядра, уменьшению количества эвтектических кластеров и увеличению диаметра. Модификационная обработка позволяет значительно улучшить состояние ядра и увеличить количество эвтектических кластеров. Скорость охлаждения оказывает весьма очевидное влияние на количество эвтектических кластеров. Чем быстрее охлаждение, тем больше эвтектических кластеров.
5. Количество эвтектических кластеров напрямую отражает толщину эвтектических зерен. В целом, мелкое зерно может улучшить характеристики металлов. При условии одинакового химического состава и типа графита с увеличением количества эвтектических кластеров прочность на разрыв увеличивается, поскольку листы графита в эвтектических кластерах становятся тоньше по мере увеличения числа эвтектических кластеров, что увеличивает прочность. Однако с увеличением содержания кремния число эвтектических групп существенно увеличивается, а прочность снижается; прочность чугуна увеличивается с увеличением температуры перегрева (до 1500℃), но в это время количество эвтектических групп значительно уменьшается. Связь между законом изменения числа эвтектических групп, вызванным длительной модификационной обработкой, и увеличением прочности не всегда имеет одинаковую тенденцию. Прочность, полученная при модифицированной обработке FeSi, содержащей Si и Ba, выше, чем у CaSi, но количество эвтектических групп у чугуна значительно меньше, чем у CaSi. С увеличением числа эвтектических групп увеличивается склонность чугуна к усадке. Чтобы предотвратить образование усадки мелких деталей, количество эвтектических групп следует контролировать ниже 300–400/см2.
6. Добавление в графитированные модификаторы легирующих элементов (Cr, Mn, Mo, Mg, Ti, Ce, Sb), способствующих переохлаждению, позволяет улучшить степень переохлаждения чугуна, измельчить зерна, увеличить количество аустенита и способствовать образованию перлит. Добавленные поверхностно-активные элементы (Te, Bi, 5b) могут быть адсорбированы на поверхности ядер графита, чтобы ограничить рост графита и уменьшить размер графита, чтобы достичь цели улучшения комплексных механических свойств, улучшения однородности и усиления организационного регулирования. Этот принцип был применен в практике производства высокоуглеродистого чугуна (например, деталей тормозов).
Время публикации: 05 июня 2024 г.
