Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталі

Сталь є багатокомпонентним сплавом, що містить вуглець і ряд постійних або неминучих домішок: Si, Mn, S, Р, N, Н и ін, що впливають на властивості. Присутність цих домішок порозумівається труднощами видалення частини з них при виплавці (Р, S), переходом їх у сталь у процесі її розкислення (Si, Mn) або із шихти — легованого металевого брухту (Ni, Cr і ін.). Цієї ж домішки, але у великих кількостях, присутні й у чавунах.

Вплив вуглецю. Структура сталі після повільного охолодження складається з двох фаз - фериту і цементиту.

Рис. 8.Вплив вмісту вуглецю на механічні властивості сталі (а) і кількість фериту (Ф) і Fe₃C (б)

 

Кількість цементиту зростає в сталі прямо пропорційна вмістові вуглецю (рис. 8,б). Наприклад, при змісті в сталі 0,37 % С кількість цементиту складає 5%, при 0,7% С 10% (рис. 8, б) і при 2,0 % С досягає 30%. Як указувалося вище, твердість цементиту ~ 1000 HV на порядок більше твердості фериту - 80-90 HV.

Частки цементиту підвищують опір рухові дислокацій, тобто підвищують опір деформації і, крім того вони зменшують пластичність і в'язкість. Унаслідок цього зі збільшенням у сталі вуглецю зростають твердість, тимчасовий опір, границя текучості, зменшуються відносне подовження, відносне звуження й ударна в'язкість (рис. 8, а). Підвищення змісту вуглецю полегшує перехід сталі в холодноламкий стан. Передбачається, що кожна 0,1 % С підвищує температуру порога холодноламкості приблизно на 20 °С и розширює перехідний інтервал від грузлого до тендітного стану. Ударна в'язкість (КСТ) при цьому знижується на кожні 0,1 % С на 0,1-0,2 МДж/м².

При вмісті в сталі вуглецю понад 1,0 - 1,1 % її твердість у відпаленому стані зростає, а тимчасовий опір зменшується. Останнє порозумівається виділенням по границях колишнього зерна аустеніту вторинного цементиту, що утворить у сталях зазначеного складу суцільну сітку. При іспиті на розтягання в цій сітці виникають високі напруги і цементит, будучи тендітним, руйнується. Це приводить до передчасного руйнування зразка і відповідно до зниження тимчасового опору.

Зі збільшенням змісту вуглецю в сталі знижується щільність, ростуть електроопір і коерцитивна сила і знижуються теплопровідність, залишкова індукція і магнітна проникність.

Вплив кремнію і марганцю. Вміст кремнію в вуглецевої сталі в якості домішки звичайно не перевищує 0,35-0,4%, а марганцю 0,5-0,8%. Кремній і марганець переходять у сталь у процесі її розкислення при виплавці. Вони розкисляють сталь, тобто, з'єднуючись з киснем закису заліза Fe, у виді окислів переходять у шлак; розкислення поліпшує властивості сталі. Кремній, дегазуючи метал, підвищує щільність злитка.

Кремній, що залишається після розкислення у твердому розчині (у фериті), сильно підвищує границя текучості. Це знижує здатність сталі до витяжки й особливо холодному висадженню. У зв'язку з цим у сталях, призначених для холодного штампування і холодного висадження, зміст кремнію варто брати зниженим.

Вплив сірки. Сірка є шкідливою домішкою в сталі. З залізом вона утворить хімічну сполуку Fe, що практично нерозчинна в ньому у твердому стані, але розчинна в рідкому металі. З'єднання Fe утворить із залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення 988°С. Ця евтектика утвориться навіть при дуже малих змістах сірки. Кристалізуючи з рідини по закінченні затвердіння, евтектика переважно розташовується по границях зерна. При нагріванні сталі до температури прокатки або кування (1000-1200°С) евтектика розплавляється, порушується зв'язок між зернами металу, унаслідок чого при деформації сталі в місцях розташування евтектики виникають надриви і тріщини. Це явище зветься красноламкість.

Присутність у сталі марганцю, що володіє великою спорідненістю до сірки, чим залізо, і утворюючого із сіркою тугоплавке з'єднання Mn, практично виключає красноламкість. У затверділій сталі частки Mn розташовуються у виді окремих включень. Сірчисті включення сильно знижують механічні властивості, особливо ударну в'язкість (KCU) і пластичність (δ, ψ) у поперечному напрямку витяжки при прокатці і куванні, а також границя витривалості. Робота зародження тріщини не залежить від змісту сірки, а робота розвитку тріщини КСТ зі збільшенням змісту сірки різко падає. Зварюваність і корозійну стійкість сірчисті включення погіршують. Вміст сірки і сталі строго обмежується, воно не повинно перевищувати 0,035-0,06 %.

Вплив фосфору. Фосфор є шкідливою домішкою, і зміст його в сталі допускається не більш 0,025-0,045 %.

Розчиняючи у фериті, фосфор сильно спотворює кристалічні ґрати, при цьому збільшуються тимчасовий опір і границя текучості, а пластичність і в'язкість зменшуються. Зниження в'язкості тим значніше, чим більше в сталі вуглецю. Фосфор підвищує поріг холодноламкості сталі і зменшує роботу розвитку тріщини. Сталь, що містить фосфор на верхній межі, для промислових плавок (0,045%) має роботу поширення тріщини в 2 рази меншу, чим сталь, що містить менш 0,005 % Р. Кожна 0,01 % Р підвищує поріг холодноламкості сталі на 20—25 °С.

Шкідливий вплив фосфору збільшується тим, що він має велику схильність до ліквації. Унаслідок цього в серединних шарах злитка окремі ділянки збагачуються фосфором і мають різко знижену в'язкість.. Сучасні методи одержання сталі не забезпечують глибокого очищення металу від фосфору.

Вплив азоту, кисню і водню. Азот і кисень присутні в сталі у виді тендітних неметалічних включень, наприклад окислів (Fe, Si₂, Аl₂O₃), нітридів (Al, Fe₄N) і ін., як тверді розчини, або у вільному виді; вони розміщуються в дефектних ділянках металу (раковинах, тріщинах і ін.). Домішки впровадження (азот, кисень), концентруючи в зерно граничних обсягах і утворити виділення нітридів і оксидів по границях зерен, підвищують поріг холодноламкості і знижують опір тендітному руйнуванню. Неметалічні включення (оксиди, нітриди, частки шлаків і т.п.), будучи концентраторами напруг, можуть сильно понизити, якщо вони присутні в значних кількостях або розташовуються у виді скупчень, границя витривалості і в'язкість руйнування K_1c.

Дуже шкідливим є розчинений у сталі водень, що сильно охрупчиває сталь, Поглинений при виплавці сталі водень не тільки охрупчиває сталь, але і приводить до утворення в катаних заготовках і великих куваннях флокенів. Флокени являють собою дуже тонкі тріщини овальної або округлої форми, що мають у зламі вид плям — хлоп`їв сріблястого кольору. Флокени різко погіршують властивості сталі. Метал, що має флокени, не можна використовувати в промисловості.

Вплив водню при зварюванні виявляється в утворенні холодних тріщин у наплавленому й основному металі. Нанесення на поверхню сталевих виробів гальванічних покрить або травлення в кислотах для очищення її зв'язано з небезпекою насичення сталі воднем, що також викликає охрупчування. Якщо водень знаходиться в поверхневому шарі, то він може бути вилучений у результаті нагрівання при 150—180 °С, найкраще у вакуумі (1-10~³ Па).

 

ЧАВУН

Сплав заліза з вуглецем >2,14 % називають чавуном. Присутність евтектики в структурі чавун1 (рис. 1) обумовлює його використання виняткове як ливарний сплав. Вуглець у чавуні може знаходитися у виді цементиту або графіту або одночасно у виді цементиту і графіту. Цементит додає зламові специфічний світлий блиск, тому чавун, у якому весь вуглець знаходиться у виді цементиту, називають білим. Графить додає зламові сірий колір, тому його називають сірим чавуном. У залежності від форми графіту й умов його утворення розрізняють наступні групи чавунів: сірий, високоміцний, з кулястим графітом і ковкий.

Процес графітизації

Утворення стабільної фази графіту в чавуні може відбуватися в результаті безпосереднього виділення його з рідкого (твердого) розчину або внаслідок розпаду попередньо утворився цементиту. Процес утворення в чавуні (сталі) графіту називають графітизацією.

Рис. 1.Діаграма стану Fe-С (стабільна)

 

Діаграма стану стабільної рівноваги сплавів Fe-С показана на рис. 1 (штрихові лінії відповідають виділенню графіту, а суцільні - цементиту). У стабільній системі при температурах, що відповідає лінії С'' кристалізується первинний графіт. При 1153°С (лінія Е'С'¹) утвориться графітна евтектика аустеніт + графить.

По лінії E виділяється вторинний графіт, а при 738 °С (лінія P'SK!) утвориться евтектоїд, що складається з фериту і графіту. Імовірність утворення в рідкій фазі (або аустеніті) метастабільного цементиту, що містить 6,67 % С, значно більше, ніж графіту, що складає тільки з атомів вуглецю. Графить утвориться тільки при дуже малій швидкості охолодження, коли ступінь переохолодження рідкої фази невелика. При переохолодженні рідкого чавуну нижче 1147 °С утвориться цементит.

Рис. 2. Структура графіту в сплавах Fe-С:

а - кристалічні ґрати; б - включення графіту, виділені з чавуну;

г - мікроструктура сірого чавуну (шліф не труєний), х100; в - структура феритного сірого чавуну, ×250

 

У рідкому чавуні присутні різні включення (графить, Si>2, AI₂O₃ і ін.). Ці частки полегшують утворення і ріст графітних зародків. При наявності готових зародків процес утворення графіту може протікати і при температурах, що лежать нижче 1147 °С. До цього ж приводить легування чавуну Si, що сприяє процесові графітизації.

Графить, що утворився з рідкої фази, росте з одного центра і, розгалужуючи в різні сторони, здобуває форму сильно скривлених пелюстків (рис. 2,6). У площині шліфа графить має вигляд прямолінійних або завихрених пластинок, що являють собою різні перетини графітних пелюстків (рис. 2,в).

При наступному повільному охолодженні можливе виділення графіту з аустеніту й утворення евтектоїдного графіту в інтервалі 738 - 727 °С {А→Ф+Г).

Основна маса графіту в сірих чавунах утвориться в період кристалізації з рідкої фази. Графить, що виникає при розпаді аустеніту, не створює самостійних виділень, а нашаровується на наявних включеннях, збільшуючи їхні розміри. Якщо аустеніт переохолоджений нижче 727 °С, то його розпад відбувається з виділенням феритно-цементитної структури. Якщо чавун, у якому вуглець знаходиться у виді цементиту, під дадуть тривалому нагріванню при високих температурах, у ньому також протікає процес графітизації, тобто розпад цементиту, на графіт і ферит при температурах нижче 738 °С або на графіт і аустеніт при більш високій температурі. Розпад при високих температурах відбувається шляхом розчинення цементиту в аустеніті і гетерогенному утворенні зародків графіту на вільних поверхнях аустеніту (усадочних і газових мікро порожнечах, усіляких несплошностях, скупченнях вакансій і т.д.). Ріст графітних утворень відбувається шляхом дифузії атомів вуглецю в аустеніті від границі аустеніт - цементит (при одночасному розчиненні цементиту в аустеніті) до границі аустеніт - графить. Цей процес супроводжується дифузією атомів заліза від поверхні графіту, що забезпечує можливість його росту. Графітизація при температурах нижче евтектоїдної протікає по тій же схемі шляхом дифузії вуглецю через ферит від границі фериту з цементитом до границі ферит - графить при одночасній дифузії атомів заліза від поверхні зростаючого графіту.

Сірий і білий чавуни

Сірий чавун (технічний) являє собою власне кажучи сплав Fе-Sі-С, що містить як неминучі домішки Mn, S і Р. У структурі сірих чавунів велика частина або весь вуглець знаходиться у виді графіту. Характерна риса структури сірих чавунів, що визначає багато їхніх властивостей, полягає в тім, що графить має в поле зору мікрошліфа форму пластинок (рис. 2,у, г). Найбільш широке застосування одержали доевтектоїдні чавуни, що містять 2,4 - 3,8 % С: чим вище зміст у чавуні вуглецю, тим більше утвориться графіту і тем нижче його механічні властивості. У зв'язку з цим кількість вуглецю в чавуні звичайно не перевищує 3,8 %. У той же час для забезпечення високих ливарних властивостей (гарної жидкотекучості) повинне бути не менше 2,4 % С.

Кремній, вміст якого в сірих чавунах знаходиться в межах 1,2 -3,5%, дуже впливає на будівлю, а отже, і на властивості чавунів, тому при вивченні структури-утворення в технічному чавуні варто користуватися не діаграмою стану Fе-С, а потрійною діаграмою Fе-Sі-С.

Охолодження чавуну в реальних умовах вносить істотні відхилення від умов рівноваги, тому по рівноважній діаграмі стану не можна судити про процес затвердіння і фазах, що виходять при цьому, і структурах у виробничих умовах. Структура чавуну у виливках залежить у першу чергу від хімічного, складу (вміст вуглецю і кремнію) і швидкості кристалізації.

Кремнії сприяє процесові графітизації, діє в тім же напрямку, що й уповільнення швидкості охолодження. Змінюючи, з одного боку, зміст у чавуні вуглецю і кремнію, а з іншого боку - швидкість охолодження, можна одержати різну структуру металевої основи чавуну. Структурна діаграма для чавунів, що показує, який повинна бути структура у виливку з товщиною стінки 50 мм, у залежності від змісту в чавуні кремнію і вуглецю, дана на рис. 4, а. При даному змісті вуглецю чим більше в чавуні кремнію, тим повніше протікає графітизація; чим більше в чавуні вуглецю, тим менше потрібно кремнію для одержання заданої структури.

 

Рис. 4.Структурні діаграми для чавунів: а — вплив С и Si на структуру чавуну; б — вплив швидкості охолодження (товщини виливка) і суми C + Si на структуру чавуну; у — залежність механічних властивостей (в_ж) чавуну різних марок від товщини виливка; I — білі чавуни; III—V— сірі чавуни

Рис. 5. Мікроструктура сірого чавуну, х500: а - перлітний чавун;

б - ферито-перлитний чавун; в - феритний чавун

 

У залежності від змісту вуглецю, зв'язаного в цементит, розрізняють:

1. Білий чавун, у якому весь вуглець знаходиться у виді цементиту Fe₃C. Структура такого чавуну - перліт, ледебурит і цементи.

2. Половинчастий чавун, велика частина вуглецю (~0,8%) знаходиться в Fe₃C. Структура такого чавуну - перліт, ледебурит і пластинчастий графіт¹.

3. Перлітний сірий чавун, структура (рис. 98, с) - перліт і пластинчастий графіт. У цьому чавуні 0,7 - 0,8 % Зі знаходиться у виді Fе_зС, що входить до складу перліту.

4. Феритно-перлітний сірий чавун, структура (рис. 5,б) - перліт, ферит і пластинчастий графіт. У цьомучавуні в залежності від ступеня розпаду евтектоїдного цементиту в зв'язаному стані знаходиться від 0,7 до 0,1% С.

5. Феритний сірий чавун, структура (рис. 5, в) - ферит і пластинчастий графіт. У цьому випадку весь вуглець знаходиться у виді графіту.

При даному змісті вуглецю і кремнію графітизація протікає тим повніше, ніж повільніше охолодження. У виробничих умовах швидкість охолодження зручно характеризувати по товщині стінки виливка; чим тонше виливок, тим швидше охолодження й у меншому ступені протікає графітизація (див. рис. 97, б).

Вміст кремнію треба збільшити у виливку невеликого перетину, що прохолоджується прискорено, або в чавуні з меншим вмістом вуглецю. У товстих перетинах виливків, що прохолоджуються повільніше, графітизація протікає повніше і вміст кремнію може бути менше. Кількість марганцю в чавуні не перевищує 1,25 -1,4%/ Марганець перешкоджає графітизації, тобто утрудняє виділення графіту і підвищує здатність чавуну до відбілювання - появі, особливо в поверхневих шарах, структури білого або половинчастого чавуну. Сірка відноситься до елементів, що сильно гальмують графітизацію, і викликає збільшення графітних пластинок. Сірка є шкідливою домішкою, що погіршує механічні і ливарні властивості чавуну. Тому її зміст обмежують до 0,1 - 0,2%. У сірому чавуні сірка утворить сульфіди (Fe, Mn) або їхні тверді розчини (Fe, Mn)S.

Вміст фосфору в сірому чавуні частіше 0,2 %, але іноді допускається навіть до 0,4 - 0,5 %. Фосфор не впливає на графітизацію. При підвищеному змісті фосфору в структурі чавуну утворяться тверді включення фосфідної евтектики: у сірих чавунах - подвійної (Ре₃Р + аустеніт), а в білий-потрійний (Fe₃C-f Fе_зP + аустеніт). Евтектика поліпшує ливарні властивості чавуну.

Механічні властивості чавуну обумовлені його структурою, головним чином графітної складової. Чавун можна розглядати як сталь, пронизану графітом, що відіграє роль надрізів, що послабляють металеву основу структури. У цьому випадку механічні властивості будуть залежати від кількості, величини і характеру розподілу включень графіту. Чим менше графітних включень, тим вони дрібніше і більше ступінь ізольованості їх, тим вище міцність чавуну. Чавун з великою кількістю прямолінійних великих графітних виділень, що розділяють його металеву основу, має грубозернистий злам і низькі механічні властивості. Чавун із дрібними і завихреними графітними виділеннями має більш високі властивості.

Пластинки графіту зменшують опір відривові, тимчасовий опір і особливо сильно пластичність чавуну. Відносне подовження при розтяганні сірого чавуну незалежно від властивостей металевої основи практично дорівнює нулеві (~0,5%). Графітні включення мало впливають на зниження тимчасового опору при стиску і твердості, величина яких визначається головним чином структурою металевої основи чавуну. При стиску чавун перетерплює значні деформації і руйнування має характер зрізу під кутом 45°. Руйнівне навантаження при стиску в залежності від якості чавуну і його структури в 3 - 5 разів більше, ніж при розтяганні. Тому чавун рекомендується використовувати переважно для виробів, що працюють на стиск.

Графит, порушуючи неперервність металевої основи, робить чавун малочутливим до всіляких концентраторів напруг (дефектам поверхні, надрізам, виточенням і т.д.). Унаслідок цього сірий чавун має приблизно однакову конструктивну міцність у виливках простої форми або з рівною поверхнею і складною формою з надрізами або погано обробленою поверхнею. Металева основа в сірому чавуні забезпечує найбільшу міцність і зносостійкість, якщо вона має перлітну структуру. Присутність у структурі фериту, не збільшуючи пластичність і в'язкість чавуну, знижує його міцність і зносостійкість. Найменшою міцністю володіє феритний сірий чавун. Сірий чавун маркірується буквами С - сірий і Ч - чавун (ДСТ 1412 - 79). Після букв випливають цифри, що вказують середню величину тимчасового опору при розтяганні (кгс/мм²). Сірі чавуни по властивостях і застосуванню можна розділити на наступні групи.

Феритні (СЧ10, СЧ15, СЧ18) і ферито-перлітні (СЧ20, СЧ25) чавуни мають при розтяганні а_в 100 - 250 МПа, при вигині 280 - 320 МПа (28—32 кгс/мм²). Їхній зразковий склад: 3,5 - 3,7% С; 2,0 - 2,6% Si; 0,5 -0,8% Мn; <0,3 % Р; <0,15% S. Структура чавунів - перліт, ферит і графить грубий (СЧ10, СЧ15) або середньої величини. Ці чавуни застосовують для мало відповідальних деталей, що випробують невеликі навантаження в роботі з товщиною стінки виливка 10 - 30 мм. Так, чавун СЧ10 використовують для будівельних колон, фундаментних плит, а чавуни СЧ15 і СЧ18 для литих мало навантажених деталей сільськогосподарських машин, верстатів, автомобілів і тракторів, арматури і т.д.

Перлітний чавун (СЧЗ0, СЧ35, СЧ40) застосовують для відповідальних виливків (станин могутніх верстатів і механізмів, поршнів, циліндрів, деталей, що працюють на знос в умовах великих тисків, компресорів арматури, деталей металургійного устаткування і т.д.) з товщиною стінки до 60— 100 мм*. Структура цих чавунів - дрібно еластичний перліт (сорбіт) із дрібними завихреними графітними включеннями. До перлітних чавунів відносяться так називані сталістий і модифікований чавун.

Сталісті чавуни (СЧ24, СЧ25). При виплавці цих чавунів у шихту додають 20-30 % сталевого брухту; чавуни мають знижений зміст вуглецю, що забезпечує одержання більш дисперсної перлітної основи з меншою кількістю графітних включень. Зразковий склад: 3,2-3,4 % З; 1,4-2,2% Si; 0,7-1,0% Мп; <0,2 % Р; <0,15 % S. Зміст кремнію в цих чавунах повинне бути достатнім для запобігання відбілювання чавуну.

Модифікований чавун (СЧ30, СЧ35, СЧ40 і СЧ45) одержують при додаванні в рідкий чавун перед розливанням спеціальних добавок - модифікаторів (графить, 75 %-ний феросиліцій, силікокальцій у кількості 0,3 - 0,8 % і т.д.). Модифікування застосовують для одержання в чавунних виливках з різною товщиною стінок перлітної металевої основи з украпленням невеликої кількості ізольованих пластинок графіту середньої величини. Модифікування найбільш ефективне при використанні чавуну визначеного складу і перегріві його перед модифікуванням до 1400 °С. Перегрів забезпечує здрібнювання графітних включень і сприяє одержанню більш щільних виливків. Модифікуванню піддають низьковуглецевий містить порівняно невелика кількість кремнію і підвищена кількість марганцю і, що має без уведення модифікатора структуру половинчастого чавуну, тобто ледебурит, перліт і графить. Зразковий хімічний склад чавуну: 2.2-3,2% С; 1,0-2,9% Si; 0,2- 1,1 % Мn; <0,2 % Р; <0,12 % S.

Для зняття ливарних напруг і стабілізації розмірів чавунні виливки відпалюють при 500-600 °С. У залежності від форми і розмірів виливка витримка при температурі відпалу складає від 2 до 10 год. Охолодження після відпала повільне, разом з піччю. Після такої обробки механічні властивості змінюються мало, а внутрішні напруження знижуються на 80-90%. Іноді для зняття напруг у чавунних виливках застосовують природне старіння чавуну - витримку їхній на складі протягом 6-10 міс; така витримка знижує напругу на 40-50 %.

Антифрикційні чавуни застосовують для виготовлення підшипників ковзання, втулок і інших деталей, що працюють при терті об метал, частіше в присутності змащення. Ці чавуни повинні забезпечувати низьке тертя (малий коефіцієнт тертя), тобто антифрикційність. Антифрикційні властивості чавуну визначаються співвідношенням перліту і фериту в основі, а також кількістю і формою графіту. Антифрикційні чавуни виготовляють наступних марок: АЧС-1; АЧС-2 і АЧС-3.

Деталі, що працюють у парі з загартованими або нормалізованими сталевими валами, виготовляють з перлітних сірих чавунів АЧС-1 і АЧС-2; для роботи в парі з термічно неопрацьованими валами застосовують перліто-феритні чавун АЧС-3. Перлітний чавун, що містить підвищену кількість фосфору (0,3-0,5%), використовують для виготовлення поршневих кілець. Висока зносостійкість кілець забезпечується металевою основою, що складається з тонкого перліту і рівномірно^* розподіленої фосфідної евтектики при наявності ізольованих виділень пластинчастого графіту.

Білий і вибілений чавун. Білий чавун унаслідок присутності в ньому цементиту має високу твердість, тендітний і практично не піддається обробці різанням, тому має обмежене застосування. Вибіленими називають чавунні виливки, у яких поверхневі шари мають структуру білого (або половинчастого) чавуну, а серцевина - сірого чавуну. Між цими зонами може бути перехідний шар. Відбілювання на деяку глибину (12-30 мм) є наслідком швидкого охолодження поверхні, що виникає в результаті виливка чавуну в металеві форми (кокіль) або в піщану форму.

Висока твердість поверхні 400-500 HV обумовлює гарну опірність проти зносу (особливо абразивного), тому з вибіленого чавуну виготовляють прокатні валки листових станів, колеса, кулі для млинів і т.д. У цьому випадку застосовують чавун зі зниженим вмістом кремнію, що схильний до відбілювання. Його зразковий склад: 2,8-3,6 % C; 0,5-0,8% Si; 0,4-0,6% Мn.