Чугуны: роль углерода и кремния

Чугуны являются тройными сплавами железо-углерод-кремний. Основными видами чугунов являются:
– серые чугуны;
– белые чугуны;
– высокопрочные чугуны с шаровидным графитом;
– ковкие чугуны.

 

Углерод и кремний в чугунах

Углерод находится в основном в виде графита в серых и ковких чугунах, а также в высокопрочных чугунах с шаровидным графитом. В белых чугунах углерод присутствует в виде цементита Fe₃C.

На тип и форму углеродной фазы в чугунах влияет содержание кремния. Увеличение содержания кремния делает более трудным образование цементита и, тем самым, способствует формированию графита в серых, ковких и  высокопрочных чугунах.

Углеродный эквивалент для чугунов

При работе с чугунами часто применяют понятие углеродного эквивалента. Для чугунов углеродный эквивалент СЕ имеет следующий вид:

Рисунок ниже дает графическое представление о соотношении содержания углерода и кремния в различных типах чугунов.

Рисунок 1 – Интервалы содержания углерода и кремния
для различных типов чугунов и кремнийсодержащих сталей

Заметим, что пунктирная линия вверху рисунка показывает состав любого вида чугуна, для которого СЕ = 4,3 %. Пунктирная линия внизу рисунка отражает соотношение СЕ = 2,0 % – она отделяет кремнийсодержащие стали от чугунов.

Для ясности рассмотрим железоуглеродистый сплав – чугун, в котором вообще отсутствует кремний. Тогда этот сплав содержит только железо+углерод и его расположение на графике будет ограничено содержанием углерода 4,3 %. По фазовой диаграмме на рисунке 2 видно, что этот состав является в точности эвтектическим составом для сплавов железо-цементит и очень близок к эвтектическому составу сплавов железо-графит.

Рисунок  – Комбинированная фазовая диаграмма железо-графит и железо-цементит

Верхняя пунктирная линия на рисунке 1 является хорошей интерпретацией изменения эвтектического состава с увеличением содержания кремния железоуглеродистых сплавах. Вообще, если чугун имеет состав, который близок к эвтектическому, доля в них аустенитных дендридов будет очень небольшой. Это значит, что когда углеродный эквивалент СЕ в чугунах падает намного ниже 4,3 %, то объемная доля твердой фазы в виде дендридов возрастает. Аналогично, когда углеродный эквивалент СЕ приближается к 4,3 %, то возрастает доля эвтектической смеси – или аустенит + графит в серых чугунах, или аустенит + цементит в белых чугунах.

Таблица – Четыре основных типа чугунов

Свойства различных чугунов

 

Источник: John D. Verhoeven, Steel Metallurgy for Non-Metallurgists, 2007