Большое влияние на процесс графитизации оказывает химический состав чугуна. Элементами, способствующими графитизации, являются C, Si, Ni, Cu и др. К отбеливающим, т.е. препятствующим этому процессу, относятся Mn, S, Cr, W и др.
Практически наиболее важными элементами, всегда входящими в состав чугунов, являются кремний и марганец. Изменяя в чугуне содержание кремния при постоянном содержании марганца, получают различное количество углерода в свободном виде, т.е. различную степень графитизации [1, с. 8].
Фактором, обуславливающим получение серого чугуна при кристаллизации, т.е. способствующим графитизации – выделению углерода в равновесном состоянии, является прежде всего малая скорость охлаждения. Уменьшение по той или иной причине скорости охлаждения (изменение материала формы, увеличение толщины стенки отливки) способствует большей степени графитизации, т.е. выделение большей части углерода в форме графита.
Степень графитизации определяет структуру металлической основы серого чугуна. В зависимости от того, какая часть углерода содержится в чугуне в связанном состоянии, различают чугуны с ферритной, феррито-перлитной и перлитной основами.
Таблица 1. Состав ферритных и ферритно-перлитных чугунов
| C | Si | Mn | S | P |
| 3,5 – 3,7% | 2,0 – 2,6% | 0,5 – 0,8% | < 0,15% | < 0,3% |
Структура чугунов – перлит, феррит и графит чаще в виде крупных выделений. Эти чугуны применяют для малоответственных деталей.
Перлитные чугуны (СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35) применяют для ответственных отливок.
Таблица 2. Состав перлитных чугунов
| C | Si | Mn | S | P |
| 3,2 – 3,4% | 1,4 – 2,2% | 0,7 – 1,0% | < 0,15% | < 0,2% |
Антифрикционные чугуны применяют для изготовления подшипников скольжения, втулок и других деталей, работающих при трении на метал, чаще в присутствии смазочного материала. Низкий коэффициент трения.
Таблица 3. Состав АЧС-1
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu |
| 3,2 – 3,6% | 1,3 – 2,0% | 0,6 – 1,2% | 0,15 – 0,4% | < 0,12% | 0,2 – 0,5% | 1,5 – 2,0% |
Таблица 4. Состав АЧС-2
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni |
| 3,2 – 3,8% | 1,4 – 2,2% | 0,3 – 1,0% | 0,15 – 0,4% | < 0,12% | 0,2 – 0,5% | 0,2 – 0,5% |
| Ti | Cu |
| 0,03 – 0,1% | 0,2 – 0,5% |
Таблица 5. Состав АЧС-3
| C | Si | Mn | P | Cu | Ti | S |
| 3,2 – 3,8% | 1,7 – 2,6% | 0,3 – 0,7% | 0,15 – 0,4% | 0,2 – 0,5% | 0,03 – 0,1% | < 0,12% |
Было оценено влияние марганцевого эквивалента на микроструктуру чугуна индукционной плавки. Статистическая обработка для чугунов с содержанием кремния 1.8–2.0% позволила выявить зависимости влияния марганцевого эквивалента на количество междендритного графита Кмд, % в структуре чугуна в следующем виде:
Кмд=343.24 Мэкв – 273.65 R=0.993 (1)
Для чугунов с содержанием кремния 0.8–1.1% данную зависимость можно представить в виде:
Кмд=138.68 Мэкв – 25.078 R=0.77 (2)
Несомненно, что значение марганцевого эквивалента также сказалось и на эксплуатационную стойкость изделий, изготовленных из чугуна.
Стойкость Ст кузнечных изложниц, полученных из чугуна индукционной плавки, оцененная в наливах, в зависимости от марганцевого эквивалента, описывается следующим регрессионным уравнением:
Ст=78.697 – 21.639 Мэкв R=-0.848 (3)
Также установлено, что увеличение марганцевого эквивалента отрицательно сказывается на трещиностойкость кокилей и крышек промежуточных ковшей машин непрерывной разливки стали (МНЛЗ).
Было выявлено, что для получения максимальной стойкости изделий необходимо иметь структуру чугуна преимущественно перлитную, с отсутствием цементитной составляющей. Ферритную составляющую микроструктуры необходимо также по возможности свести к минимуму. Количество междендритного графита в структуре чугуна необходимо ограничить 70%. Размер включений графита необходимо выдерживать в пределах 90–350 мкм [1, 3 и др.].
Получение указанной микроструктуры чугуна можно только введя «плавающий» химический состав при котором легирование чугуна кремний и марганецсодержащими ферросплавами производится только с учетом исходного содержания в чугуне ванадия.
Внедрение данного подхода позволило стабилизировать стойкость изделий, экономя при этом до 20 кг на тонну дорогостоящего ферросилиция.
Некоторые металлы, например железо, титан и олово, способны по достижении определенных температур заменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки. Так ОЦК железо, будучи нагрето до 911 0С, перестраивает кристаллическую решетку при этой температуре и становится ГЦК железо. Это строение сохраняется до 1392 0С, после чего решетка снова перестраивается и приобретает ОЦКстроение, сохраняя его вплоть до температуры плавления 1539 0С.
Данное явление получило название кристаллизации. Основной причиной кристаллизации является стремление любого вещества обладать минимальными запасами свободной энергии, которая изменятся в зависимости от абсолютной температуры Т по формуле:
F= U – TS, (4)
где U – внутренняя энергия
S – энтропия (термодинамическая функция)
Если у металла по достижении какой-то определенной температуры изменение типа кристаллической решетки обеспечивает снижение запасов свободной энергии, то такой металл претерпевает превращение.
Разные формы металла обозначают буквами греческого алфавита, при этом низкотемпературные модификации обозначают буквой ά, а последующие в порядке роста температуры – буквами β, γ,δ и так далее.
Наличие у металлов таких свойств имеет важное практическое значение, так как благодаря им у металла изменяются такие свойства, как плотность, способность растворять в своей решетке другие элементы.
В связи с этим именно благодаря кристаллизации сплавы на основе железа можно подвергать термической обработке для целенаправленного изменения их свойств [7, с. 158].
Коррозия металлов чаще всего сводится к их окислению и превращению в оксиды. В частности, коррозия железа может быть описана упрощенным уравнением
4Fe + 3O2 + 2H2О = 2Fe2O3·H2О, (5)
Коррозия металлов бывает сплошной и местной. Сплошная коррозия не представляет особой опасности для конструкций и аппаратов особенно в тех случаях, когда потери металлов не превышают технически обоснованных норм. Ее последствия могут быть сравнительно легко учтены. Значительно опаснее местная коррозия, хотя потери металла здесь могут быть и небольшими. Один из наиболее опасных видов местной коррозии – это точечная. Она заключается в образовании сквозных поражений, т.е. в образовании точечных полостей – так называемых питтингов. Местной коррозии благоприятствуют морская вода, растворы солей, в частности галогенидных (хлорид натрия, магния и др.). Опасность местной коррозии состоит в том, что, снижая прочность отдельных участков, она резко уменьшает надежность конструкций, сооружений, аппаратов [2, с. 38].
Проблема защиты металлов от коррозии возникла почти в самом начале их использования. Люди пытались защитить металлы от атмосферного воздействия с помощью жира, масел, а позднее и покрытием другими металлами и прежде всего легкоплавким оловом (лужением). В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) уже имеется упоминание о применении олова для защиты железа от коррозии.
Задачей химиков было и остается выяснение сущности явлений коррозии, разработка мер, препятствующих или замедляющих ее протекание. Коррозия металлов осуществляется в соответствии с законами природы и потому ее нельзя полностью устранить, а можно лишь замедлить. Имеется способ уменьшения коррозии металлов, который строго нельзя отнести к защите, – это легирование металлов, т.е. получение сплавов. Например, в настоящее время создано большое число нержавеющих сталей путем присадок к железу никеля, хрома, кобальта и др. Такие стали, действительно, не покрываются ржавчиной, но их поверхностная коррозия хотя и с малой скоростью, но имеет место. Оказалось, что при добавлении легирующих добавок коррозионная стойкость меняется скачкообразно. Установлено правило (правило Таммана), согласно которому резкое повышение устойчивости к коррозии железа наблюдается при введении легирующей добавки в количестве 1/8 атомной доли, т.е. один атом легирующей добавки приходится на восемь атомов железа. Считается, что при таком соотношении атомов происходит их упорядоченное расположение в кристаллической решетке твердого раствора, что и затрудняет коррозию. Одним из наиболее распространенных способов защиты металлов от коррозии является нанесение на их поверхность защитных пленок: лака, краски, эмали, других металлов. Лакокрасочные покрытия наиболее доступны для широкого круга людей. Лаки и краски обладают низкой газо- и паропроницаемостью, водоотталкивающими свойствами и поэтому препятствуют доступу к поверхности металла воды, кислорода и содержащихся в атмосфере агрессивных компонентов. Покрытие поверхности металла лакокрасочным слоем не исключает коррозию, а служит для нее лишь преградой, а значит, лишь тормозит коррозию. Поэтому важное значение имеет качество покрытия – толщина слоя, сплошность (пористость), равномерность, проницаемость, способность набухать в воде, прочность сцепления (адгезия). Качество покрытия зависит от тщательности подготовки поверхности и способа нанесения защитного слоя. Окалина и ржавчина должны быть удалены с поверхности покрываемого металла. В противном случае они будут препятствовать хорошей адгезии покрытия с поверхностью металла. Низкое качество покрытия нередко связано с повышенной пористостью. Часто она возникает в процессе формирования защитного слоя в результате испарения растворителя и удаления продуктов отверждения и деструкции (при старении пленки). Поэтому обычно рекомендуют наносить не один толстый слой, а несколько тонких слоев покрытия. Во многих случаях увеличение толщины покрытия приводит к ослаблению адгезии защитного слоя с металлом. Большой вред наносят воздушные полости, пузыри. Они образуются при низком качестве выполнения операции нанесения покрытия.