Файл: Тодоров, Р. П. Структура и свойства ковкого чугуна.pdf

1* Зак. 737

ПРЕДИСЛОВИЕ

Ковкий чугун является распространенным машиностро­ ительным материалом. Его применение в промышленно­ сти непрерывно расширяется.

Это обусловлено несомненным преимуществом ковко­ го чугуна по основным литейным (жидкотекучесть, ли­ нейная усадка) и технологическим свойствам по сравне­ нию с литыми сталями. Существенные успехи науки и практики определяют перспективы дальнейшего расши­ рения возможностей применения ковкого чугуна. В этой связи чрезвычайно плодотворным представляется вклад советских исследователей Н. Г. Гиршовича, И. Н. Бога­ чева, К- И. Ващенко, К. П. Бунина, Д. П. Иванова, М. А. Криштала, А. А. Жукова, И. И. Хорошева и мно­ гих других. Следует отметить несомненные заслуги зарубежных ученых В. Саквы, И. Пясковокого, С. Дра­ пала, Л. Софрони, П. Лорена, М. Ферри, Д. Помэ и др.

Ускоренный рост использования ковких чугунов вы­ зывает необходимость в дальнейшем усовершенствовании технологических процессов. Очевидны необходимость улучшения состава, разработка предварительных обра­ боток, оптимального режима графитизирующего отжига, изучение возможностей эффективного воздействия на литейные, механические и иные свойства ковких чугунов. Несмотря на множество исследований, эти вопросы все еще остаются дискуссионными. В представленной моно­ графии нашли отражение результаты многочисленных экспериментов и наблюдений, проведенных автором и его сотрудниками (Народная Республика Болгария). Значительный вклад в эти работы внесли М. Николов, А. Градинаров, Т. Алексиева, С. Мечкова, Д. Коларов,

щаяся литейных свойств и структурного распределения элементов, осуществлена совместно с сотрудниками ка­ федры литейного производства при Киевском политех­ ническом институте Г. И. Котовник и В. В. Жижченко. Автор выражает им большую признательность. Особен­ но автор благодарит заслуженного деятеля науки и тех­ ники, докт. техн. наук проф. К. И. Ващенко (СССР), возглавившего целый ряд совместно проведенных ис­ следований в области литейных свойств чугунов и распределения элементов в структуре железоуглероди­ стых сплавов.

4

Глава /

СТРУКТУРА БЕЛЫХ ЧУГУНОВ В ЛИТОМ СОСТОЯНИИ

Производство ковкого чугуна состоит из двух неразрыв­ но связанных между собой технологических процессов: получения отливок из белого чугуна определенного сос­ тава -и последующего графитизирующего отжига их. От качественного проведения этих процессов зависит окон­ чательная структура, а следовательно, и свойства отливопс.

ХИМИЧЕСКИЙ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ КОВКОГО ЧУГУНА

Технические ковкие чугуны— это многокомпонент­ ные сплавы, содержащие, как правило, не менее 8—10 компонентов1:

2,3—3% С; 0,8—1,4% Si; 0,3—0,7% Mn; <0,18% S; <0,15% Р; <0,07% Cr; 0,007—0,01% N; 0,001— 0,006% 0;<0,0015% H. Иногда наряду с традиционными (постоянно сопутствующими) элементами в ковком чу­ гуне могут присутствовать медь, никель, ванадий и др. По содержанию углерода и кремния рассматриваемый сплав относится к доэвтектическим чугунам с коэффи­ циентом эвтектичности Сэвт= 2,5ч-3,3. Несмотря на сложность состава, железоуглеродистая диаграмма до­ вольно точно описывает процессы кристаллизации и пос­ ледующих превращений до комнатной температуры; при этом, разумеется, следует учитывать изменения, которые вызывают присутствующие элементы.

В результате превращений в ковком чугуне возника­ ют следующие основные фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, .мартенсит, цементит и графит, характеристики которых приведены ниже.

Жидкий раствор. Рассматривается как кондесионированная фаза с плотной упаковкой атомов, не облада­ ющей дальним порядком. При температурах, близких к температуре кристаллизации, в жидком растворе имеют­ ся устойчивые микрогруппировки, аналогичные по струк­ туре и составу аустениту и графиту [1—3]. В зависимо­

1 В большинстве случаев в ковкий чугун в качестве модифика­ торов вводят еще А1, В, Ві и др.

5

сти от температуры жидкого чугуна и его состава общее содержание графита этих группировок может колебать­ ся от сотых до нескольких десятых процента [1,4]. Наши

по составу ковким чугунам, показывают, что в этом слу­

Феррит. Твердый раствор углерода и легирующих элементов в a-железе. Имеет кубическую объемноцентрированную решетку (рис. 1, а). Максимальная раство­ римость углерода в феррите при 723°С достигает 0,025%. Его -механические свойства характеризуются сравнитель­ но низкой прочностью ( о п = 25 кгс/мм2) и высокой плас-

Рис. 1. Элементарные кристаллические решетки: о — a -железо; б — уж елезо; в — мартенсит

6

ті'ічностыо (6^50% ). До температуры 768°С феррит яв­ ляется ферромагнитной фазой.

Аустенит. Твердый раствор углерода н легирующих элементов .в у-железе. Имеет гранецентрированную ку­ бическую решетку (рис. 1, б). Максимальная раствори­ мость углерода при 1147°С 2,06%- При комнатной тем­ пературе ов=50ч-80 кгс/'Мм2, Н В— 1704-200. Кристал­ лы аустенита отличаются высокой пластичностью и малой склонностью к хрупкому разрушению.

Мартенсит. Пересыщенный a-твердый раствор. Угле­ род (выше нормально растворимого) деформирует о>бъемноцентрированную решетку и превращает ее в тетра­ гональную (рис. I,ö). Содержание растворенного угле­ рода определяет степень тетрагональное™ решетки и свойства мартенсита. Для него характерна высокая склонность к хрупким разрушениям.

Цементит. Согласно утвердившимся представлениям, цементит относится к химическим соединениям. Его сос­ тав (93,33% Fe и 6,67% С) отвечает формуле Fe3C. Есть, однако, немало оснований рассматривать цементат и как сложный твердый раствор, в котором атомы железа и углерода .могут замещаться другими атомами. В техни­ ческих ковких чугунах из-за наличия примесей формиру­ ется легированный цементит, содержащий, кроме железа и углерода, марганец, хром и другие примеси [(Fe, Mn)3C, (FeCr)3C и пр.].

Кристаллическая решетка 'цементита орторомбична (рис. 2). В ее элементарную решетку входят 12 атомов

5

Рас. 2. Строение кристаллической решетки цементита (а) и ее эле­ мент (б)

7

железа и 4 атома углерода. Большими и маленькими кружками обозначены соответственно атомы железа и углерода. При температуре 20°С решетка имеет следую­

щие параметры: а = 4,5144 А, Ь = 5,0787 А, с = 6,7297 А.

Вопрос о характере межатомных связей в цементите дис­ куссионен. Обычно говорят об их металлическом харак­ тере, т. е. предполагают, что углерод теряет свои валент­ ные электроны и превращается в катион С4+ с устойчи­ вой 1S2 электронной оболочкой. Существует и противо­ положная концепция [5 ]— атом углерода привлекает к себе два электрона и превращается в анион С2-, кото­ рый взаимодействует с ионом железа посредством кова­ лентных связей. Есть также .мнение о комплексно-метал­ лическом характере рассматриваемых межатомных свя­ зей [6].

Цементит — твердое и хрупкое вещество. Твердость цементита обычно колеблется в пределах 70—75 HRC. В последние годы вопрос о влиянии различных факторов на твердость цементита приобрел дискуссионный харак­ тер.

Появились исследования, .показывающие, что твер­ дость указанной фазы зависит от вида термической об­ работки и условий охлаждения чугуна от аустенитного состояния до комнатной температуры [7, 8]. Имеются и другие исследования, показывающие, что твердость це­ ментита не зависит от термической обработки железо­

3,8% Si, образуется еще одна фаза — железокремнистый карбид (силикокарбид). При тепловом травлении силикокарбид остается светлым, в то время как цементит, окисляясь, окрашивается в темно-коричневый цвет. Атом­ ная структура и состав силикокарібида изучены недоста­ точно. Согласно некоторым данным [6], силикокарбид

8