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

марганца наблюдается противоположная тенденция. Вероятно, отмеченные изменения положения темлературного режима отжига лежат© основе физической сущности влияния кремния и марганца. Сфероидизация цементита является диффузионным процессом. Вполне естественно, что если под влиянием того или иного фактора (в нашем случае — повышенной концентрации кремния) оптималь­ ный температурный режим смещается к более высоким температурам, то это приведет к заметному ускорению диффузионных процессов и сокращению длительности сфероидизации перлита. Смещение оптимального режи­ ма к более низким температурам (при повышении мар­ ганца) приводит к замедлению диффузионных процессов, что удлиняет сфероидизацию. Не следует, однако, пре­ небрегать и графитизирующим влиянием кремния. Оно проявляется главным образом вблизи графитовыхвключений, где сфероидизация перлита протекает быстрее, чем в удаленных участках металлической основы. Было отмечено также, что с повышением содержания кремния увеличивается разница в скоростях сфероидизации вбли­ зи и вдали от графитовых включений. Это свидетельст­ вует о том, что в графитизированных железоуглероди­ стых сплавах наряду со сфероидизацией перлита проис­ ходит и графитизирующий отжиг цементитных кристал­ лов. Относительная роль прафитизации тем больше, чем выше концентрация графитизирующих элементов.

Следует отметить и то, что когда сфероидизирующий отжиг перлита сернистых чугунов проводят по режиму рис. 46,в, то его длительность практически равняется длительности сфероидизации перлита обыкновенных ков­ ких чугунов. При этом, разумеется, проявляются и неко­ торые особенности. Главная из них состоит© более труд­ ном растворении цементитных кристаллов в аустените. Это показывает, что в случаесернистых чугунов темпера­ турные площадки должны располагаться градусов на 10 выше, чем для обыкновенных ковких чугунов. Указан­ ная особенность сернистых чугунов находит логическое объяснение с точки зрения повышенной концентрации се­ ры в граничных поверхностях феррит—цементит и аус­ тенит— цементит. Колебание температуры над и в ин­ тервале перлитного превращения вызываетнѳпрерывную аустенитизацию тех или иных микроучастков металличе­ ской основы. Скачкообразное уменьшение растворимости серы при переходе феррита в аустенит является самой

109

■важной причиной ее накопления в граничных поверхно­ стях отдельных фаз, что в свою очередыприводит к зат­ рудненному растворению цементита в процессе отжига.

В заключение необходимо подчеркнуть, что время — температурный режим сфероидизирующего отжита сле­ дует выбирать конкретно для каждого случая в зависи­ мости от химического состава, интервала перлитного превращения и т. д.

Существенно также значение гомогенности металли­ ческой основы. Неравномерность распределения легиру­ ющих элементов сопровождается большим расширением интервала перлитного превращения, что усложняет ре­ жим сфероидизирующего отжига, вызывая необходи­ мость в увеличении числа циклических нагревов и ох­ лаждений. Вот почему отжиг должен предусматривать выдержку, достаточно длительную для полной гомогени­ зации металлической основы. Согласно проведенным ис­ следованиям, равномерное распределение легирующих элементов обеспечивает улучшение структуры и свойств ковкого чугуна с перлитной металлической основой.

Глава VI

ЛИТЕРІНЫЕ СВОЙСТВА КОВКОГО ЧУГУНА

Номенклатура отливок из ковкого чугуна чрезвычайно разнообразна. Значительная часть их характеризуется тонкостенностью, сложностью конфигурации, высокими требованиями в отношении плотности, механических свойств и т. д. Обеспечение этих требований немыслимо без удовлетворительных литейных свойств рассматрива­ емого материала. Несмотря на это, указанные свойства ковкого чугуна сравнительно редко привлекали внима­ ние исследователей. Между тем установленные А. А. Бочваром зависимости литейных свойств от диаграммы состояния .показывают, что по жидкотекучести, склон­ ности к объемной и линейной усадке, к напряжениям ковкий чугун значительно уступает другим железоуглеро­ дистым сплавам (серым, модифицированным идругим чугунам). Это свидетельствует о то'м, что технологи долж­ ны учитывать влияние различных факторов на литейные свойства ковкого чугуна, так как только от их умения

ПО

воздействовать на эти факторы зависят наши возможно­ сти изменять указанные свойства ,в желаемом направ­ лении.

ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ

Жидкотекучесть чугуна, так же как и других метал­ лов и сплавов, является сложной функцией многих фак­ торов. Они зависят как от физических параметров само­ го металла (вязкости, поверхностного натяжения и пр.), так и от особенностей литейной формы (шероховатости, теплопроводности, газотворности). В настоящее время нет общепринятой методики исследования жидкотекуче­ сти. Большинство исследователей успешно используют так называемую спиральную пробу. Несмотря на недос­ татки, она получила самое широкое распространение. Ее количественные оценки с достаточной для практики точностью определяют способность металла заполнять сложные очертания литейной формы. С помощью этой пробы получены зависимости, которые показаны ниже.

Среди факторов, определяющих жидкотекучесть рас­ сматриваемых сплавов, большое значение имеет темпера­ тура заливки и углеродный эквивалент. Зависимость жидкотекучести от температуры заливки показана на рис. 50. Для большей наглядности здесь же схематично

представлен и участок, характеризующий соответствую­ щие линии ликвидуса и оолидуса железоуглеродистой

диаграммы. Пунктирной линией на нем показано место­ положение исследуемого чугуна. В интервале температур 1360—1370°С зависимость жидкотекучесть—температу­ ра характеризуется некоторым перегибом, выше которого наклон кривой к абсциссе несколько меньше. Наличие такого перегиба было обнаружено и .при исследовании жидкотекучести чугунов с более высоким углеродным эк­ вивалентом [77]. Нетрудно заметить, что температурный интервал, соответствующий перегибу, располагается нем­ ного выше температуры ликвидуса (на 50—60град). Это дает основание утверждать, что он связан о изменениями, наступающими при перегреве жидкого металла (более полное растворение примесей, в том числе и остатков графита, всплывание части неметаллических включений и пр.) [78]. Разумеется, температура перегиба на кривой жидкотекучести железоуглеродистых сплавов зависит прежде всего от их местоположения на диаграмме со­ стояния; она понижается с увеличением звтектичности чугуна.

Влияние углерода и'соответствующего ему углеродно­ го эквивалента на жидкотекучесть чугуна показано на рис. 51 [77]. В отличие от общепринятых представлений

[78]о соответствии между максимумом жидкотекучести

иэвтектическим составом (СЭцВ= 4,3), у чугунов наи­

леродным эквивалентам [79]. В наших исследованиях

тонкостенной спиральной пробе, с помощью которой по­ лучена указанная зависимость, сильно отличаются от равновесных условий, при которых построена диаграмма состояния. Ускоренная кристаллизация приводит кполу­ чению целого ряда квазиэвтектических структур. В соот­ ветствии с этим эвтектическая структура получается не только в чугунах эвтектического состава, но и в чугунах с несколько большим либо мёныпим содержанием углеро­ да в сравнении с эвтектической концентрацией. Поэтому отклонение максимума на кривой жидкотекучести от эв­ тектического состава не означает несоответствия с эвтек­

112

тической концентрацией. Исследования микроструктуры спиральных проб (см. рис. 51) показывают, что в данных условиях кристаллизации квазизвтектические структуры характерны для чугуновс Сэкв = 4,2-=-4,7. Таким образом, максимуму жидкотекучести соответствует квазиэвтекти­ ческая структура. Следует полагать, что смещение мак­ симума жидкотекучести в направлении правой границы квазиэвтектическаго интервала связано с воздействием углерода на физические параметры жидкого чугуна (по­ верхностное натяжение, склонность к переохлаждению и пір.).

Влияние кремния, марганца, меди, фосфора и серы на жидкотекучесть белого чугуна показано на рис. 52*. Ко-

Р и с . 52. В л и я н и е С и , S i, Р , S н М п н а ж и д к о т е к у ч е с т ь к о в к о г о ч у г у н а

личѳства указанных элементов соответствуют их обыч­ ным содержаниям в ковком чугуне. Как и следовало ожидать, максимальной опособностью к повышению жид­ котекучести обладает фосфор. Это связано с тем, что фосфор понижает температурный интервал кристаллиза­ ции чугуна и формирует низкоплавкую тройную эвтекти­ ку. Довольно энергично воздействует и повышение крем­ ния. Еговлияниевызвано смещением эвтектической точки влево. Медь незначительно повышает жидкотекучесть рассматриваемых сплавов. Отдельно следует остановить­ ся на .влиянии марганца и серы. Как известно, мнения исследователей о воздействии указанных элементов про­ тиворечивы [79]. Объясняется это тем, что в зависимости от фактического их содержания они могут оказывать ли­ бо не оказывать заметного влияния на жидкотекучесть железоуглеродистых сплавов. Отрицательное влияние се-

* В принципе аналогичное влияние оказывают элементы и на Жидкотекучесть серого чугуна [7 8 ].

из

ры связало главным образом с формированием тугоплав­ ких неметаллических включений типа MnS, присутствие которых приводит к некоторому понижению жидкотеку­ чести. Очевидно, чем больше этих ‘включений, тем ниже жидкотекучесть чугуна.

Что касается остальных легирующих элементов (хро­ ма, никеля, молибдена, вольфрама и др.), их или нет в ковком чугуне, или их содержание не превышает сотых долей процента. В таких количествах они не оказывают заметного влияния на жидкотекучесть железоуглероди­ стых сплавов.

Большой производственный опыт в сочетании с систе­ матическими исследованиями показывает, что, изменяя температуру заливки и содержание углерода (ів допусти­ мых пределах), литейщики могут легко обеспечить необ­ ходимую жидкотекучесть для качественной заливки са­ мых сложных отливок из ковкого чугуна.

ЛИНЕЙНАЯ УСАДКА

Усадка металла наряду с его жидкотекучестью и ха­ рактером первичной кристаллизации определяет получе­ ние качественной отливки заданной конфигурации и на­ значения. С усадкой связаны основные процессы, проис­ ходящие при формировании отливок: образование уса­ дочных раковин и пористости, уменьшение линейных раз­ меров, возникновение напряжений и трещин, коробление

отливок и пр. От величины и характера протекания ли­ нейной и объемной усадки металла зависят в основном технологические приемы получения пригодной отливки.

Согласно утвердившимся теоретическим представле­ ниям, в процессе охлаждения отливкиіразличаюттри ви­ да усадки: усадку жидкого металла (еж) , усадку при за­ твердевании (е3) и усадку в твердом состоянии (ет). Об­ щая объемная усадка (е0) равна сумме еж+ ез+ ет.

Каждый из этих видов усадки влияет на тепли иные особенности получения отливок. Усадка жидкого метал­ ла и усадка при затвердевании оказывают решающее влияние на величину усадочных раковин. Усадка в твер­ дом состоянии определяет конечные размеры отливок, склонность к напряжениям, горячим и холодным трещи­ нам и пр. К сожалению, в настоящее время нет достаточ­ но надежной методики определения усадки жидкого и за­ твердевающего металла, поэтому встречающиеся в лите­

114

ратуре данные можно рассматривать лишь только как приближенные.

Величина объемной усадки в жидком состоянии опре­ деляется перегревом металла над линией ликвидуса и ко­ эффициентом объемной усадки (а,к)- Основное влияние на аж оказывает содержание углерода. Принято считать, что для доэвтектического чугуна апі— (90+30С) 10-е,сде С — содержание углерода, % [80].

Остальные элементы (в тех количествах, в которых они присутствуют в ковком чугуне) не оказывают замет­ ного влияния на объемную усадку. Помимо термического сжатия, иа усадку влияет газосодержание чугуна. Повидимому, газовыделение при охлаждении жидкого ме­ талла несколько увеличивает объемную усадку.

Усадка при затвердевании связана главным образом

сизменением агрегатного состояния. Теоретически изме­ нение объема в процессе кристаллизации металла или оплава есть величина постоянная, так как она іпротекаег всегда в определенном температурном интервале. При этом большое значение имеет интервал кристаллизации,

сувеличением которого усадка растет. В реальных усло­

виях в интервале между линиями ликвидуса и солидуса в большей или меньшей степени протекают процессы графитизации, газовыделения и т. д. Они обусловливают до­ полнительные изменения объема, а следовательно, и усадку чугуна при затвердевании. Затвердевание белого чугуна всегда связано с уменьшением объема, величина

Значительно полнее изучена линейная усадка. Физи­ ческие представления, положенные в основу ее понима­ ния, основываются на теории А. А. Бочвара [81]. Послед­ няя является логическим развитием двух положений: 1) основной и практически единственнойиричиной линей­ ной усадки в горизонтальном направлении является тер­ мическое сжатие в твердом состоянии и 2) температурой начала линейной усадки для чистых металлов является температура плавления, а для сплавов —температура об­ разования оплошного скелета в промежутке между ли­ ниями ликвидуса исолидуса. Указанная температура де­ лит область двухфазового состояния (жидкого и твердо-

115

го) на две принципиально различные часта. Верхнюю часть можно характеризовать как область жидкого со­ стояния, содержащую частицы твердой фазы, нижнюю — как область твердого состояния, содержащую частицы жидкой фазы в форме изолированных включений. Такое деление определяется не количественным соотношением жидкости и твердой фазы, а свойствами материала в каждой из названных областей. Выше границы начала линейной усадки, т. е. до образования сплошного остова отливки, сплав обладает основным свойством жидкости —■ принимать форму сосуда, в котором он заключен. Ниже указанной границы отливки обладают основным свойст­ вом твердого тела—сохранять приданную ему форму. Дальнейшие исследования.[82] показали, что нет основа­ ний механически переносить эти принципиальные поло­ жения на поведение реальных отливок, так как кристал­ лизация металлов в литейной форме протекает от поверх­ ности к центру отливок при наличии определенного тем­ пературного градиента. Благодаря ему поверхностные слои отливок затвердевают быстрее, чем внутренние. Оче­ видно, в таких случаях начало линейной усадки связано прежде всего с состоянием поверхностных слоев. Другой существенной особенностью начала линейной усадки от­ ливок является необходимость преодоления трения меж­ ду отливкой и поверхностными слоями формы, вызванно­ го сцеплением металла с формовочной смесью. Все это показывает, что начало линейной усадки отливок не яв­ ляется чисто физическим свойством металлов них спла­ вов, а технологическим свойством, связанным с влияни­ ем литейной формы.

Экспериментальные данные показывают, что состоя-

Расстояние от поверхности,м м

не