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

неравномерность расширения зависит от соотношения между толщиной и длиной отливок. Увеличение диамет­ ра образцов до 25—30 мм приводит к более равномер­ ному расширению во всех направлениях. Изменения в размерах отливок при графитизирующем отжиге очень чувствительны к .плотности. Исследования показывают (рис. 60), что при прочих одинаковых условиях более вы­

сокая плотность белого чугуна вызывает большее расши­ рение при распаде цементита. В данном случае большое значение имеет и наклон кривых. Сравнение каждой из

них с теоретической зависимостью показывает, что в на­ чальном периоде графитизации распад цементита вызы­ вает меньшее расширение, чем в середине и в конце про­ цесса. При этом разница тем больше, чем меньше плот­

ность отливок. Практически одинаковый наклон зависи­ мости расширение —разложенный цементит в той части, которая показывает распад последних 50% цементита, свидетельствует о том, что .разница в пористости отливок не приводит к заметной разнице в их расширении при распаде вторичного и эвтектоидного цементита. Этот факт имеет не только практическое, но и теоретическое значение.

Рассматриваемые зависимости находят удовлетвори­ тельное объяснение, если принять, что объемный эффект разложенияпервых порций цементита реализуется преи­ мущественно в .порах отливок. Иными словами, формиро­ вание графитовых центров и их последующий рост про­ исходят в неплотных участках металлической основы.

Поэтому распад цементита в этом периоде приводит к незначительному расширению отливок. Эти данные в принципе согласуются с [72]. Существенное влияние на изменение размеров отливки в процессе графитизирую-

щего отжига оказывает и состав чугуна (табл. 31). Фак­ тическое содержание углерода не влияет на объемные и линейные изменения во второй стадии графитизации. Это объясняется тем, что содержание указанного элемента в перлите исследуемых чугунов практически одинаково и не зависит от общего содержания углерода. Неожидан­

ным является только то, что относительное увеличение размеров опытных' образцов тем меньше, чем выше со­ держание углерода в чугуне. Следуетпредполагать, что эта зависимость вызвана неплотностью ледебурита в граничных участках аустенита и цементита. .

123

увеличением углерода их суммарный объем увеличива­ ется, так как при этом увеличивается и количество ледебурита. По всей вероятности, часть объемного эф­ фекта графитизации расходуется на заполнение этих не­ плотностей. Отсюда и относительное уменьшение объем­ ных и линейных изменений. Табл. 32 иллюстрируетвлияниекремния на расширение отливок. Исследования пока­ зали, что оно вполне объяснимо послойностью. Речь идет о том, что графитизация поверхностных слоев опережает графитизацию сердцевины. Чем сильнее выражена послойность, тем больше линейное расширение в отливках при их отжиге. Наибольшеевлияниепослойностинаблю­ дается при содержании кремния от 1,6 до 1,7%.

Остальные примеси в чугунах, в частности Мп и S, не оказывают заметного влияния на изменение размеров при графитизирующем отжиге.

Итак, мы видим, что линейные и объемные изменения в отливках при распаде цементита являются результатом сложных взаимодействий многих факторов, среди кото­ рых наиболее существенны плотность, состав и условия проведения графитизирующего отжига.

УСАДОЧНЫЕ РАКОВИНЫ

Усадочные раковины, усадочная пористость и другие неплотности усадочного происхождения в ковком чугуне формируются в процессе затвердевания отливок. Своим

124

образованием они обязаны тому, что суммарная усадка металла в жидком состоянии (е>к) и во время затверде­ вания (е3) оказывается больше, чем усадки наружных размеров отливок за тот же период времени (ет). В свя­ зи е этим іпри'прочих одинаковых условиях объем усадоч­ ных раковин возрастает с увеличением усадки тем боль­ ше, чем больше усадка жидкого и затвердевающего ме­ талла и меньше усадка твердой наружной корки. Вовре­ мя плавкий нагрева металлы, в том числе и чугуны, спо­ собны в большей или меньшей степени поглощать газы. В процессе последующего охлаждения и особенно в пе­ риод кристаллизации отливок растворимость газов резко падает. При этом значительная часть их не успевает выйти на поверхность металла и заполняет имеющиеся в металле усадочные районины, поры и рыхлости. Вслу­

чае пересыщѳнности металла газами выделение ихпроисходит настолько интенсивно и в таком количестве, что сосредоточенная усадочная раковина может вовсе отсут­ ствовать и даже наблюдается явление роста металла. Особо следует остановиться на влиянии интервала кри­ сталлизации на объем и характер усадочных раковин. Как показали исследования А. А. Бочвара [81], распре­ деление величины объемной усадки между раковиной и пористостью есть функция температурного интервала кристаллизации. Для сплавов, затвердевающих при по­ стоянной температуре и обладающих высокой жидкоте­ кучестью, характерна более концентрированная усадоч­ ная раковина, а для сплавов, затвердевающих в.широком интервале температур, нормальной является рассеянная междендритная и внутридендритная пористость. Поэтому чем больше степень эвтектичности чугуна, тем более концентрированной оказывается усадочная раковина.

После этих общих рассуждений рассмотрим наиболее существенные зависимости, характерные для усадочных раковин в ковком чугуне. Рассмотрим преждевсего кине­ тику формирования усадочных раковин в сочетании с на­ растанием затвердевания слоя от поверхности к теплово­ му центру и начальные этапы линейной усадки до окон­ чательного затвердевания отливок. В наших исследова­ ниях было установлено, что кинетику указанных процес­ сов удобно рассматривать с помощью пробы в форме параллелепипеда (65X65X150 мм) [84], показанной на рис. 61. Механическим датчиком проводилось непрерыв­ ное измерение линейной усадки по длцне .проб, Пневма-

125

тическим датчиком фиксировались изменения в располо­

формировании раковины в ней возникало отрицательное

давление, непрерывно возраставшее до конца кристалли­ зационного процесса. Таким образом, показания мано­ метра фиксировали и кинетику формирования раковины. Некоторые характерные зависимости, полученные из этих экспериментов, показаны на рис. 62, а, б. Как и сле­

довало ожидать, крис­ таллизация начинается с поверхности пробы. Поверхностные слон

затвердевают к концу второй минуты. Затем начинается линейная усадка. Значительно позже (по истечении пятой минуты) мано­ метр фиксирует разре­ жение, что свидетель­ ствует о возникновении концентрированной усадочной раковины.

Вслед за этим начина­ ется ускоренное пере-

126

движение боковых вертикальных плоскостей, связанное, с формированием поверхностных раковин. С окончани­ ем кристаллизационного процесса закапчивается и об­ разование внутренних и внешних усадочных рако­ вин. Ту же пробу использовали и при уточнении влияния химического состава, условий заливки и литейной формы на усадочные раковины. По­ лученные -результаты .влияния постоянных примесей чу­ гуна показаны на рис. 63. Повышение содержания угле-

/ — п о в е р х н о с т н ы е р а к о в ш іы ; 2 — у с а д о ч н а я п о р и с т о с т ь ; 3 — к о н ц е н т р и р о в а н ­ н а я р а к о в и н а ; 4 — о б щ и й о б ъ е м у с а д о ч н ы х р а к о в и н

рода и кремния увеличивает и общий объем усадочных раковин и их разновидности (поверхностные раковины, рассеянная пористость, концентрированные усадочные раковины). Такое изменение углерод вносит в усадку металла в жидком состоянии [84]. Что касается кремния, то с его влиянием прежде всего связано понижение теп­ лопроводности металла. При принятых колебаниях в со­ держании элементов углерода и кремния (ів пределах наиболее часто встречающихся составов ковкого чу­ гуна) основными компонентами общей усадочной ра­ ковины являются усадочная пористость и концентриро­ ванные усадочные раковины. Колебания в содержании серы и марганца имеют место в весьма узких пределах (см1, рис. 63), поэтому они и не оказывают заметного влияния на объем усадочных раковин. Повышение тем­ пературы заливки увеличивает общий объем усадочных раковин (табл. 33) преимущественно за счет увеличения концентрированных усадочных и связанных с ними по­ верхностных раковин. Такое влияние температуры залив-

127

Ки жидкого металла согласуется С вышеуказанной завш симестью соотношения концентрированных и рассеянных усадочных раковин от автектичности сплавов. Повыше­ ние температуры заливки неіприводитк изменению поло-

Таблица 33

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУР ЗАЛИВКИ НА УСАДОЧНЫЕ РАКОВИНЫ КОВКОГО ЧУГУНА (2,83% С; 0,87% Si; 0,51% Mn; 0,68% Р)

жения чугуна на диаграмме Fe — С. Эвтектичность его остается .постоянной. Растет лишь температурный гра­ диент между только что затвердевшими поверхностны­ ми слоями отливок и их жидкой сердцевиной, что ведет к большей концентрированной усадочной раковине и вызванному этим увеличению поверхностных раковин.

С общими закономерностями формирования усадоч­ ных раковин (концентрированная, рассеянная, поверх­ ностная, общая) согласуются приведенные ниже дан­ ные о влиянии трех наиболее часто встречающихся на практике литейных форм: сырой песочной, сухой песоч­ ной и металлической.

Наименьшая склонность к образованию усадочных раковин наблюдается при затвердевании в сухих песоч­ ных формах, а наибольшая—в металлических. Иначе говоря, чем выше охлаждающая способность форм, тем больше и объем усадочных раковин. При этом, как и в предыдущем случае, общий объем усадочных раковин растет преимущественно за счет концентрированных. Указанная зависимость вызвана величиной темпера­ турного градиента, возникающего между затвердевшей поверхностной оболочкой и внутренней частью отливок.

128

Более высокая охлаждающая способность металличес­ кой II сырой песочных форм повышает градиент в боль­ шей степени, чем сухая песочная форма. Это и приводит к повышенному объему концентрированной усадочной и поверхностной раковин.

СКЛОННОСТЬ К НАПРЯЖЕНИЯМ И ФОРМИРОВАНИЮ ГОРЯЧИХ И ХОЛОДНЫХ ТРЕЩИН

Кристаллизация ковкого чугуна по метастабильному варианту железоуглеродистой диаграммы и последую­ щий графитизирующий отжиг вызывают необходимость в самостоятельном рассмотрении склонности к напря­ жениям белого и ковкого чугунов. Несмотря на одина­ ковый состав, для этих материалов характерны вслед­ ствие структурных различий разные термические коэф­ фициенты, неодинаіюс модули упругости и т. д.

Это определяет іразличную склонность отливок к напря­ жениям II формированию горячих и холодных трещин [80]. Говоря о напряжениях в отливках, мы имеем в виду утвердившуюся в литейной практике терминологию, классифицирующую напряжения в зависимости от при­ чин, которые их обусловливают, как усадочные, терми­ ческие и фазовые. Напряжения классифицируются еще в зависимости от объема, в котором они уравновеши­ ваются. Согласно этой классификации, различаются на­ пряжения 1, 2 и 3-го рода. Они уравновешиваются соот­ ветственно в объеме всей отливки, в объеме отдельных кристаллов іи в объеме одной или нескольких кристал­ лических решеток. Внимание исследователей до сих пор было направлено в основном на напряжения 1-го рода. Что же касается напряжений 2-го и 3-го рода, то они практически не изучены.

Несмотря на большое разнообразие методик опреде­ ления напряжений, наибольшее применение в литейной практике находит метод усадочной решетки. Этим мето­ дом мы пользовались и в наших исследованиях. Значе-