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

142

на различиями в зернистости металлической основы. Влияние некоторых технологических факторов (темпера­ туры перегрева, длительности выдержки и температуры заливки) показано ниже:

Видно, что как перегрев жидкого металла, так и его выдержка в жидком состоянии ведут к некоторому по­ нижению прочности и удлинения ковких чугунов. Анало­ гично влияние повышенных температур заливки. Причи­ ны такого влияния технологических факторов еще не выяснены. По всей вероятности, они связаны как с плот­ ностью отливок, так и с особенностями графитизирующего отжига, с различиями в количестве графитовых вклю­ чений; размерами зерен и т. д. Дело в том, что и пере­ грев жидкого металла, и его выдержка в жидком состоя­ нии ведут к уменьшению числа графитовых зародышей, возникающих в процессе последующего графитизирующего отжига [83].

Остановимся на влиянии неоднородности структуры по сечению отливок. Мы имеем в виду наличие так назы­ ваемой перлитной оторочки в структуре ковких чугунов с ферритной металлической основой. В наших исследова­ ниях было показано, что ширина этой оторочки изменяет­ ся обычно в зависимости от химического состава и усло­ вий отжига отливок ів пределах 0,1—0,5 мм. В отдельных случаях она достигает одного и более миллиметров (см. рис. 70). Следует отметить, что в практике нередко пре­ небрегают влиянием перлитной оторочки на удлинение и прочность отливок. Объясняется это тем, что механиче­ ские свойства ковких чугунов обычно определяют стан­ дартными пробами, толщина которых (диаметр равен

144

16 мм) мало чувствительна к сравнительно тонкому слою перлитной структуры. Однако не следует забывать, что преобладающая часть отливок из ковкого чугуна харак­ теризуется тонкостенностыо. Здесь относительная часть перлитной структуры в общем сечении отливок может доходить до нескольких десятков процентов (из-за ото­ рочки), что и определяет значительное влияние отороч­

ковких чугунов как износостойкого материала. Это дает дополнительные возможности еще более широкого при­ менения их в качестве конструкционных материалов.

Глава VIII

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СВОЙСТВ КОВКОГО ЧУГУНА

Ковкий чугун все больше применяется как один из рас­ пространенных литейных материалов (рис. 72) [87]. В ряде случаев темпы повышения объема производства ковкого чугуна значительно превышают темпы роста применения отливок из литой стали іи серых чугунов [87]. Такая тенденция обусловлена бесспорными пре­ имуществами ковкого чугуна по сравнению с литыми сталя'ми в отношении жидкотекучести, линейной усадки,

145

обрабатываемости и других литейных и технологических свойств. Существенное влияние при этом оказывают ус­ пехи науки и практики: повышается предел прочности

(рис. 73), сокращается время графитизирующего отжига

(рис. 74).

Расширение номенклатуры отливок из ковкого чугу­ на и рост его потребления в целом ставят перед метал­ ловедением и литейной наукой задачу дальнейшего улуч­ шения механических, литейных, физико-химических и других свойств. Решение этих задач зависит как от усо­ вершенствования существующих технологических про­ цессов производства, так и от освоения новых марок ков­

146

кого чугуна. Каковы перспективы далыіейшепо усовер­ шенствования технико-экономических показателей ков­ ких чугунов? Каковы вероятные направления поисков оптимальных решений? Эти вопросы вызывают большой интерес как у металлургов, так и у потребителей. Быст­ рое развитие всех отраслей науки все чаще приводит к неожиданным идеям іи решениям, которые превосходят по своим возможностям самые смелые предположения недалекого прошлого. Соображения, которые будут вы­ сказаны ів настоящем разделе, ограничатся главным об­ разом существующими тенденциями в области ковких чугунов.

Наиболее общее рассмотрение многочисленных иследований по ковким чугунам за последние десятилетия показывает, что исследователи в общем придерживаются некоторых основных тенденций. Главная среди них (ее придерживается большинство исследователей в настоя­ щее время) — это улучшение свойств и интенсификации технологических процессов в рамках существующего, проверенного многолетним опытом основного состава чу­ гунов. (При этом используется модифицирование той или иной добавкой, усовершенствование режима графитизирующего отжига, термическая обработка, создание со­ временных агрегатов для отжига и т. д. Успехи, достиг­ нутые в этом отношении, весьма внушительны. Это на­ правление еще долгие годы, по-видимому, будет умно­ жать успехи науки и практики. Оно углубит наши позна­ ния о жидком состоянии, строении отдельных фаз, влия­ нии элементов. Можно ожидать, что исследования этого направления приведут в течение ближайших 16—20 лет к новому качественному скачку (резкому сокращению) процесса графитизирующего отжига по примеру сокра­ щения длительности процесса от 100—160 ч, как это бы­ ло 5—6 десятилетий тому назад, до 24—27 ч в настоящее время. Такая возможность обеспечена тем, что действи­ тельная (эффективная) длительность первой и второй стадий отжига не превышает 4—5 ч. Мы имеем в виду фактическую длительность процесса распада эвтектиче­ ского и эвтектондного цементита. Такое сокращение про­ цесса можно реализовать при решении необходимых тех­ нологических, конструкторских и других задач, обеспечи­ вающих: 1) стабильное поддержание химического соста­ ва чугуна в более узких (чем до сих пор) границах; 2) эффективное противодействие постоянным и случай-

147

і і ы м примесям, задерживающим распад цемёнтіті; 3) конструирование более совершенных агрегатов для графитизирующего отжига, приспособленных к резком} сокращению процесса; 4) создание более эффективных и практически удобных методов и аппаратов для контро­ лирования состава, структуры и свойств отливок.

Необходимость реализации этих условий для даль­ нейшего резкого сокращения процесса отжига настолько очевидна, что вряд ли нуждается в пояснениях. Отметим лишь, что основная часть усилий специалистов в отноше­ нии противодействия вредным примесям была направле­ на исключительно на связывание серы, азота и кислоро­ да. Остальные вредные примеси редко привлекали вни­ мание исследователей. В этом отношении очень интерес­ ны по своему замыслу опыты, проведенные М. А. Кришталом по нейтрализации хрома [31]. Они свидетельству­ ют о возможностях сурьмы связывать указанный эле­ мент в устойчивые химические соединения. Однако ис­ следования показывают, что полная нейтрализация вред­ ных примесей не осуществляется даже в отношении се­ ры. Наличие FeS в ковких чугунах с ферритной основой (при общепринятом соотношении M n/S=3-r4) свиде­ тельствует о том, что марганец не в состоянии целиком связать серу. То же самое можно сказать о хроме. По­ этому нейтрализация хрома сурьмой рекомендуется только для перлитных ковких чугунов.

Широкое применение легированных сталей в машино­ строении и других отраслях промышленности, так же как и непрерывное вовлечение в эксплуатацию новых руд­ ных источников, создает возможность попадания в сос­ тав ковких чугунов почти всех элементов Периодической системы Менделеева. Яркий пример в этом отношении — магниевые чугуны. Как известно, совсем не редки слу­ чаи, когда из-за наличия сотых и тысячных долей про­ цента так называемых демодификаторов (Те, Pb, Sn, Se и пр.) магний не может проявить свои глобуляризирующие свойства [16]. Те же примеси, очевидно, могут по­ пасть и в состав ковкого чугуна. И если до сих пор их присутствие не создавало особых неприятностей, то толь­ ко потому, что в графитизирующем отжиге заложены ис­ ключительно большие резервы. Когда же они будут ис­ черпаны, т. е. при переходе к резкому сокращению про­ цесса отжига, влияние примесей может оказаться реша­ ющим. Тогда и возникнет необходимость такого воздей-

148

СтЫій на жііДкнй металл или ііа полученные из нега от­ ливки, которое было бы в состоянии противодействовать вредному влиянию указанных примесей.

Все осязательнее проявляется и тот факт, что приме­ няемые в практике методы контроля над составом, структурой и свойствами отливок не отвечают усилиям дальнейшего резкого сокращения процесса отжига.

За последние годы проведено немало опытов по сок­ ращению графитизирующего отжига до 10—15 ч. Однако нзі-за несовершенства методов контролирования эти опы­ ты всегда заканчивались неудачно. Дело в том, что при таком ускоренном отжиге благодаря колебаниям в хи­ мическом составе в некоторой части отливок не успева­ ет полностью пройти графитизация. Возникает необхо­ димость в своевременном контроле отожженного чугуна с тем, чтобы направить отливки повышенной твердости на вторичный отжиг. Отсутствие практической возмож­ ности реализации такого контроля приводит к тому, что в механические и механосборочные цехи поступают от­ ливки повышенной твердости. Это всегда создает помехи при механической обработке (быстрый износ и ломка режущего инструмента, снижение производительности). В этих случаях литейщики вынуждены возвращаться к старому, более длительному процессу отжига, гаранти­ рующему устойчивую твердость отливок.

Как уже было упомянуто, рассмотренные условия резкого сокращения графитизирующего отжига отно­ сятся к дальнейшему развитию традиционных методов и средств, которыми и до сих пор влияют на распад цемен­ тита. Вместе с тем возможны и совершенно новые реше­ ния, такие как облучение лучами высокой энергии, что сочетало бы графитизацию с кристаллизацией и даль­ нейшим охлаждением отливок в литейной форме. Успе­ хи металлографии чугуна делают эти решения вполне возможными.

Дальнейшие исследования приведут, вероятно, и к не­ которому улучшению механических свойств отливок.

Другая тенденция, нашедшая место в значительном количестве исследований, выражается в повышении со­ держания кремния в ковком чугуне. В основе этой тен­ денции лежит стремление ускорить графитизирующий отжиг и повысить прочность отливок. Ее результаты уже видны. Появилась широкая номенклатура составов с по­ вышенным содержанием кремния. Свидетельством прак-

149

і'ііческих результатов является тот факт, ч+о верхняя граница для кремния в большинстве случаев находится на уровне 1,4—1,0%. Практика показала, что такое по­ вышение еодержаш-ія кремния ведет к заметному увели­ чению прочности и твердости, ие изменяя существенно удлинения ковкого чугуна. Во всяком случае его контро­ лируемые свойства вполне отвечают стандартным мар­ кам. Это стало возможным благодаря модифицированию ковких чугунов добавками Ві, Те и др., препятствующи­ ми графптообразованию во время кристаллизации.

Появился и другой, не менее надежный метод произ­ водства высококремнистого ковкого чугуна — выбор шихтовых материалов. Одна из главных его особеннос­ тей заключается в исключении графитоодержащих мате­ риалов из -состава шихты. Оказывается, что чем меньше графита поступает с шихтовыми материалами при плав­ лении чугуна, тем меньше его склонность к затвердева­ нию по стабильному варианту железоуглеродистой диаг­ раммы (рис. 76). Опыт ряда заводов, производящих ков-

н ы й д и а м е т р о б р а з ц о в с п о л н ы м

Количество серого чугуна В шихтовых материалах, %

кий чугун с содержанием кремния в пределах 1,6—2%, показал, что такое производство вполне возможно для отливок с толщиной стенок до 15 мм. Тенденция к повы­ шенному содержанию кремния (1,5—1,8%) завоевала определенное место и в производстве ковкого чугуна с перлитной металлической основой. Речь идет о высоко­ сернистых чугунах с отношением Mn/S = 1.4yryHbi этого типа находят все более широкое применение в автомоби­ лестроении, станкостроении и других отраслях промыш­ ленности в качестве заменителей углеродистых и среднелегированных сталей. Повышенное содержание серы полностью устраняет опасность получения пластинчатого прафита. Эта тенденция проявляется еще и в тех случа­ ях, когда ковкий чугун модифицируется магнием и дру-

150