книги из ГПНТБ / Тодоров, Р. П. Структура и свойства ковкого чугуна

цессамп, протекающими при сфероидизацпи перлита. Дело в том, что в большинстве случаев металлическая основа рассматриваемых чугунов должна состоять из зернистого перлита. Последний обеспечивает более высо­ кие пластические и технологические (обрабатываемость) свойства материала. Требования к основному материалу сводятся в этом случае к обеспечению условий, необхо­ димых для равномерного распределения зернистого пер­ лита в сечении отливок. О влиянии кремния и марганца на сфероидизацию перлита можно судить из зависимо-

/ — о б щ е е с о д е р ж а н и е п е р л и т а ; 2 — с о д е р ж а н и е п л а с т и н ч а т о г о п е р л и т а ; 3 — с о д е р ж а н и е з е р н и с т о г о п е р л и т а .

Н а р и с у н к а х у к а з а н о с о д е р ж а н и е м а р г а н ц а , %

98

ния, искусственного старения, предварительной закал­ ки и др.). Как уже было показано, они приводят к значительному увеличению графитовых включений в структуре чугуна, что несомненно способствует ускорен­ ному распаду не только эвтектического, но и эвтектоидного цементита. А это нежелательно, когда речь идет о перлитном чугуне. Из изложенного, конечно, не следу­ ет, что эти обработки следует полностью исключить при производстве указанных чугунов. Вопрос об их примене­ нии нужно решать конкретно в зависимости от состава и тех свойств, которые требуются от производимой про­ дукции. Можно, однако, утверждать, что графитовых включений должно быть столько, чтобы графитизация при сфероидизации перлита не происходила очень сильно.

Большую роль играет и длительность высокотемпера­ турной выдержки при первой стадии графитизации. Она определяет гомогенность металлической основы в отно­ шении кремния, марганца и остальных примесей. Влия­ ние этого фактора достаточно подробно было рассмотреіо в предыдущих разделах. Здесь мы отметим только го, что неравномерное распределение кремния и марган­ ца в объеме аустенита ведет к неравномерной сфероиди­ зации перлита. Быстрее всего сфероидизируются участки перлита с повышенным содержанием кремния. В них, как правило, сфероидизации сопутствует и некоторая графитизация перлита. Далее будет показано, что, ре­ гулируя длительность первой стадии отжига, можно из­ менять механические свойства рассматриваемого чугуна в довольно широких пределах.

ЧУГУН С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ СЕРЫ

Использование серы при получении ковкого чугуна с перлитной металлической основой стало возможным бла­ годаря ее способности сфероидизировать графит. Шаро­ видная форма графитовых включений выгодно отличает сернистые чугуіны от обыкновенных ковких чугунов с пер­ литной основой.

В ряде случаев влияние серы на структурные превра­ щения в железоуглеродистых сплавах аналогично влия­ нию марганца. В этом отношении особенно выделяется ее отбеливающая способность, которую иллюстрируют данные рис. 44. Показаны предельные значения кремния и углерода, при которых в затвердевших пробах отсут-

100

ствует пластинчатый графит. Данные относятся к тем соотношениям марганца и серы (Mn/S = 0,95-M), кото­ рые рекомендуются для ковких чугунов с шаровидной формой графита [27]. Пунктирной линией обозначена граница между белыми и половинчатыми чугуна-ми при

= 3). Отбеливающая способность серы создает условия для значительного повышения углерода и кремния в со­ ставе ковких чуігунов без опасности получения пластин­ чатых форм графита в отливках. Следует иметь в виду, что с увеличением количества углерода расстояние меж­ ду пунктирной и сплошной линиями уменьшается. Это показывает, что отбеливающая способность серы прояв­

101

[127]. Это относится к тем случаям, когда сфероидизацня проводится при температурах ниже эвтектоидного интервала. В этих случаях ее влияние характеризуется следующей зависимостью:

Эти предварительные сведения о повышении серы по­ зволяют нам лучше понять особенности химических сос­ тавов, рекомендуемых для сернистых ковких чугуиов. Из табл. 27 видно, что они построены на базе обыкновен-

Табліща 27

Р Е К О М Е Н Д У Е М Ы Е С О С Т А В Ы С Е Р Н И С Т О Г О К О В К О Г О Ч У Г У Н А

т е л ь — ч у г у н с п о в ы ш е н н ы м с о д е р ж а н и е м с е р ы .

ных или высококремнистых чугуиов. Кроме кремния, они различаются по содержанию марганца и серы. Наиболее

ганца и серы на пластиче­

102

ские свойства ковких чугунов с шаровидным графитом.

ное влияние вызвано количеством сульфидных включе­ ний (в том числе и сульфидной эвтектикой) в структуре чугуна. Поддерживание постоянного соотношения мар­ ганца и серы (с целью полной сфероидизации графита) івызывает необходимость в увеличении количества серы до такого же уровня, что и марганца. Это и является причиной значительного количества сульфидных вклю­ чений в структуре рассматриваемых чугунов. С точки зрения пластических свойств особенно опасны эвтектиче­ ские прослойки серы и железа, располагающиеся по гра­ ницам зерен. Повышенное содержание включений MnS ведет, как это будет показано далее, и к ухудшению ли­ тейных свойств (в первую очередь жидкотекучести) ука­ занных чугунов. Все это вполне обосновывает тенденцию к снижению концентрации марганца и серы. В связи с этим возникает необходимость в уточнении минимальных содержаний данных элементов в ковких чугунах с шаро­ видной формой графитовых включений. В исследованиях Н. Г. Гиршовича и П. Г. Шевчука показано, что для пол­ ной сфероидизации соотношение марганца и серы долж­ но удовлетворять зависимости

вышенному содержанию кремния. Подобно всем железо­ углеродистым сплавам, высокое содержание кремния и в этом случае вызывает увеличениелрочности и твердос­ ти отливок. Особенно неблагоприятное сочетание факто­ ров, понижающих пластические свойства рассматривае­ мых чугунов (и прежде всего их ударную вязкость), по­ лучается в том случае, когда высокое содержание крем­ ния совпадает с повышенным содержанием марганца и серы. Такие сочетания не следует допускать в деталях, работающих в условиях ударных нагрузок, а также тог­ да, когда ударная вязкость имеет первостепенное значе-

103

мне. Ковкие чугуны со сниженным содержанием крем­ ния обеспечивают лучшее сочетание механических и ли­ тейных свойств в рассматриваемых оплавах.

Необходимо отметить, что в последнее время возник­ ла тенденция к использованию модификаторов типа Те, Sb, задерживающих графитизацию. Эксперименты пока­ зали, что десятые доли процента этих элементов в состо­ янии полностью задержать распад эвтектоидного цемен­ тита при охлаждении отливок иих последующем графитизирующем отжиге, не замедляя сильно первую стадию графитизации. Интерес к внедрению подобной техноло­ гии обусловлен благоприятными возможностями, кото­ рые она дает при получении перлитного ковкого чугуна в тех литейных цехах и участках, в которых организова­ но производство ковкого чугуна с ферритной металличе­ ской основой. Принципиальная возможность .реализации такой технологии доказана. Однако следует иметь в ви­ ду неизбежные трудности, которые возникнут в связи с предохранением шихтовых материалов, предназначен­ ных для ферритного ковкого чугуна, от действия этих модифицирующих добавок.

СФЕРОИДИЗАЦИЯ ПЕРЛИТА В КОВКИХ ЧУГУНАХ

Технологические режимы сфероидизирующего отжи­ га для углеродистых и низколегированных сталей разра­ ботаны достаточно полно. Они, как известно, предусмат­ ривают циклический назрев выше и ниже эвтектоидной температуры (рис. 46,а), удовлетворяющий требованиям

теории сфероидизирующего отжига [76]. По аналогии со сталью такая же схема температурного режима реко­ мендуется и для сфероидизации перлита вчугунах [76]. Однако в данном случае не учитывается целый ряд осо­ бенностей высокоуглеродистых сплавов, вызванных нали­

104

чием кремния и распределением легирующих элементов между отдельными структурными составляющими. Рас­ смотрим эти особенности на примере ковкого чугуна.

Тройные железоуглеродкремнистые сплавы характе­ ризуются, как известно, не постоянной температурой, а интервалом перлитного превращения. Распределение ле­ гирующих элементов, в частности кремния и марганца, в белом чугуне было показано на рис. 7. Применяющиеся на практике технологические приемы интенсификации процесса графитизации (модифицирование, искусствен­ ное старение, туннельные печи с защитной атмосферой и т. д.) настолько сокращают длительность распада эв­ тектического цементита, что отмеченная неравномерность распределения элементов, хотя и в меньшей мере, сохра­ няется и после первой стадии графитизации. А это озна­ чает, что в составе металлической матрицы имеет мес­ то целая гамма участков с повышенным или понижен­ ным содержанием кремния и марганца в сравнении со средним содержанием указанных элементов в чугуне.

Нетрудно показать, что указанная неравномерность в распределении элементов имеет прямое отношение к по­ следующему сфероидизирующему отжигу, так как она приводит к увеличению интервала перлитного .превраще­ ния. Это вполне естественно, поскольку указанные эле­ менты по-разному влияют на положение критической точки Ас1. Величина интервала перлитного превращения зависит, разумеется, и от скорости напрела или охлаж­ дения. Влияние этого фактора на величину и положение критического интервала подчиняется общим закономер­ ностям фазовых превращений в сплавах.

На рис. 46,6 показаны интервалы перлитного превра­ щения яри нагреве и охлаждении со скоростью 6 град/ мин. Возвращаясь к сказанному выше, можно отметить, что в нижних участках перлитного интервала, т. е. при более низких температурах, осуществляется перлитное превращение в участках матрицы с повышенным содержа­ нием марганца. В верхних же зонах перлитного интерва­ ла будут превращаться соответственно участки с повы­ шенным содержанием кремния. Согласно утвердившимся представлениям, температурный режим сфероидизирующего отжига должен выглядеть так, как это показано на рис. 46,6. Однако такой режим не может быть оптималь­ ным. На самом деле, напрев до температуры на 10— 15 град выше Ас\ является подходящим только для уча-

105

■стков металлической матрицы с повышенным содержа­ нием кремния. Эти участки будут характеризоваться не­ полным растворением цементита, что, как известно, яв­ ляется необходимым условием для последующей сферо­ идизации. Для остальных участков матрицы, особенно для участков с повышенным содержанием марганца, ука­ занные условия нагрева явятся слишком высоким пере­ гревом. В данных условиях цементитные пластины этих участков будут растворяться в аустените, а .при последу­ ющем охлаждении формируется структура пластинчато­ го перлита.

Итак, оказывается,'что при довольно широком интер­ вале .перлитногопревращения нельзя подобрать одну ка­ кую-то постоянную температуру натрева, оптимальную для всех участков. Более подходящим для сфероидпзнрующего отжига является режим, показанный на рис. 46,в [27]. Он характеризуется несколькими цикли­ ческими нагревами. Первый из них сферондизирует наи­ более богатые кремнием участки металлической матри­ цы, для которых, как уже указывалось, превращение перлита в аустенит протекает при температурах, близ­ ких к верхней границе перлитного интервала. Следую­ щий (второй) нагрев предусматривает выдержку в.сере­ дине интервала перлитного превращения. Он не изменя­ ет сложившуюся в результате первого циклического на­ грева структуру зернистого перлита в участках с повы­ шенным содержанием кремния. Второй циклический на­ грев приводит к сфероидизации новых гамм участков ме­ таллической матрицы с меньшим (чем в предыдущем случае) содержанием кремния. Наконец, третий (в дан­ ном случае завершающий) цикл должен превратить в зернистый перлит все остальные участки металлической матрицы. Разумеется, что и в этом случае не затрагива­ ются ранее сфероидизированные участки матрицы. Та­ ким образом, в результате нескольких циклических на­ гревов создаются оптимальные (для отдельных участ­ ков) условия сфероидизации всей металлической мат­ рицы.

Следует остановиться и на длительности отдельных циклов. Мы имеем в виду длительность высокотемпера­ турных горизонтальных .площадок, обозначенных на ри­ сунке буквами 1\, 12 и /3.

Исходя из общих положений диффузионных процес­ сов, следует полагать, что наименьшая длительность пре-

106

Дусмотрена для высокотемпературной площадки первого цикла [27]. Немного длиннее должна быть вторая пло­ щадка и наиболее длинная — третья. Это объясняется тем, что с повышением температуры процессы растворе­ ния и сфероидизации карбидов протекают быстрее.

Изложенные выше соображения делают понятными данные экспериментов, целью которых было проверить длттельностьсфероидизирующего отжига при различных вариантах термической обработки. Опытные образцы чу­ гуна имели следующий химический состав: 2,64% С; 1,35% Si; 1,1% Mn; 0,17% S.

Выбранные варианты отжита показаны на рис. 47. Им

Р и с . 47. О п ы т н ы е р е ж и м ы с ф е р о н д н з п р у ю щ е г о о т ж и г а

предшествовало экспериментальное определение интер­ вала перлитного превращения при нагревании и охлаж­ дении со скоростью, близкой к скорости нагрева отли­ вок в нагревательных печах (~ 4 5 град/ч). Нижеприведены соответствующие интервалы превращения. Нагре­ вание: начало 720°С, конец 780°С. Охлаждение: начало

730°С, конец 710°С.

Сравнительно большие размеры интервала превра­ щения обусловливались как выбранной скоростью нагре­ ва (охлаждения), так и тем фактором, что температура 960°С и длительность 4 ч первой стадии графитизации не обеспечивали гомогенизации металлической основы. Как видно, варианты сфероидизирующего отжига преду­ сматривают выдержку в условиях оубкритических темпе­ ратур (ірнс. 47,а), общепринятый циклический нагрев (рис. 47,6) и выбранный нами вариант (рис. 47,в). Ход сфероидизаціии оценивали по данным закалочно-струк­ турного анализа. Для этой цели при каждом варианте одновременно отжигали в печи 15—20 образцов. На от­

107