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

После достаточно полного раскисления (алюминием или' магнием) расширение исчезает. Это дает основание ут­ верждать, что самым существенным фактором, вызыва­ ющим начальное расширение в белых чугунах, является выделение газов при затвердевании отливок. В тех случа­ ях, коща они связаны в химически прочное соединение, расширения, как правило, не происходит. Практические изменения состава белых чугунов незначительно влияют на остальные элементы кинетических кривых (доперлит­ ную и послеперлитную усадку) (рис. 55). Исключением

является только углерод. Увеличение его до 2,6% повы­ шает доперлитную, а следовательно, и общую линейную усадку. Приболее высоком содержании углерода (от 2,6 до 3,8) усадка сохраняется постоянной. В интервале 3,8— 4,3% С доперлитная и общая линейная усадки уменьша­ ются.

Перегиб кривых в интервале 3,8—4,3% С обусловли­ вается тем, что линейная усадка до перегиба определяет­ ся преимущественно усадкой аустенита. После перегиба решающим является влияние цементита [92]. Это объ­ ясняется тем, что зерна ледебуритной эвтектики пред­ ставляют собой цементитный монокристалл со множест­ вом включений аустенита. Благодаря их специфическому строению разница в термических коэффициентах аусте­ нита (/Са= 23- 10—6) и цементита (/<ц = 10,5-10_6) вызы­ вает напряжение и образование рыхлости между цементитной матрицей и аустенитными включениями, почти не отражаясь на общем коэффициенте усадки.

118

Как и следовало ожидать, исходя из положительного влияния кремния на термический коэффициент феррита и аустенита, увеличение содержания кремния, хотя и не­ значительно, увеличивает доіперлитную и послеперлитную усадку железоуглеродистых сплавов.

Одним из факторов, сильно влияющих на линейную усадку, является сцепление металла с поверхностными слоями литейной формы. Исследования показывают, что сила, необходимая для преодоления этого сцепления, или, точнее, усилие для преодоления трения между от­ ливкой и поверхностными слоями формы, зависит (при

значения, достаточного для возникновения деформацион­ ных изменений в чугуне при высоких температурах. Сцепление между формой и металлом объясняет зависи­ мость между доперлитной и общей усадкой, с одной сто­ роны, и толщиной отливки, с другой.

В толстостенных отливкахігораздо больше возможно­ стей преодоления сопротивления формы, чем в тонкостен­ ных. Вот почему и линейная их усадка больше. Это, ко ­ нечно, не означает, что конструкция отливок не имеет

119

Рис. 57. Конструкция и размеры опытных отливок (схема)

И в этом случае разница междудействительной и полной усадка-ми отливок объясняется исключительно различной доперлитной усадкой. Ее абсолютные значения настолько велики, что их следует иметь в виду при конструировании литейной оснастки.

Изменение размеров отливок впроцессе графитизирующего отж-ига уменьшает линейную усадку в металле

120

Таблица 29

В Л И Я Н И Е К О Н Ф И Г У Р А Ц И Й О Т Л И В О К Н А л и н е й н у ю у с а д к у , %

ори образовании отливок, точнее — при их охлаждении после окончания кристаллизационного периода до ком­ натной температуры. Эти изменения если и привлекали внимание исследователей, то главным образом в теорети­ ческом аспекте в связи с механизмом графитообразова-

ния [83].

Проведенные нами исследования показали, что как объемные, так и линейные изменения, которые происхо­ дят в первой и второй стадии графитообразования, свя­ заны с рядом особенностей, вызванных влиянием химиче­ ского состава, толщины и плотности отливок. Начнем с влияния толщины отливок. Показательно изменение раз­

проведен в условиях, исключающих окисление (в плот­ но закрытых коробках, заполненных чугунными струж­ ками) .

Экспериментальные данные показаны в табл. 30. Зна­ чения усредненных изменений линейных размеров прак­ тически одинаковы для обоих методов измерения. Это подтверждает достоверность полученных результатов. Их анализ позволяет сделать выводе том, что расшире­ ние не распределяется равномерно по всей отливке. По

121

Таблица 3Ö

толщиие отливки оно больше, чем в других направлени­ ях. Справедливость этого вывода подтвердилась итіа ци­ линдрических образцах с /= 3 0 мм и диаметром от 5 до 30 мм. Измерения® этом случае были сделаны микромет­ рически (то длине образца) и объемно (весовым мето­ дом). Полученные зависимости (рис. 59) показывают,что

122

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