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

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-

нмя суммарных напряжений определяли по формулам: для толстого бруса

Е

чтобы можно было сравнить напряжения ів исходном бе­ лом чугуне с напряжениями в отливках после первой стадии отжига при условии, что они охлаждаются с 960°С на воздухе до комнатной температуры. Показаны также напряжения в ковких чугунах с ферритной метал­ лической основой, прошедших полный цикл графитизирующего отжига. В этом случае опытные решетки ох­ лаждали на воздухе с 600°С.

Говоря об усадочных напряжениях, обычно имеют в виду напряжения, обусловленные влиянием литейной формы на нормальную усадку. С целью дать более пол-

. ное представление о последствиях этой затрудненной усадки в табл. 34 сопоставлены теоретическая и факти­ ческая до- и послеперлитная усадки белого чугуна. Усад­ ки вычислены на базе действительных термических ко­ эффициентов, полученных экспериментально с помощью термического анализа [83]. Сравнение показывает, что при доперлитной усадке различия находятся в пределах

130

0,48—0,61%. В послеперліитной усадке различие гораздо меньше (порядка 0,01—0,02%). Следовательно, усадоч­ ные-'напряжения, вызванные сцеплением литейной фор­ мы, приводят к очень существенным остаточным дефор­ мационным изменениям в белых чугунах. Особо заметны остаточные деформации в отливках типа втулок.

Значительные деформации происходят и вследствие неравномерного расширения отливок при графитизирующем отжиге. Причиной тому — неравномерная графитизация по сечению и в отдельных участках отливок. Так как при температурах графитизации отливки харак­ теризуются высокой пластичностью, указанная неравно­ мерность графитообразования может вызвать значи­ тельные остаточные деформации. Что касается их абсо­ лютной величины, они определяются в каждом конкрет­ ном случае конструкцией отливок, скоростью отжига, наличием или отсутствием защитной атмосферы и пр. Практика показывает, что рассмотренные деформацион­ ные изменения дополняются и деформациями, обуслов­ ленными нагруженностью отливок. Речь идет о том, что с целью обеспечения достаточно высокой производи­ тельности при отжиге детали обычно группируют в не­ сколько рядов в специализированных тележках. Во всех этих случаях детали нижних рядов нагружены верхними деталями. О величинах остаточных суммарных дефор­ маций отливок при отжиге можно судить по тому факту, что для части из них (к которой предъявляются повы­ шенные требования в отношении точности геометрии и

размеров) технология предусматривает операцию рихтования .с помощью специализированного инструмента.

Остановимся и на некоторых источниках напряже­ ний 2-го рода. К ним в первую очередь относятся напря­ жения, возникающие в каждом из зерен ледебурита в результате значительной разницы между термическими коэффициентами аустенита и цементита. Как следует из приведенных ниже данных [85], эти различия так вели­ ки, что пластическая реализация их неминуемо ведет к возникновению междуфазовых дефектов (деформаций в решетке, рыхлостей).

Ф е р р и т А у с т е н и т Ц е м е н т и т

* В ч и с л и т е л е — д а н н ы е д л я л и н е й н о г о к о э ф ф и ц и е н т а , в з н а м е н а - т е л е — д л я о б ъ е м н о г о .

Термический коэффициент феррита значительно меньше, чем аустенита (процентов на 35), и превышает терми­ ческий коэффициент цементитной фазы. Этих различий достаточно для возникно­ вения заметных напряже­ ний и 2-го и 3-го рода.

Напряжения, уравнове­ шивающиеся в микро­ скопических и субмикро­ скопических объемах, воз­ никают и вследствие су­ ществующей ликвации кремния, марганца и дру­

Пойеожание элементов, % гих примесей чугуна. Ко­

свенное представление о влиянии ликвационных явлений на напряжения

можно получить из данных рис. 64, на котором показа­ но влияние легирующих элементов на термический коэф­ фициент, феррита [85].

ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА КОВКОГО ЧУГУНА ПО СРАВНЕНИЮ С ДРУГИМИ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫМИ

СПЛАВАМИ

Численные значения различных литейных свойств за­ висят от принятой методики исследования. Мы можем получить полное представление о литейных свойствах ковкого чугуна в сравнении со свойствами других желе­ зоуглеродистых сплавов. Особо интересны в этом отно-

132

:шенпм сопоставления с литой углеродистой сталью, с ■модифицированными и обыкновенными серыми чугунами и с находящим в последнее время все большее при­ менение высокопрочным чугуном. Такое сопоставление сделано на рис. 65, на котором обобщены результаты наших и литературных данных. Во всех случаях стопро­ центными принято считать самые высокие значения соот­ ветствующего литейного свойства. Говоря о белом чу­ гуне, мы имели в виду исходный по составу материал, из которого после графитизирующего отжига получа­ ется ковкий чугун. Некоторые свойства белого и ковкого чугунов показаны в одной колонке, а другие — в отдель­ ных. Это объясняется тем, что некоторые литейные свой­ ства ковкого чугуна проявляются полностью в ходе за­ полнения литейной формы и кристаллизации отливок. Таковы, например, жидкотекучесть, формирование уса­ дочных раковин и неметаллических (исключая графит) включений. Совершенно очевидно, что изменения, про­ исходящие в белом чугуне после графитообразования, не имеют никакого отношения к указанным свойствам.

Остановимся на основных выводах, к которым мож­ но прийти в результате сопоставления. Начнем со свойств, связанных с жидким состоянием сплавов (газосодержание и жидкотекучесть). Заметно, что в отноше­ нии этих свойств белые (и ковкие) чугуны занимают место непосредственно за углеродистыми сталями, зна­ чительно уступая серым, модифицированным и высоко­ прочным чугунам. Это, очевидно, обусловлено располо­ жением ковкого чугуна на диаграмме Fe — С. Он нахо­ дится в наибольшей в сравнении с рассматриваемыми сплавами близости к стальной части диаграммы, а следовательно, и к литым сталям. Иначе обстоит дело с :литейными свойствами, которые проявляются в про­ цессе кристаллизации (склонность к концентрированным it-рассеянным усадочным раковинам). В этом случае белый (и ковкий) чугун занимает место за высокопроч­ ным чугуном и углеродистыми сталями в отношении концентрированных усадочных раковин и их общего объема. В| отношении же рассеянных усадочных раковин белый и ковкий чугуны занимают первое место. Такое положение ковкого чугуна по сравнению с другими желе­ зоуглеродистыми сплавами обусловливается также его расположением в диаграмме состояния и связанными с ней зависимостями между шириной кристаллизащтон-

133

>

ОДЕ£:

134

Глава VII

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОВКОГО ЧУГУНА

Требования, предъявляемые к механическим свойствам ковкого чугуна, определены ГОСТ 1215—59 (табл. 35). Эти показатели отвечают уровню наилучших марок ков­ кого чугуна, предусмотренных стандартами ведущих иностранных фирм-производителей (табл. 36) [31]. Фак­ торы, прямо или косвенно оказывающие влияние на свойства рассматриваемых чугунов, отличаются боль­ шим многообразием. Это химический состав, толщина отливки, температуры перегрева и заливки жидкого ме­ талла, режим графитизнрующего отжига и пр. Измене­ ния, которые наступают в отливках под их влиянием, можно объединить в несколько групп. К первой из них относятся изменения, касающиеся плотности отливок. Речь идет не о неплотностях в результате несовершен­ ства литейной технологии, а об изменениях в монолит­ ности металлической матрицы, связанных с природой материала. Сюда в первую очередь относится мпкропористость. Закономерности, обусловливающие микропо­ ристость, мы сформулировали в предыдущей главе при рассмотрении литейных свойств сплавов, предназначен­ ных для ковких чугунов. Отметим, что различия в хими­ ческом составе приводят не только к перемене место­ положения чугуна на диаграмме состояния, но и к из­ менению его физических параметров (теплопровод­ ности, объемной усадки и пр.) и механических свойств

Таблица 35

* С согласия заказчика допускается пониженное относительное удлине­ ние до 3%.

136

Таблица 36

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

отливок в целом. О количественных зависимостях меж­ ду плотностью и механическими свойстваміи рассматри­ ваемых материалов можно судить по представленным на рис. 66 данным. Как и следовало ожидать, наблюдает­ ся довольно высокая чувствительность прочностных и пластических характеристик к неплотностям в металли­ ческой основе. К факторам, нарушающим плотность ме­ таллической основы, следует отнести и графитовую фазу. Самостоятельная прочность графитовых включений на-

137