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

фактора компактности на графитовые образования настолько велико, что превосходит влияние абсолютного количества графита.

Содержание перпита,% Температура изотермичегкосо превращения, °'

Р и с . 67. В л и я н и е с о д е р ж а н и я п е р л и т а и т е м п е р а т у р ы и з о т е р м и * ч е с к о г о п р е в р а щ е н и я а у с т е н и т а п а м е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а к о в ­ к о г о ч у г у н а

138

охлаждения исследованных проб. Видно, что дисперс­ ность перлита сильно влияет на свойства ковких чугунов. Это подтверждается н данными табл. 37 о механи­

ные пластические и прочност­ ные показатели© отливках. Имеет значение также и зер­

группе в принципе следует отнести и изменения, которые неметаллические включения вносят в свойства железо­ углеродистых сплавов вообще и ковких чугунов в частности. Мы имеем в виду в первую очередь сульфид­ ные н фосфидные включения. Известно их отрицательное воздействие на свойства рассматриваемых сплавов. По­ этому их количество обычно не превышает 0,18%. При таких минимальных содержаниях эти включения при­ сутствуют преимущественно в виде изолированных вклю­ чений, которые, хотя и уменьшают в некоторой степени пластичность металлической основы, но не оказывают резкого влияния на свойства отливок в целом. Однако в последние несколько десятилетий интерес к сернистым чугунам с шаровидной формой графитовых включений

139

возрос. Содержание серы в них часто достигает 0,4 й даже 0,5%. При этом наряду с изолированными суль­ фидными включениями неизбежно возникают и эвтекти­ ческие образования, резко снижающие удлинение и ударную вязкость давних чугунов.

Ксамостоятельной группе следует отнести изменения

вмеханических свойствах отливок под влиянием легиру­ ющего действия элементов. Мы имеем в виду те элемен­ ты, которые полностью или частично растворяются в фер­ рите (аустените). Как видно из рис. 68, присутствующие

фе р р и т а

втвердом растворе легирующие элементы могут значи­ тельно изменить твердость, прочность и ударную вязкость феррита [76]. Особый интерес представляет влия­ ние кремния и марганца, так как они входят в число по­ стоянных примесей в составе ковких чугунов. Видно, что оба элемента резко повышают прочностные характерис­ тики феррита за счет его пластичности.

Как уже отмечалось, внутрикристаллическое распре­ деление элементов (в том числе и кремния) после графитизации эвтектического цементита характеризуется значительной неравномерностью. Те участки аустенита, которые унаследовали место бывшего эвтектического це­ ментита, отличаются гораздо более низким содержани­ ем кремния, чем те, которые соответствуют эвтектическо­ му аустёниту. Это различие в содержании кремния в от­ дельных микрюучастках аустенита переносится позже и в феррит. Отсюда и положительное значение длительной высокотемпературной выдержки, выравнивающей содер­ жание кремния и других примесей в микрообъемах ме-

140

галлйческон основы, что приводит к повышению пласти­ ческих характеристик.

Изложенное дает нам возможность объяснить влия­ ние основных примесей (углерода, кремния, хрома, мар­ ганца, фосфора и серы) на механические свойства ков­ ких чугунов (рис. 69). Увеличение содержания углерода приводит ік непрерывному понижению прочностных и пластических характеристик ковких чугунов. Эта зависи­ мость, впрочем, относится ко всем чугунам и обусловле­ на увеличением графитовой фазы. Следует отметить, что увеличение содержания углерода ведет и к некоторому улучшению механических свойств отливок. Речь идет о рассеянной пористости, непосредственно связанной с уг­ леродным эквивалентом. Однако очевидно, что отрица­ тельное влияние повышенного содержания графита на­ столько велико, что оно в состоянии полностью ликвиди­ ровать положительный эффект пониженной пористости в отливках. Кремний влияет ів основном на свойства а- твердого раствора — повышает прочность и твердость за счет удлинения и ударной вязкости. Действие марганца многосторонне. Оно проявляется как в легировании фер­ рита, так и в дисперсности перлита. Было отмечено, что указанный элемент понижает интервал перлитного пре­ вращения, что (при прочих одинаковых условиях) ведет к увеличению дисперсности феррито-карбидной смеси. Очевидно, оба фактора (и легирование феррита, и дис­ персность перлита) повышают твердость и прочность ковких чугунов. Что касается пластичности и вязкости, их значения тем ниже, чем выше фактическое содержа­ ние марганца. Существенное значение имеет и абсолют­ ное количество серы, так как включения понижают ме­ ханические свойства рассматриваемых чугунов. Отрица­ тельное действие серы проявляется сильнее, когда она не связана с марганцем (см. рис. 9). В этом случае сера формирует на границах зерен низкоплавкую эвтектичес­ кую прослойку, для которой характерна повышенная хрупкость. Аналогично влияет фосфор. Нескольких де­ сятых процента фосфора достаточно для придания ков­ ким чугунам высокой хрупкости в условиях ударных на­ грузок.

Влияние хрома на механические свойства ковких чу­ гунов подобно влиянию марганца. Как было показано, наличие хрома в ковких чугунах сильно замедляет про­ цессы графитизации, поэтому его содержание не должно

141

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