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

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

гимн глобулярнзирующими модификаторами, которые обеспечивают высокую компактность графитовых вклю­ чений независимо от времени и места их формирования.

В этом случае содержание кремния колеблется обычно в пределах 2—3% [16]. Необходимо остановиться на осо­ бенностях этого метода, на его возможностях и перспек­ тивах. Уже упоминалось, что различие между классиче­ ским составом ковкого чугуна и различными варианта­ ми кремнистого чугуна относится в основном к содержа­ нию кремния, концентрация которого превышает обще­ принятую на несколько десятых процента (0,4—0,6).

Сравнительно редко указанная разница достигает одно­ го процента. С точки зрения литейных свойств и струк­ туры это количество кремния эквивалентно приблизи­ тельно 0,1—0,3% С. Оно заметно меняет положение чу­ гуна на диаграмме состояния. Это, безусловно, повыша­ ет жидкотекучесть рассматриваемых чугунов (см. рис. 51). Остальные же литейные свойства в известной мере ухудшаются. Это объясняется тем, что кремний по­ вышает усадку чугуна в жидком состоянии и понижает его теплопроводность. Оба эти фактора приводят к уве­ личению усадочных раковин, склонности к напряжениям, трещинам и т. д. По-разному изменяются и отдельные механические свойства отливок. Прочностные характе­ ристики возрастают (см. рис. 69), удлинение практиче­ ски остается на одном уровне, а ударная вязкость зна­ чительно понижается. Повышенная твердость ухудшает обрабатываемость ковких чугунов. Появляется и другая закономерность, связанная с чувствительностью высоко­ кремнистых чугунов к температурам и длительности пер­ вой стадии отжига (табл. 39). Чем меньше длительность высокотемпературного отжига, тем ниже ударная вяз­ кость материала. Указанная зависимость обусловлена неравномерным распределением кремния в белом чугу­ не и его перераспределением в ходе графитизирующего отжига. Таким образом, любое ускорение графитизации за счет повышения содержания кремния неизбеж­ но ведет к ухудшению вязкости, что предопределяет те области, в которых высококремнистые чугуны могут ока­ заться перспективными, т.е. когда ударная вязкость не имеет значения, а на передний план выступают требова­ ния прочности и износостойкости. Что касается повыше­ ния содержания кремния как средства ускорения графитизацин, то мам кажется, что с течением времени эта

151

Таблица 39

тенденция станет неперспективной. Развитие остальных способов воздействия на этот процесс (модифицирова­ ние, усовершенствование агрегатов для отжига и т.д.), о которых шла речь выше, создает достаточно возможнос­ тей для сокращения операции отжига. Это относится в известной степени и к чугун ам с шаровидной формой графита. «В известной степени», так как в некоторых случаях (точнее — в случае магниевых чугунов) высокое содержание кремния обеспечивает графитизацню при затвердевании отливок. В ковких же чугунах с шаровид­ ной формой графита1 высокое содержание кремния не обязательно. В чугунах этого типа ускоренной графитизации и улучшения литейных свойств следует добивать­ ся с помощью углерода, так как отрицательные послед­ ствия повышенного содержания графита шаровидной формы «а механические и физические свойства ковкого чугуна совсем незначительны.

Рассматривая пути дальнейшего повышения механи-

1 К ковким чугунам относим п ту часть магниевых, цериевых и

.других чугунов с шаровидной формой графита, которые кристалли­ зуются как белые и графитизнруются в результате последующего высокотемпературного отжига.

152

ііескпх свойств ковких чугунов, в том числе чугунов с шаровидной формой графитовых включении, необходимо остановиться и на основном составе чугуна. Все ли воз-

Температура

S«

СЛ

•-о

со

I

«S'-

С о

Р и с . 76. М е с т о п о л о ж е н и е р а з л и ч н ы х к о в к и х ч у г у н о в н а д и а г р а м м е F e — С и с о д е р ж а н и е в н и х м а р г а н ц а и с е р ы

153

можности исчерпаны? Рассмотрим местоположение при­ меняемых составов ковких чугунов на диаграмме сос­ тояния в зависимости от содержания кремния, марганца и серы (рис. 76). Обычные, наиболее часто употребляе­ мые составы ковких чугунов (область КЧ) занимают ин­ тервал 2,2—3,1% С. В интервале 3,3—4,0% С сосредото­ чены ковкие чугуны, которые модифицируются глобуляризующиміи модификаторами (КЧ ГМ), ß соответствую­ щих областях указан и вид металлической основы — перлита (Я) или феррита (Ф). Указана также фор­ ма графитовых включений (хлопьевидная или шаровид­ ная). В тех случаях, когда на базе одних и тех же сос­ тавов получаются ковкие чугуны с обеими графитовыми формами, области разделены пунктирной диагональю. Это разделение проведено условно и не разграничивает составы, а только придает большую наглядность при принятых обозначениях. Как видно из рисунка, между указанными областями остается еще не занятое про­ странство (3,1—3,3% С), которое почему-то очень редко привлекало внимание исследователей. Наши исследова­ ния показывают, что чугуны с таким содержанием угле­ рода и с содержанием кремния 0,7—0,9%. названные нами низкокремнистыми (НКЧ), обеспечивают при ша­ ровидной форме графита очень хорошее сочетание литей­ ных и механических свойств (рис. 77). Надо полагать, что

го §

внедрение низкокремнистых ковких чугунов значительно расширит диапазоны механических свойств ковких чугунов в целом. Необходимо отметить, что низко­ кремнистые ковкие чугуны с шаровидной формой графи­ та позволяют более широко применять термические обработки (типа закалки и отпуска) как средство дальней­ шего улучшения іих эксплуатационных свойств. Сравни­ тельно высокое содержание кремния в обычных ковких чугунах и то, что его локальная концентрация часто вы­ ходит за пределы, при которых наступает резкое пониже-

154

мне ударной вязкости, приводят к повышенной чувстви­ тельности указанных чугунов к высоким напряжениям в отливках при закалке с получением мартенситной струк­ туры. Результатом этой чувствительности является сра­ внительно большая склонность к возникновению зака­ лочных трещин. Надо полагать, что благодаря высокой пластичности низкокремнистые чугуны будут лучше со­ противляться этим напряжениям.

'Пониженное содержание кремния в ковких чугунах создает благоприятные условия для широкого примене­

сталей. И если перлитные ковкие чугуны еще не заняли подобающего места в системе конструкционных мате­ риалов, то только из-за их сравнительно высокой хруп­ кости и трудной обрабатываемости, связанной с повы­ шенной твердостью. Указанная особенность перлитных ковких чугунов связана также с содержанием ікремния и неравномерным его распределением.

Необходимо подчеркнуть, что здесь мы останавлива­ емся только на принципиальной стороне вопроса о воз­ можности получения низкокремнистых ковких чугунов. Что же касается конкретного их производства, оно свя­ зано с решением ряда вопросов, 'касающихся шихтовых материалов, условий модифицирования (при низком со­ держании кремния магний усваивается труднее), опти­ мального режима графитизнрующего отжига и т. д.

В заключение мы хотели бы отметить, что, поднимая вопрос о перспективах и путях повышения литейных, ме­ ханических и других свойств ковкого чугуна, мы не име­ ли целью намечать программу дальнейших исследова­ ний. Нам просто хотелось указать на некоторые резервы, имеющиеся в распоряжении исследователей, связанные с интенсификацией технологического процесса производ­ ства и создания новых марок ковкого чугуна, удовлетво­ ряющих самым высоким требованиям современного ма­ шиностроения в отношении литых железоуглеродистых сплавов. Это дает основание рассматривать ковкий чу­ гун как исключительно перспективный конструкционный материал.

155

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Т. 104, № 3, с. 629—631.

4.Б о г а ч е в И. Н. Металлография чугуна. Москва— Свердловск,

.Машглз, 1952. 366 с. с ил.

7. Ж У к о в А. А., Ш а л а ш о в В. А., Т о м а с В. іК-, У л ь я н о ­

V. 207, ір. 161—175.

23.ß а щ е и к о К. И., Т о д о р о в Р. П., К о ш о в н и к Г. И. — «Ли­ тейное .производство», ,1961, № 2, с. 25—26 с ил.

156

29.Ж у к о в А. А. — В кн.: Вопросы термодинамики и физической кинетики структурообразования в чугуне и стали. Тула, Прнок-

91.Г у'др е м о и Э. Специальные стали, Пер. с нем, М., «Метал­ лургия», 1966. 1274 с. с ил.

157.

158